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作者：Colm Slattery，戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Alessandro Vinco，系統集成高級工程師 ADI公司 簡(jiǎn)介 在“實(shí)現物流和零售自動(dòng)化——第1部分”中，我們探討了手持設備中的電池管理，及其對物流和零售應用成本控制的影響。在第2部分，我們將重點(diǎn)介紹如何通過(guò)引入高g沖擊檢測、動(dòng)態(tài)揚聲器管理和內置自動(dòng)物體尺寸測量等先進(jìn)功能，提升手持設備的整體自動(dòng)化效率。 可靠性和保修：高g沖擊檢測 移動(dòng)計算機和條形碼掃描儀等手持設備在使用過(guò)程中難免會(huì )多次跌落。每跌落一次，設備的一系列集成子系統就會(huì )變得更脆弱，更容易受到物理?yè)p壞和/或發(fā)生功能故障。在這種情況下，整個(gè)設備也更有可能遭受物理破壞或功能受損。 跌落的強度各異，可能輕微滑落，也可能從高處加速摔落，尤其是在工廠(chǎng)地面上，設備可能經(jīng)歷數百g的加速度，這將大幅削弱設備的抗損能力。為了確保設備能夠長(cháng)時(shí)間正常使用，必須避免超越產(chǎn)品規范的使用場(chǎng)景從原始設備制造商(OEM)的角度來(lái)說(shuō)，特別是對于高價(jià)設備，電子設備因誤用或意外跌落導致的損壞可能會(huì )使保修失效。因此，要嚴格執行此類(lèi)保修政策，以高采樣速率檢測跌落物體的高加速度水平變得至關(guān)重要，因為這些跌落場(chǎng)景往往會(huì )對加速度產(chǎn)生短暫影響（參見(jiàn)圖1）。 在將設備推出市場(chǎng)之前，制造商還會(huì )通過(guò)特定的測試環(huán)境和程序來(lái)檢查其設備的抗沖擊能力。例如，美國軍用標準MIL-STD-810G 516.6等定義了一個(gè)流程，要求在五個(gè)單元上進(jìn)行測試，每個(gè)設備在測試方法規定的溫度下經(jīng)歷26次跌落（8次角跌落、12次邊緣跌落和6次正面/側面跌落）。如果設備在測試期間關(guān)機、重啟或丟失數據，則被視為未通過(guò)跌落測試。溫度和接觸化學(xué)物質(zhì)等環(huán)境因素也會(huì )削弱設備在跌落后繼續正常運轉的能力。 
圖1.手持設備跌落測試的典型加速度水平。請注意，最大加速度出現在實(shí)際沖擊后。 使用ADXL37x系列高g加速度計等MEMS加速度計可以快速、高質(zhì)量地監控設備在使用過(guò)程中經(jīng)歷的所有加速度。這些MEMS加速度計的尺寸為3 mm × 3 mm，可承受高達±400 g的加速度。即使在最高采樣速率（超過(guò)5 kHz）下，這些加速度計也能以低功率水平運行，連續工作時(shí)消耗的電流不到45 μA，非常適合用于手持設備和電池供電設備。傳統加速度計不具備正確檢測和表征跌落的采樣速率。高g加速計的采樣速率比許多傳統加速度計高3倍，可以檢測超快速瞬變，準確識別意外跌落，并指定跌落事件的類(lèi)型，同時(shí)功耗比傳統加速度計低10倍。ADXL37x等高g加速度計也經(jīng)過(guò)廣泛測試，包括閘床測試和高加速壽命試驗(HALT)，這些測試重現惡劣的環(huán)境和工作條件，手持設備必須能夠在這樣的條件下穩健、可靠地運行（參見(jiàn)圖2）。
