כיצד לישם במהירות ביומטריה, ביופידבק ומודעות מצבית עבור סביבות מטמיעות

יצירת סביבות מציאות מדומה (VR) מטמיעה (immersive virtual reality), מציאות מעורבת (mixed reality)‏ (MR), מציאות רבודה (augmented reality)‏ (AR) ומציאות מורחבת (extended reality)‏ (XR) עבור המטאברס היא משימה מורכבת. כדי לסייע ליצור סביבות אלו, מתכננים יכולים להפיק תועלת משימוש בביומטריה כדי להבין תגובות ותנאים פיזיים של משתמשים, ביופידבק כדי ליצור מעורבות עם המשתמש, וניתוח מצב להבנת הסביבה. ביומטריה ניתנת למימוש באמצעות אוקסימטר דופק‏ רגישות-גבוהה וחיישן קצב לב. ביופידבק ניתן לספק באמצעות תוכן אודיו או על ידי שימוש במישוש עבור אינטראקציות מבוססות-מגע. לבסוף, חיישני זמן-טיסה (ToF) מבוססי לייזר VCSEL תלת-ממדי (3D‏), שמסוגלים להקליט בקצב של 30 מסגרות לשנייה (fps), יכולים למפות ברציפות את הסביבה ולתמוך במודעות מצבית.

המטאברס ‏הוא הזדמנות המתפתחת במהירות. מתכננים יכולים להיות נתונים ללחץ לפתח במהירות ולשלב את מערך החישה הספק-נמוך וטכנולוגיות המשוב הנחוצים תוך התבססות על פתרונות בדידים, תוך כדי שהם עדיין עומדים בזמן יציאה לשוק ובמגבלות עלויות פיתוח. נוסף לכך, התקני מטאברס רבים הם מוזני סוללה, דבר העושה פתרונות הספק-נמוך לכורח.

כדי לענות על אתגרים אלו, מתכננים יכולים להשתמש בפתרונות משולבים התומכים באוקסימטר דופק וחישת קצב-לב רגישות-גבוהה, מספקים אודיו Class D‏ ומשוב האפטי נצילות-גבוהה ומשתמשים בפתרון חישה 3D ToF מבוסס-VCSEL‏ היכול לגלות מיקום אובייקטים וגדלים עם רמה גבוהה של פירוט, אפילו תחת תנאי אור סביבה חזקים.

מאמר זה סוקר את פעולת אוקסימטר הדופק וחיישני קצב לב, מסתכל על האופן בו מגברי Class D‏ יכולים לספק משוב אודיו באיכות גבוהה והספק נמוך מאוד, ומציג מערך של מעגלים משולבים (ICs) מבית Analog Devices‏ עבור ביומטריה, ביופידבק ומודעות מצבית, ביחד עם לוחות הערכה קשורים.

חישה של תנאים ביומטריים

מכשיר‏ Photoplethysmogram‏ (PPG‏) מודד שינויים בנפח דם ברמת מערכת נימי הדם ומשמש לרוב למימוש אוקסימטר דופק ומנטר קצב לב. מכשיר PPG‏ משתמש בלייזר כדי להאיר את העור ולמדוד את השינויים בבליעת אור (או החזרתו) באורכי-גל ספציפיים. אות ה-PPG המתקבל כולל רכיבי זרם ישר (DC) וזרם חילופין (AC). ההחזרה הקבועה של העור, שרירים, עצמות ודם ורידי נותנת את אות ה-DC. דופק קצב הלב של דם עורקי הוא המקור העיקרי של אות ה-AC. יותר אור מוחזר בשלב הסיסטולי (שאיבה) מאשר בשלב הדיאסטולי (הרפייה) (איור 1‏).

איור 1‏: אות ה-PPG‏ באוקסימטריית דופק כולל רכיבי DC‏ ו-AC‏ המתיחסים לאלמנטים כמו מבנה רקמה וזרימת דם עורקית, בהתאמה. (מקור תמונה: Analog Devices)

היחס בין זרם הדם הפועם (אות AC) לזרם הדם הלא פועם (אות DC) באות‏ PPG‏ הוא אינדקס הזילוח (perfusion index)‏ (PI‏). על ידי שימוש באינדקסים של PI באורכי-גל שונים, אפשר להעריך את רמת רוית החמצן בדם (S_pO₂). תכנון מערכת ה-PPG‏ למקסם את יחסי ה-PI‏ מגדיל את הדיוק של הערכות ה-S_pO₂. יחסי ה-PI‏ ניתנים להגדלה באמצעות תכנון מכני משופר ומימוש חיישן מדויק יותר.

