作者：Jeff Shepard

　　为虚拟世界创建沉浸式虚拟现实 (VR)、混合现实 (MR)、增强现实 (AR) 和扩展现实 (XR) 环境是一项复杂的任务。为了帮助创建这些环境，设计人员可以受益于使用生物识别技术来了解用户的反应和身体状况，使用生物反馈来与用户互动，以及使用情境分析来了解周围环境。生物识别可以通过高灵敏度脉搏血氧仪和心率传感器来实现。可以通过音频内容或使用触觉进行基于触摸的交互来提供生物反馈。最后，三维 (3D) 垂直腔侧发射激光 (VCSEL) 飞行时间 (ToF) 传感器能够以每秒 30 帧 (fps) 的速度进行记录，可以持续映射环境并支持态势感知。

　　元宇宙是一个快速发展的机会。设计人员可能被迫基于分立解决方案快速开发和集成所需的一系列低功耗传感和反馈技术，同时还要满足上市时间和开发成本限制。此外，许多 Metaverse 设备都是电池供电的，这使得低功耗解决方案成为必需。

　　为了应对这些挑战，设计人员可以利用支持高灵敏度脉搏血氧仪和心率传感的集成解决方案，提供高效 D 类音频和触觉反馈，并利用基于 VCSEL 的 3D ToF 传感解决方案来检测物体位置和具有高粒度的尺寸——即使在强烈的环境光条件下。

　　本文回顾了脉搏血氧仪和心率传感器的工作原理，探讨了 D 类放大器如何提供高质量和极低功耗的音频反馈，并介绍了Analog Devices的一系列高能效 IC，用于生物识别、生物反馈和态势感知，以及相关的评估委员会。

　　感应生物识别条件

　　光电体积描记图 (PPG) 测量微血管水平的血容量变化，通常用于实施脉搏血氧仪和心率监测器。 PPG 使用激光照亮皮肤并测量特定波长的光吸收(或反射)变化。生成的 PPG 信号包括直流 (DC) 和交流 (AC) 分量。皮肤、肌肉、骨骼和静脉血的恒定反射率导致直流信号。动脉血的心率脉动是交流信号的主要来源。与舒张(松弛)相相比，收缩(泵)相反射的光更多(图 1)。

　　图 1：脉搏血氧仪中的 PPG 信号包括分别与组织结构和动脉血流等元素相关的直流和交流分量。 (图片来源：Analog Devices)

　　PPG 信号中脉动(AC 信号)血流与非脉动(DC 信号)血流之比即为灌注指数 (PI)。通过使用不同波长的 PI，可以估计血氧饱和度 (S p O 2 ) 的水平。设计 PPG 系统以最大化 PI 比率可提高 S p O 2估计的准确性。可以通过改进机械设计和更高精度的传感器实现来增加 PI 比率。

　　透射式和反射式架构可用于 PPG 系统(图 2)。透射系统用于光线容易穿过的身体部位，例如耳垂和指尖。这些配置可以实现 PI 增加 40 到 60 分贝 (dB)。在反射式 PPG 中，光电探测器和 LED 并排放置。反光 PPG 可用于手腕、胸部或其他部位。使用反射设计会降低 PI 比率，并且需要在传感器上使用更高性能的模拟前端 (AFE)。间距对于避免 AFE 饱和也很重要。除了机械和电气设计考虑外，开发正确解释 PI 信号的软件也是一项重大挑战。

　　图 2：单个 IR LED 可用于简单的脉搏血氧仪和心率传感器，但使用多个 LED 可产生更高质量的输出信号。 (图片来源：Analog Devices)

　　设计 PPG 系统时的另一个挑战是需要考虑用户在进行测量时的任何运动。运动会产生压力，从而改变动脉和静脉的宽度，影响它们与光的相互作用，从而改变 PI 信号。由于 PPG 信号和典型的运动伪影都在相似的频率范围内，因此不可能简单地滤除运动的影响。相反，加速度计可用于测量运动，以便能够抵消运动。

　　监测 S p O 2和心率

　　对于需要实施 S P O 2和心率监测的设计人员，Analog Devices 提供了MAXREFDES220#参考设计，它提供了快速制作解决方案原型所需的大部分内容，包括：

　　MAX30101集成脉搏血氧仪和心率监测模块。该模块包括内部 LED、光电探测器、光学元件、高性能 AFE 和其他低噪声电子设备以及环境光抑制功能。

　　MAX32664生物识别传感器集线器，专为与 MAX30101 配合使用而设计。它包括用于实施 S P O 2和心率监测的算法，并且具有用于与主机微控制器单元 (MCU) 通信的I 2 C 接口。该算法还支持集成加速度计以进行运动校正。

　　ADXL362三轴加速度计在 100 赫兹 (Hz) 输出数据速率下消耗不到 2 微安 (µA)，在运动触发唤醒模式下消耗 270 纳安 (nA) 。

　　D类音频反馈

　　音频反馈可以提供与用户进行强大交互的机会。或者，如果音质不佳，它可能会降低体验质量。在典型的可穿戴和 VR/MR/AR/XR 环境中使用的微型扬声器可能难以有效且高效地使用。解决此问题的一种方法是使用具有集成升压转换器和电压调节功能的高效率升压 D 类智能放大器，以在低输出功率下实现更高效率。集成的智能放大功能可以提高声压级 (SPL) 以及低音响应，以获得更丰富、更逼真的音频。