圖2.用于MEMS沖擊測試的閘床測試和高加速壽命試驗(HALT)設備。 借助高g加速度計、高端條形碼掃描儀和移動(dòng)計算機，現在可以對倉庫進(jìn)行監控，以了解是否有意外事故發(fā)生。這有助于保證最終用戶(hù)安全可靠地使用設備。此外，這些設備的制造商可以在發(fā)現誤用時(shí)取消產(chǎn)品保修，避免因非OEM責任導致?lián)p壞而產(chǎn)生的高額保內維修費用。 動(dòng)態(tài)揚聲器管理 工廠(chǎng)車(chē)間環(huán)境十分嘈雜。不斷移動(dòng)的機器人、傳送帶和其他機械使得各類(lèi)聲音通信變得困難。例如，條形碼掃描儀可能會(huì )發(fā)出聽(tīng)得見(jiàn)的嗶嗶聲，用于確認掃描已完成。為了能夠被聽(tīng)到，手持或可穿戴設備必須發(fā)出響亮而清晰的聲音。但同時(shí)，音頻放大器的功耗不能對電池續航時(shí)間造成嚴重影響。換言之，OEM不能通過(guò)增加放大器和揚聲器的尺寸來(lái)提高揚聲器音量。 借助動(dòng)態(tài)揚聲器管理(DSM)，開(kāi)發(fā)人員能夠將微型揚聲器的輸出提高2.5倍，既不增加功耗，也不會(huì )對安全工作條件產(chǎn)生負面影響。通過(guò)使用帶有集成升壓轉換器的緊湊型、低功耗、高效D類(lèi)音頻放大器，這一目標不難實(shí)現。此類(lèi)架構利用感知功耗降低(PPR)的概念來(lái)延長(cháng)電池續航時(shí)間：通過(guò)利用DSM產(chǎn)生的揚聲器聲壓級(SPL)響應，再結合人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)閾值（參見(jiàn)圖3），可以動(dòng)態(tài)衰減最終用戶(hù)聽(tīng)不到的信號。與傳統靜態(tài)濾波器相比，衰減這些信號可節省10%至25%的功率（參見(jiàn)表1）。
圖3.PPR動(dòng)態(tài)衰減用戶(hù)聽(tīng)不到的信號。 表1.關(guān)于旗艦手機的最終用戶(hù)案例研究
以ADI MAX98390的集成10 V升壓轉換器為例，與傳統放大器相比，該器件可使SPL提升高達8 dB，且不超過(guò)揚聲器的熱限值（參見(jiàn)圖4）。
圖4.與配備傳統放大器的相同揚聲器相比，MAX98390等DSM放大器可使SPL提升高達8 dB。 此外，聲音更加洪亮，沒(méi)有傳統放大器常見(jiàn)的嗡嗡聲。由于動(dòng)態(tài)陷波濾波器僅衰減機械震動(dòng)與端口共振的相互作用，而不衰減聲音和嗡嗡聲效果，因此與傳統陷波濾波器相比，它可以產(chǎn)生更清晰、更洪亮的聲音（參見(jiàn)圖5）。
圖5.由于動(dòng)態(tài)陷波濾波器僅衰減機械震動(dòng)與端口共振的相互作用，而不衰減聲音和嗡嗡聲效果，因此與傳統陷波濾波器相比，它可以產(chǎn)生更清晰、更洪亮的聲音。 為了實(shí)現快速原型制作并加速應用開(kāi)發(fā)，ADI提供適用于微型揚聲器的MAX98390EVSYS評估套件，并隨附基準設計文件和完全基于GUI的自動(dòng)揚聲器參數提取工具，以便從揚聲器中提取關(guān)鍵參數（參見(jiàn)圖6）。
圖6.借助MAX98390EVSYS等微型揚聲器評估套件，設計可以快速輕松地提取開(kāi)始音頻設計所需的關(guān)鍵揚聲器參數。
圖7.簡(jiǎn)化的微型揚聲器放大器設計過(guò)程（例如通過(guò)ADI MAX98390EVSYS微型揚聲器評估套件實(shí)現設計簡(jiǎn)化）可加速音頻系統設計。 利用MAX98390等集成放大器，OEM可將DSM引入手持和可穿戴設備，從而提供更洪亮、更清晰的聲音，而不影響電池續航時(shí)間。舉個(gè)例子，對于DSM揚聲器，MAX98390具有超低的本底噪聲(9 μV)和功耗（3.7 V時(shí)為24 mW），同時(shí)提供高動(dòng)態(tài)范圍(117 dB)。