ארכיטקטורות טרנסמיסיביות ורפלקטיביות ניתנות לשימוש עבור מערכות PPG‏ (איור 2‏). מערכת‏ טרנסמיסיבית משמשת באזורי הגוף בהם אור יכול לעבור בקלות, כמו תנוכי אזניים וקצות אצבעות. תצורות אלו יכולות להשיג גידול של 40 עד 60 דציבל (dB‏) ב-PI‏. ב-PPG‏ רפלקטיבי, הפוטו-גלאי ונורית ה-LED‏ ממוקמים זה לצד זו. ניתן להשתמש במכשירי PPG רפלקטיביים על פרק כף-היד, חזה, או אזורים אחרים. השימוש בתכן רפלקטיבי מקטין את יחסי ה-PI ודורש שימוש בקצה-קדמי אנלוגי (AFE) בעל ביצועים גבוהים יותר על החיישן.‏ ריווח גם כן קריטי כדי כדי למנוע רוויה של ה-AFE. בנוסף לשיקולי התכנון המכניים והחשמליים, הפיתוח של תוכנה כך שתפרש כראוי את אותות ה-PI יכול להיות אתגר משמעותי.

איור 2: ‏IR LED יחיד יכול לשמש באוקסימטר דופק וחיישן קצב לב פשוט אך שימוש בנורות LED מרובות יכול לתת אות יציאה באיכות גבוהה יותר. (מקור תמונה: Analog Devices)

אתגר נוסף כשמתכננים מערכות PPG‏ הוא הצורך לקחת בחשבון תנועה כלשהי של המשתמש בזמן ביצוע המדידה. תנועה יכולה לגרום ללחצים היכולים לשנות את רוחב העורקים והוורידים, להשפיע על האינטראקציה שלהם עם אור, דבר המשנה את אותות ה-PI‏. מאחר ושניהם, אותות ה-PPG‏ ותוצאות לוואי אופייניות של תנועה נמצאים בתחומי תדר דומים, אי אפשר פשוט לסנן את השפעות התנועה. במקום זה, ניתן להשתמש במד-תאוצה כדי למדוד תנועה, על מנת לאפשר את ביטול השפעתה.

ניטור S_pO₂ וקצב לב

עבור מתכננים שצריכים לממש S_PO₂ וניטור קצב לב, Analog Devices‏ מציעה את תכן הייחוס MAXREFDES220# המספק הרבה ממה שדרוש כדי לבנות במהירות אב-טיפוס לפתרון, כולל:

• מודול אוקסימטריית הדופק המשולבת ומנטר קצב הלב MAX30101. מודול זה כולל נורות LED‏ פנימיות, פוטו-גלאים, אלמנטים אופטיים, AFE ביצועים-עיליים ואלקטרוניקה אחרת בעלת רעש-נמוך פלוס דחיית אור סביבה.
• רכזת החיישן הביומטרי MAX32664, מתוכננת לשימוש עם ה-MAX30101. היא כוללת אלגוריתמים למימוש ניטור S_PO₂ וקצב לב, ויש לה ממשק I²C עבור תקשורת עם‏ יחידת מיקרו-בקר מארחת (MCU). האלגוריתמים גם תומכים בשילוב של‏ מד-תאוצה עבור תיקון תנועה.
• מד-התאוצה שלושה-צירים ADXL362 הצורך פחות מ-2 מיקרו-אמפר (µA‏) בקצב נתוני יציאה של‏ 100 הרץ (Hz‏), ו-270 ננו-אמפר (nA‏) כשבמצב יקיצה בעקבות עירור-תנועה.

