|
作者：Colm Slattery，戰略營銷經理 Alessandro Vinco，系統集成高級工程師 ADI公司 簡介 在“實現物流和零售自動化——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，我們將重點介紹如何通過引入高g沖擊檢測、動態揚聲器管理和內置自動物體尺寸測量等先進功能，提升手持設備的整體自動化效率。 可靠性和保修：高g沖擊檢測 移動計算機和條形碼掃描儀等手持設備在使用過程中難免會多次跌落。每跌落一次，設備的一系列集成子系統就會變得更脆弱，更容易受到物理損壞和/或發生功能故障。在這種情況下，整個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，尤其是在工廠地面上，設備可能經歷數百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時間正常使用，必須避免超越產品規范的使用場景從原始設備制造商(OEM)的角度來說，特別是對于高價設備，電子設備因誤用或意外跌落導致的損壞可能會使保修失效。因此，要嚴格執行此類保修政策，以高采樣速率檢測跌落物體的高加速度水平變得至關重要，因為這些跌落場景往往會對加速度產生短暫影響（參見圖1）。 在將設備推出市場之前，制造商還會通過特定的測試環境和程序來檢查其設備的抗沖擊能力。例如，美國軍用標準MIL-STD-810G 516.6等定義了一個流程，要求在五個單元上進行測試，每個設備在測試方法規定的溫度下經歷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機、重啟或丟失數據，則被視為未通過跌落測試。溫度和接觸化學物質等環境因素也會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、高質量地監控設備在使用過程中經歷的所有加速度。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5 kHz）下，這些加速度計也能以低功率水平運行，連續工作時消耗的電流不到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型，同時功耗比傳統加速度計低10倍。ADXL37x等高g加速度計也經過廣泛測試，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計算機，現在可以對倉庫進行監控，以了解是否有意外事故發生。這有助于保證最終用戶安全可靠地使用設備。此外，這些設備的制造商可以在發現誤用時取消產品保修，避免因非OEM責任導致損壞而產生的高額保內維修費用。 動態揚聲器管理 工廠車間環境十分嘈雜。不斷移動的機器人、傳送帶和其他機械使得各類聲音通信變得困難。例如，條形碼掃描儀可能會發出聽得見的嗶嗶聲，用于確認掃描已完成。為了能夠被聽到，手持或可穿戴設備必須發出響亮而清晰的聲音。但同時，音頻放大器的功耗不能對電池續航時間造成嚴重影響。換言之，OEM不能通過增加放大器和揚聲器的尺寸來提高揚聲器音量。 借助動態揚聲器管理(DSM)，開發人員能夠將微型揚聲器的輸出提高2.5倍，既不增加功耗，也不會對安全工作條件產生負面影響。通過使用帶有集成升壓轉換器的緊湊型、低功耗、高效D類音頻放大器，這一目標不難實現。此類架構利用感知功耗降低(PPR)的概念來延長電池續航時間：通過利用DSM產生的揚聲器聲壓級(SPL)響應，再結合人類聽覺閾值（參見圖3），可以動態衰減最終用戶聽不到的信號。與傳統靜態濾波器相比，衰減這些信號可節省10%至25%的功率（參見表1）。
圖3.PPR動態衰減用戶聽不到的信號。 表1.關于旗艦手機的最終用戶案例研究
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，且不超過揚聲器的熱限值（參見圖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，沒有傳統放大器常見的嗡嗡聲。由于動態陷波濾波器僅衰減機械震動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，它可以產生更清晰、更洪亮的聲音（參見圖5）。
圖5.由于動態陷波濾波器僅衰減機械震動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，它可以產生更清晰、更洪亮的聲音。 為了實現快速原型制作并加速應用開發，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的自動揚聲器參數提取工具，以便從揚聲器中提取關鍵參數（參見圖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始音頻設計所需的關鍵揚聲器參數。