此外，該器件采用緊湊型封裝，占用面積僅6.3 mm2。簡(jiǎn)而言之，OEM可通過(guò)DSM實(shí)現更洪亮、更清晰的聲音，提升操作人員的安全性，無(wú)需使用不同的微型揚聲器或更大的電池包。 自動(dòng)物體尺寸測量 預計到2027年，全球包裹發(fā)運量將達到2560億件1。這數十億件包裹在倉庫、貨車(chē)和快遞公司中轉運輸時(shí)，需要多次測量每件包裹的尺寸和重量。手動(dòng)測量（例如使用卷尺）容易出錯，更重要的是，會(huì )嚴重影響供應鏈吞吐率和貨物配送速度。 貨物的包裝尺寸可能比實(shí)際需要的更大，這會(huì )導致整個(gè)供應鏈效率低下。例如，就貨車(chē)容量的利用率而言，物體尺寸測量越準確，效率就會(huì )越高。此外，更大的包裝會(huì )造成不必要的包裝材料浪費。 雖然固定自動(dòng)測量系統可以提高效率，但部署成本高，且只能在特定位置使用。作為固定自動(dòng)測量系統的替代方案，便攜式手持掃描儀利用機器視覺(jué)和自動(dòng)物體尺寸測量來(lái)提高效率、減少浪費及對環(huán)境的影響，并降低整個(gè)供應鏈的運營(yíng)成本。 這些便攜式系統可以測量任何尺寸的物體，精度達到毫米級。得益于這樣的精度，包裹只需使用少而精的包裝即可在供應鏈中進(jìn)行運輸。此外，通過(guò)自主機器人，包裹可以裝入廂式貨車(chē)，更安全地在物流中心之間運輸，而這些車(chē)輛現在可以實(shí)現滿(mǎn)載運輸。有了此類(lèi)掃描儀，物流中心、倉庫或現場(chǎng)便不再需要其他工具或測量設備來(lái)測量物體。因此，與固定自動(dòng)測量系統相比，測量過(guò)程得以簡(jiǎn)化，同時(shí)提高準確性和效率，減少浪費，并降低整個(gè)供應鏈的運營(yíng)成本。 自動(dòng)物體尺寸測量利用飛行時(shí)間(ToF)技術(shù)來(lái)準確測量物體。ToF基于受控光源和光電探測器。該傳感器通過(guò)發(fā)射調制光，然后測量光束反射到光電探測器所需的時(shí)間內發(fā)生的相移，達到測量距離的目的。
圖8.利用正弦波相移計算ToF的基本原理。
圖9.箱子尺寸測量應用的示例（上圖使用下圖中的ADTF3175 ToF模塊）。 ToF涉及復雜的計算，每個(gè)調制頻率使用三個(gè)相關(guān)系數（相移120°）對求解。此外，還使用多個(gè)調制頻率來(lái)擴大明確的范圍（參見(jiàn)圖8）。通過(guò)使用按像素相位偏移校正和溫度漂移校正以及空間濾波來(lái)減少噪聲，可達到超高精度水平。獲得出色的分辨率和幀速率后，便可以準確檢測和測量任意形狀的邊和面。 圖9所示為可在手持掃描儀中實(shí)現實(shí)時(shí)物體尺寸測量的ToF模塊示例。該模塊基于A(yíng)DI提供的ADTF3175 1 MP ToF模塊和圖像信號處理器ADSD3500。要實(shí)現物體識別和物體辨識/尺寸測量，機器視覺(jué)算法需要高分辨率。ADTF3175 ToF傳感器為3D傳感器提供1 MP的高分辨率（1024 × 1024原生分辨率）。此外，在全分辨率下，該傳感器支持高達40 fps的幀速率，在VGA (640 px × 480 px)分辨率下，支持高達90 fps的幀速率，以便在涉及快速移動(dòng)物體的應用中支持自動(dòng)物體尺寸測量。ADTF3175傳感器還采用紅外主動(dòng)照明，使掃描儀能夠在光線(xiàn)條件千差萬(wàn)別的倉庫和工業(yè)環(huán)境中保持穩定運行。