Class D‏ עבור משוב אודיו

משוב אודיו יכול לספק‏ אפשרות לאינטראקציה חזקה עם משתמשים. או הוא יכול להקטין את איכות החוויה אם איכות הצליל לא טובה. המיקרו-רמקולים המשמשים בהתקנים לבישים אופייניים ובסביבות VR/MR/AR/XR יכולים להיות מאתגרים לשימוש אפקטיבי ויעיל. דרך אחת לטפל בכך היא להשתמש במגבר חכם Class D מחוזק, נצילות גבוהה, עם ממיר הגברה משולב נצילות-גבוהה, ומדרוג מתח ‏עבור נצילות גבוהה יותר בהספק יציאה נמוך. פונקציית ההגברה החכמה יכולה להגדיל את רמת לחץ הקול (SPL‏) כמו גם את הענות הבס עבור אודיו עשיר ומציאותי יותר.

תכנון הגברה חכמה הוא תהליך‏ מורכב, אך קיימים מגברים עם מעבדים של אות דיגיטלי (DSPs) משולבים המבצעים אוטומטית הגברה חכמה ומספקים ביצועי רמקול משופרים, כולל חישת זרם-מתח (IV) לבקרת הספק יציאה ומניעת נזק לרמקול. עם הגברה חכמה, מיקרו-רמקולים יכולים לספק בבטחון רמות לחץ קול (SPLs) גבוהות יותר והענות בס מוגברת. זמינים פתרונות משולבים המספקים הגדלת SPL ב-6 עד 8‎ dB‏‏, והמרחיבים הענות הבס מטה עד רבע תדר התהודה (איור 3‏).

איור 3‏: הגברה חכמה עם תכנון‏ Class D יכולה לתמוך באופן בטוח ויעיל ברמות SPL גבוהות יותר והענות בס מורחבת במיקרו-רמקולים. (מקור תמונה: Analog Devices)

מגבר Class D‏ עבור משוב אודיו

ה-MAX98390CEWX+T‏ הוא מגבר חכם Class D‏ נצילות-גבוהה עם ממיר Boost משולב וניהול רמקול דינמי (Dynamic Speaker Management)‏ (DSM) של Analog Devices‏ עבור צליל מעולה היכול לתמוך במשוב אודיו יעיל ובאיכות-גבוהה. מגבר זה כולל מידרוג מתח עבור נצילות גבוהה בהספק יציאה נמוך. נוסף לכך, ממיר ה-Boost עובד עם מתחי סוללה נמוכים עד 2.65 וולט והוא בעל יציאה ניתנת לתכנות מ-6.5 עד ‏10 וולט בקפיצות של 0,125 וולט. ממיר ה-Boost כולל מעקב אחר מעטפות‏ (envelope tracking) כדי לכוונן את מתח היציאה עבור נצילות מקסימלית, ביחד עם מצב עקיפה עבור פעולת זרם רוגע נמוך.

המגבר המחוזק יכול לספק עד 6.2 ואט‏ אל תוך רמקול‏ 4 אוהם (Ω‏) עם עיוות הרמוני כולל ועוד רעש (THD+N) של %‏10 בלבד. הוא כולל חישת IV משולבת‏ כדי להגן על הרמקול מפני נזק ותומך ברמות SPL גבוהות יותר והענות בס נמוכה יותר.

כדי לזרז פיתוח עם ה-MAX98390C, חברת Analog Devices‏ מציעה את ערכת ההערכה #MAX98390CEVSYS. הערכה כוללת את לוח הפיתוח MAX98390C, לוח ממשק אודיו, ספק-כוח‏ ‏5‏ וולט, מיקרו-רמקול, כבל‏ USB‏, תוכנת DSM Sound Studio ותוכנת הערכה MAX98390 (איור 4‏). לתוכנת ה-DSM Sound Studio יש‏ ממשק משתמש גרפי (GUI) המישם DSM בתהליך‏ פשוט של שלושה-צעדים. היא גם כוללת הדגמה של‏ שבע דקות על השפעת תוכנת ה-DSM בשימוש במיקרו-רמקול.

