如何快速運用生物辨識、生物回饋和情境感知來營造沉浸式環境

為元宇宙建立沉浸式虛擬實境 (VR)、混合實境 (MR)、擴增實境 (AR) 和延展實境 (XR) 環境，是一項複雜的任務。為了協助建立這些環境，設計人員可以透過生物辨識瞭解使用者的反應和身體狀況、透過生物回饋與使用者互動，並透過情境分析瞭解周圍的環境。生物辨識可使用高靈敏度的脈搏血氧儀和心率感測器來實作。可透過音訊內容或使用觸感技術達到觸控式互動，以提供生物回饋。最後，記錄速度可達 30 fps 的 3D 垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL) 飛時測距 (ToF) 感測器，則可持續對環境進行測繪，並支援情境感知能力。

元宇宙是發展極快的商機。設計人員可能不僅要在離散式解決方案的基礎上，快速開發並整合一系列所需的低功耗感測與回授技術，同時還要符合上市時間和開發成本的限制。此外，元宇宙的眾多裝置元件皆以電池供電，必須使用低功耗解決方案。

要應對這些挑戰，設計人員可使用支援高靈敏度脈搏血氧儀和心率感測的整合式解決方案、提供高效率的 D 類音訊與觸覺回饋，以及利用即使在環境光較強烈時也能以高粒度偵測物體位置和大小的 VCSEL 型 3D TOF 感測解決方案。

本文將介紹脈搏血氧儀和心率感測器的運作方式、探討 D 類放大器如何提供優質、功耗極低的音訊回饋，並介紹 Analog Devices 一系列用於生物辨識、生物回饋和情境感知的高能效 IC，以及相關的評估板。

感測生物辨識條件

光體積變化描記圖 (PPG) 可測量微血管的血量變化，常用於實作脈搏血氧儀和心率監測器。PPG 使用雷射照射皮膚，並測量特定波長下光吸收量 (或反射量) 的變化。產生的 PPG 訊號包含直流電 (DC) 和交流電 (AC) 分量。皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血液的反射率恆定，會產生 DC 訊號。動脈血液的心率脈搏，則是 AC 訊號的主要來源。收縮 (泵血) 期反射的光線，比起舒張 (鬆弛) 期更多 (圖 1)。

圖 1：脈搏血氧儀中的 PPG 訊號，包含與組織結構和動脈血流等元素有關的 DC 和 AC 分量。(圖片來源：Analog Devices)

PPG 訊號中脈動 (AC 訊號) 血流與非脈動 (DC 訊號) 血流的比率，稱為血流灌注指數 (PI)。透過不同波長下的 PI，就可估算血氧飽和度 (S_pO₂)。設計 PPG 系統時，將 PI 比最大化，就可提高 S_pO₂ 估計值的準確度。要提高 PI 比，可增進機械設計並提高感測器的精確度來達成。

PPG 系統可採用透射式和反射式架構 (圖 2)。透射式系統可用於光線容易穿透的身體部位，例如耳垂和指尖。這些配置能讓 PI 增加 40 至 60 dB。而在反射式 PPG 中，光電偵測器和 LED 會並排放置。反射式 PPG 可用於手腕、胸部或其他部位。使用反射設計會降低 PI 比，同時還得在感測器上使用效能更高的類比前端 (AFE)。此外，間距對於避免 AFE 飽和也非常重要。除了機械和電氣設計的考量因素外，開發能正確解讀 PI 訊號的軟體也同樣極具挑戰。

圖 2：簡單的脈搏血氧儀和心率感測器可以使用單一個 IR LED，但使用多個 LED 可產生更高品質的輸出訊號。(圖片來源：Analog Devices)

設計 PPG 系統時還有另一個挑戰，就是要考慮使用者在量測期間的動作。動作可能會造成壓力而改變動脈和靜脈的寬度，影響其與光線的互動，進而改變 PI 訊號。由於 PPG 訊號和典型動作假影的頻率範圍十分類似，因此無法單純濾除動作造成的效應。但可以使用加速計來測量動作，進而將其抵銷。

監測 S_pO₂ 與心率

對於需要實作 S_PO₂ 和心率監測的設計人員，Analog Devices 推出 MAXREFDES220# 公版設計，可提供快速製作解決方案原型的多個必要項目，包括：

• MAX30101 整合式脈搏血氧儀和心率監測器模組。此模組包含內部 LED、光電偵測器、光學元件、高效能 AFE 及其他低雜訊電子元件，還有環境光拒斥功能。
• MAX32664 生物辨識感測器中樞，可搭配 MAX30101 使用，其中含有實作 S_PO₂ 與心率監測的演算法，並有 I²C 介面，可與主機微控制器單元 (MCU) 進行通訊。此外，這些演算法還支援加速計的整合，可進行運動校正。
• ADXL362 三軸加速計；在 100 Hz 輸出數據傳輸率下，耗電量小於 2 µA，在運動觸發喚醒模式下，耗電量為 270 nA。

D 類 (用於音訊回饋)