圖10.一款手持設備，具備使用ADI ToF傳感器進(jìn)行3D物體尺寸測量的功能。 圖10顯示了與ADSD3500等圖像信號處理器結合使用時(shí)，3D物體尺寸測量可以達到的細節和精度水平。ADSD3500采用專(zhuān)用深度計算引擎，可加速圖像處理數據路徑，在分辨率為800 × 600時(shí)支持全深度處理，在分辨率高達1280 × 1024時(shí)支持相位展開(kāi)前處理。內部數據通信使用4個(gè)輸入MIPI CSI-2通道或2個(gè)輸出MIPI CSI-2通道，每個(gè)通道均高達2.5 Gbps，以實(shí)現ToF數據的快速幀速率測量。 基于ToF傳感器和圖像處理的ToF系統（如ADTF3175和ADSD3500）大大簡(jiǎn)化了ToF系統的設計過(guò)程。來(lái)自ToF傳感器的原始數據幀直接饋入圖像處理器以執行ToF計算。得到的深度數據可傳遞至外部低端微控制器。實(shí)際上，高視頻處理任務(wù)會(huì )從微控制器分流，并且不需要額外的DRAM存儲器。 除了簡(jiǎn)化系統設計，與傳統ToF方法相比，系統的總功耗也將顯著(zhù)降低。因此，ToF可在電池供電的手持掃描儀和移動(dòng)計算機中實(shí)現，而且不影響性能或能效。根據具體應用和OEM的特定應用要求，ADI為面向物流和零售終端應用的手持自動(dòng)掃描儀提供完整的創(chuàng )新技術(shù)組合，包括電源管理器件、電池電量計和集成組件，從而實(shí)現高g加速度計、微型揚聲器放大器、ToF傳感器和圖像處理器等先進(jìn)功能。
圖11.ADI為手持自動(dòng)數據采集設備提供的廣泛技術(shù)產(chǎn)品。 對更高效率和更低運營(yíng)成本的需求正在推動(dòng)物流和零售終端應用的自動(dòng)化發(fā)展。因此，自動(dòng)數據采集設備已經(jīng)遠不止是簡(jiǎn)單的條形碼掃描儀。要通過(guò)實(shí)時(shí)數據管理實(shí)現物流自動(dòng)化轉型，提高效率，這些手持設備將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。 通過(guò)引入先進(jìn)功能，比如高g沖擊檢測以確保設備可靠性、動(dòng)態(tài)揚聲器管理以提升用戶(hù)安全性，以及內置自動(dòng)物體尺寸測量以提高精度，這些掃描儀有助于實(shí)現更高的生產(chǎn)力。再結合智能電池管理，OEM可以設計并交付下一代掃描儀，提高整個(gè)物流供應鏈的效率并降低成本。 參考文獻 1 James Melton�！暗�2027年，全球包裹量預計將以8.5%的年復合增長(cháng)率增長(cháng)�！盌igital Commerce 360，2022年9月。 作者簡(jiǎn)介 Colm Slattery畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲得電子工程學(xué)士學(xué)位。他于1998年加入ADI公司，先后擔任過(guò)測試開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品與系統應用等多個(gè)職務(wù)。此外，Colm曾在中國外派工作三年，從事現場(chǎng)相關(guān)工作。Colm目前擔任工業(yè)事業(yè)部營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理，專(zhuān)注于新傳感器技術(shù)和新商業(yè)模式。 Alessandro Vinco是ADI公司智能基礎設施事業(yè)部的系統應用工程師。他曾在愛(ài)爾蘭和英國的初創(chuàng )公司和私營(yíng)公司工作，后于2018年加入ADI公司。他的專(zhuān)業(yè)背景涵蓋多個(gè)領(lǐng)域，包括智能樓宇和環(huán)境傳感器的多種無(wú)線(xiàn)系統和技術(shù)、電源管理、電氣通信等。 |