איור 4‏: ערכת ה-#MAX98390CEVSYS כוללת את כל החומרה והתוכנה הדרושות כדי לפתח מערכות משוב אודיו Class D. (מקור תמונה: Analog Devices)

מישוש עבור משוב טקטילי

מתכננים של מערכות הסומכים על משוב טקטילי כדי ליצור מעורבות משתמשים יכולים לפנות אל דוחף הבקר נצילות-גבוהה +MAX77501EWV עבור מפעילים (Actuators‏) פייזואלקטריים. הוא ממוטב במיוחד לדחוף עד 2 מיקרו-פאראד (µF‏) אלמנטים פייזו-אלקטריים ומחולל צורת-גל ‏הפטית קצה-יחיד (Single-Ended‏) של עד 110 וולט שיא-לשיא (Vpk-pk) ממתח אספקה של 2.8‏ עד 5.5 וולט. הוא יכול לעבוד במצב השמעה מזיכרון עם צורות-גל מוקלטות מראש או להשתמש בצורות-גל זמן-אמת מוזרמות ממיקרו-בקר (MCU). ניתן להקצות דינמית צורות-גל מרובות לזיכרון שעל-הלוח, שיכול לשרת כחוצץ ראשון-נכנס ראשון-יוצא (FIFO‏) עבור זרימת נתונים זמן-אמת. גישה ובקרה של מערכת שלמה, כולל דיווח תקלה וניטור, נתמכות באמצעות הממשק ההיקפי הטורי המשולב (SPI). הוא גם מאפשר השמעה אחרי 600 מיקרו-שנייה (µs‏) זמן אתחול מכיבוי. כדי להבטיח נצילות גבוהה וחיי סוללה מקסימליים, דוחף בקר זה הוא בעל ‏ארכיטקטורת Boost בהספק אולטרה-נמוך ‏עם‏ זרם מצב-המתנה של 75‎ μA‏ ‏וזרם מצב-כבוי של ‎1 μA.

כדי לחקור את היכולות של דוחף הפייזו MAX77501, מתכננים יכולים להשתמש בערכת ההערכה #MAX77501EVKIT, שהיא מורכבת ובדוקה במלואה. הערכה מאפשרת הערכה קלה של ה-MAX77501 וביכולתה לדחוף אות הפטי‏ גדול דרך מפעיל (Actuator) פייזו קרמי. הערכה כוללת תוכנת GUI מבוססת Windows‏ עבור חקר כל המאפיינים של ה-MAX77501.

ToF עבור מודעות מצבית

מודעות מצבית יכולה להיות היבט חשוב של סביבות VR/MR/AR/XR. פלטפורמת ההערכה AD-96TOF1-EBZ תומכת בהיבט זה על ידי הכללת לוח משדר לייזר‏ VCSEL‏ ולוח‏ מקלט AFE עבור פיתוח פונקציות תפיסת עומק ToF (איור 5‏). על ידי זיווג פלטפורמת הערכה זו עם לוח מעבד ממערכת הסביבה 96Boards או ממשפחת Raspberry Pi, מתכננים מסופקים עם תכנון בסיסי היכול לשמש עבור פיתוח התוכנה ואלגוריתמים עבור ביצועי ToF מיוחדים ליישום עם רמות גבוהות של פירוט 3D. המערכת יכולה לגלות ולסדר אובייקטים בתנאי אור סביבה חזקים ויש לה אופני גילוי טווח מרובים עבור ביצועים ממוטבים. ערכת פיתוח התוכנה (SDK) הכלולה מספקת Wrapper עבור OpenCV,‏ Python‏, MATLAB‏, Open3D‏ ו-RoS כדי להגדיל גמישות.

איור 5‏: ניתן לפתח מערכות מודעות מצבית ToF ביצועים-עיליים על ידי שימוש בפלטפורמת הערכה AD-96TOF1-EBZ. (מקור תמונה: Analog Devices)

סיכום

יצירת סביבות מטמיעות ואינטראקטיביות עבור המטאברס היא משימה מורכבת וגוזלת זמן. כדי להאיץ את התהליך, מתכננים יכולים לפנות אל‏ מגוון שלם של פתרונות קומפקטיים ויעילים אנרגטית מבית Analog Devices‏, כולל פלטפורמות פיתוח והערכה עבור מערכות חישה ביומטרית, ביופידבק ומודעות מצבית.

קריאה מומלצת

1. כיצד להשתמש בחיישני טמפרטורה דיגיטליים עם דיוק גבוה בהתקנים לבישים לניטור בריאות
2. השתמש במודול ביו-חישה כדי לפתח מוצרי בריאות וכושר לבישים
3. כיצד למטב SWaP בשרשרות אותות RF‏ ביצועים-עיליים