音訊回饋可提供與使用者進行有效互動的機會。但若音質較差，也有損使用體驗的品質。在典型穿戴式裝置和 VR/MR/AR/XR 環境中使用的微型揚聲器，可能很難有效和高效使用。要解決此問題，可使用高效率增強型 D 類智慧型放大器，並搭配整合式升壓轉換器和電壓調整功能，以在低輸出功率下達到更高的效率。整合式智慧型放大功能可提升聲壓位準 (SPL) 及低音響應，讓音訊更豐富且更逼真。

設計智慧型放大功能的過程雖然很複雜，但放大器配有整合式數位訊號處理器 (DSP) 時，就可自動實作智慧型放大功能並改善揚聲器效能，包括電流電壓 (IV) 感測功能，可控制輸出功率並避免揚聲器受損。透過智慧型放大功能，微型揚聲器可安全提升 SPL 並增加低音響應。許多整合式解決方案可將 SPL 增強 6 至 8 dB，並將低音響應向下延伸至諧振頻率的四分之一 (圖 3)。

圖 3：採用 DG 類設計的智慧型放大功能，可在微型揚聲器中安全有效地支援更高的 SPL 並延伸低音響應。(圖片來源：Analog Devices)

D 類放大器 (用於音訊回饋)

MAX98390CEWX+T 是一款高效率的 D 類智慧型放大器，搭載整合式升壓轉換器和 Analog Devices 的動態揚聲器管理 (DSM) 技術，可呈現出色音效，並支援高品質和高效率的音訊回饋。這款放大器含有電壓調整功能，可在低輸出功率下達到高效率。此外，其升壓轉換器的電池電壓低至 2.65 V，輸出可編程範圍介於 6.5 至 10 V，增量為 0.125 V。升壓轉換器具有封包追蹤功能，可調整輸出電壓達到最大效率，同時還提供旁路模式，可進行低靜態電流操作。

這款增強型放大器可為 4 Ω 揚聲器提供高達 6.2 W 功率，且總諧波失真加上雜訊 (THD+N) 僅有 10%。含有整合式 IV 感測功能，可避免揚聲器受損，並支援更高的 SPL 及更低的低音響應。

為了加快使用 MAX98390C 進行開發的速度，Analog Devices 推出了 MAX98390CEVSYS# 評估套件。此套件包含 MAX98390C 開發板、音訊介面板、5 V 電源供應器、微型揚聲器、USB 纜線、DSM Sound Studio 軟體及 MAX98390 評估軟體 (圖 4)。DSM Sound Studio 軟體採用圖形使用者介面 (GUI)，可以三個步驟輕鬆實作 DSM。此外更隨附七分鐘示範影片，展示 DSM 軟體在使用微型揚聲器時的影響。

圖 4：MAX98390CEVSYS# 套件含有開發 D 類音訊回饋系統所需的所有硬體和軟體。(圖片來源：Analog Devices)

觸感技術 (用於觸覺回饋)

在設計依靠觸覺回饋與使用者互動的系統時，設計人員可以使用 MAX77501EWV+ 高效率控制器驅動器來實作壓電致動器。此驅動器已經過最佳化，可驅動高達 2µF 的壓電元件，並可在 2.8 至 5.5 V 電源電壓下產生高達 110 V 的峰對峰 (Vpk-pk) 單端觸覺波形。既可以使用預錄的波形在記憶體播放模式下運作，也可以使用從 MCU 串流傳輸而來的即時波形。多個波形可以動態分配至板載記憶體，並作為先進先出 (FIFO) 緩衝器，達到即時串流。具有整合式序列周邊裝置介面 (SPI)，可支援完整的系統存取及控制，包括故障報告和監測。此外，更可在關機的 600 µs 啟動時間後進行播放。為了確保高效率和最長的電池續航力，此控制器驅動器採用超低功率的升壓架構，其待機電流為 75 μA，關斷電流為 1 μA。

若想探索 MAX77501 壓電驅動器的功能，設計人員可以使用經過充分組裝與測試的 MAX77501EVKIT# 評估套件。此套件可以輕鬆評估 MAX77501，並具有透過陶瓷壓電致動器驅動大觸覺訊號的能力。此套件包含以 Windows 為基礎的 GUI 軟體，可充分探索 MAX77501 的功能。

TOF (用於情境感知)

情境感知是 VR/MR/AR/XR 環境的重要一環。AD-96TOF1-EBZ 評估平台可支援情境感知，其中含有 VCSEL 雷射發射器板和 AFE 接收器板，可開發 ToF 深度感知功能 (圖 5)。將此評估平台搭配 96Boards 生態系統或 Raspberry Pi 系列的處理器板後，設計人員便可取得基準設計，可用於開發軟體和演算法，以高 3D 粒度實作應用特有的 ToF。此系統可在強烈的環境光下對物體進行偵測與測距，並提供多種測距模式，可達到最佳化效能。隨附的軟體開發套件 (SDK) 提供 OpenCV、Python、MATLAB、Open3D 和 RoS 包裝函式，在靈活度上有所增強。

圖 5：高效能 ToF 情境感知系統可使用 AD-96TOF1-EBZ 評估平台進行開發。(圖片來源：Analog Devices)

結論

建立元宇宙身歷其境的互動式環境既複雜又耗時。為了加快流程，設計人員可以轉用 Analog Devices 的一系列高能效且緊湊的解決方案，包括用於生物辨識感測、生物回饋和情境感知系統的開發與評估平台。

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