　　设计智能放大是一个复杂的过程，但放大器带有集成数字信号处理器 (DSP)，可自动实现智能放大并提供改进的扬声器性能，包括用于控制输出功率和防止扬声器损坏的电流电压 (IV) 感应。通过智能放大，微型扬声器可以安全地提供更高的 SPL 和增强的低音响应。集成解决方案可提供 6 至 8 dB 的 SPL 提升，并将低音响应扩展至共振频率的四分之一(图 3)。

　　图 3：采用 DG 类设计的智能放大可以安全有效地支持微型扬声器中更高的 SPL 水平和扩展的低音响应。 (图片来源：Analog Devices)

　　用于音频反馈的 D 类放大器

　　MAX98390CEWX +T是一款高效 D 类智能放大器，集成升压转换器和 Analog Devices 的动态扬声器管理 (DSM)，可提供出色的音效，支持高质量、高效的音频反馈。该放大器包括电压缩放功能，可在低输出功率下实现高效率。此外，升压转换器可在低至 2.65 伏的电池电压下工作，并具有可编程的输出，范围为 6.5 至 10 伏，增量为 0.125 伏。升压转换器包括包络跟踪以调整输出电压以获得最大效率，以及用于低静态电流操作的旁路模式。

　　这款升压放大器可为 4 欧姆 (Ω) 扬声器提供高达 6.2 瓦的功率，总谐波失真加噪声 (THD+N) 仅为 10%。它包括一个集成的 IV 感应器，可保护扬声器免受损坏，并支持更高的 SPL 和更低的低音响应。

　　为加速 MAX98390C 的开发，Analog Devices 提供了MAX98390CEVSYS#评估套件。该套件包括 MAX98390C 开发板、音频接口板、5 伏电源、微型扬声器、USB 电缆、DSM Sound Studio软件和 MAX98390 评估软件(图 4)。 DSM Sound Studio 软件具有图形用户界面 (GUI)，可通过简单的三步过程实施 DSM。它还包括使用微型扬声器对 DSM 软件的影响进行七分钟的演示。

　　图 4：MAX98390CEVSYS# 套件包括开发 D 类音频反馈系统所需的所有硬件和软件。 (图片来源：Analog Devices)

　　用于触觉反馈的触觉

　　依靠触觉反馈来吸引用户的系统设计人员可以求助于 MAX77501EWV +用于压电执行器的高效控制器驱动器。它针对驱动高达 2 微法拉 (µF) 的压电元件进行了优化，并在 2.8 至 5.5 伏的电源电压下生成高达 110 伏峰峰值 (Vpk-pk) 的单端触觉波形。它可以使用预先录制的波形在内存回放模式下运行，也可以使用从 MCU 流式传输的实时波形。多个波形可以动态分配给板载内存，它可以作为实时流的先进先出 (FIFO) 缓冲器。集成串行外设接口 (SPI) 支持完整的系统访问和控制，包括故障报告和监控。它还允许在关机后 600 微秒 (µs) 的启动时间后进行播放。为确保高效率和最长的电池寿命，该控制器驱动器具有超低功耗升压架构，待机电流为 75 μA，关断电流为 1 μA。

　　为了探索 MAX77501 压电驱动器的功能，设计人员可以使用经过全面组装和测试的MAX77501EVKIT#评估套件。该套件可以轻松评估 MAX77501 及其通过陶瓷压电执行器驱动大触觉信号的能力。该套件包括基于 Windows 的 GUI 软件，用于探索 MAX77501 的所有特性。

　　用于态势感知的 ToF

　　态势感知可能是 VR/MR/AR/XR 环境的一个重要方面。 AD -96TOF1-EBZ评估平台通过包括用于开发 ToF 深度感知功能的 VCSEL 激光发射器板和 AFE 接收器板来支持这方面(图 5)。通过将此评估平台与来自 96Boards 生态系统或 Raspberry Pi 系列的处理器板配对，设计人员可以获得一个基准设计，该基准设计可用于为具有高水平 3D 粒度的特定应用 ToF 实现开发软件和算法。该系统可以在强环境光条件下检测和测距物体，并具有多种测距模式以优化性能。随附的软件开发套件 (SDK) 提供 OpenCV、Python、MATLAB、Open3D 和 RoS 包装器以增强灵活性。

　　图 5：可以使用 AD-96TOF1-EBZ 评估平台开发高性能 ToF 态势感知系统。 (图片来源：Analog Devices)

　　结论

　　为元宇宙创建身临其境的交互式环境是一项复杂且耗时的任务。为加快这一过程，设计人员可以求助于 Analog Devices 的全套紧凑型节能解决方案，包括用于生物识别传感、生物反馈和态势感知系统的开发和评估平台。