圖7.簡化的微型揚聲器放大器設計過程（例如通過ADI MAX98390EVSYS微型揚聲器評估套件實現設計簡化）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間。舉個例子，對于DSM揚聲器，MAX98390具有超低的本底噪聲(9 μV)和功耗（3.7 V時為24 mW），同時提供高動態范圍(117 dB)。此外，該器件采用緊湊型封裝，占用面積僅6.3 mm2。簡而言之，OEM可通過DSM實現更洪亮、更清晰的聲音，提升操作人員的安全性，無需使用不同的微型揚聲器或更大的電池包。 自動物體尺寸測量 預計到2027年，全球包裹發運量將達到2560億件1。這數十億件包裹在倉庫、貨車和快遞公司中轉運輸時，需要多次測量每件包裹的尺寸和重量。手動測量（例如使用卷尺）容易出錯，更重要的是，會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際需要的更大，這會導致整個供應鏈效率低下。例如，就貨車容量的利用率而言，物體尺寸測量越準確，效率就會越高。此外，更大的包裝會造成不必要的包裝材料浪費。 雖然固定自動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。作為固定自動測量系統的替代方案，便攜式手持掃描儀利用機器視覺和自動物體尺寸測量來提高效率、減少浪費及對環境的影響，并降低整個供應鏈的運營成本。 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行運輸。此外，通過自主機器人，包裹可以裝入廂式貨車，更安全地在物流中心之間運輸，而這些車輛現在可以實現滿載運輸。有了此類掃描儀，物流中心、倉庫或現場便不再需要其他工具或測量設備來測量物體。因此，與固定自動測量系統相比，測量過程得以簡化，同時提高準確性和效率，減少浪費，并降低整個供應鏈的運營成本。 自動物體尺寸測量利用飛行時間(ToF)技術來準確測量物體。ToF基于受控光源和光電探測器。該傳感器通過發射調制光，然后測量光束反射到光電探測器所需的時間內發生的相移，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，每個調制頻率使用三個相關系數（相移120°）對求解。此外，還使用多個調制頻率來擴大明確的范圍（參見圖8）。通過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現實時物體尺寸測量的ToF模塊示例。該模塊基于ADI提供的ADTF3175 1 MP ToF模塊和圖像信號處理器ADSD3500。要實現物體識別和物體辨識/尺寸測量，機器視覺算法需要高分辨率。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物體的應用中支持自動物體尺寸測量。ADTF3175傳感器還采用紅外主動照明，使掃描儀能夠在光線條件千差萬別的倉庫和工業環境中保持穩定運行。
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，3D物體尺寸測量可以達到的細節和精度水平。ADSD3500采用專用深度計算引擎，可加速圖像處理數據路徑，在分辨率為800 × 600時支持全深度處理，在分辨率高達1280 × 1024時支持相位展開前處理。內部數據通信使用4個輸入MIPI CSI-2通道或2個輸出MIPI CSI-2通道，每個通道均高達2.5 Gbps，以實現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）大大簡化了ToF系統的設計過程。來自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。實際上，高視頻處理任務會從微控制器分流，并且不需要額外的DRAM存儲器。 除了簡化系統設計，與傳統ToF方法相比，系統的總功耗也將顯著降低。因此，ToF可在電池供電的手持掃描儀和移動計算機中實現，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掃描儀提供完整的創新技術組合，包括電源管理器件、電池電量計和集成組件，從而實現高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功能。
圖11.ADI為手持自動數據采集設備提供的廣泛技術產品。 對更高效率和更低運營成本的需求正在推動物流和零售終端應用的自動化發展。因此，自動數據采集設備已經遠不止是簡單的條形碼掃描儀。要通過實時數據管理實現物流自動化轉型，提高效率，這些手持設備將發揮至關重要的作用。 通過引入先進功能，比如高g沖擊檢測以確保設備可靠性、動態揚聲器管理以提升用戶安全性，以及內置自動物體尺寸測量以提高精度，這些掃描儀有助于實現更高的生產力。再結合智能電池管理，OEM可以設計并交付下一代掃描儀，提高整個物流供應鏈的效率并降低成本。 參考文獻 1 James Melton。“到2027年，全球包裹量預計將以8.5%的年復合增長率增長。”Digital Commerce 360，2022年9月。 作者簡介 Colm Slattery畢業于利默里克大學，獲得電子工程學士學位。他于1998年加入ADI公司，先后擔任過測試開發、產品與系統應用等多個職務。此外，Colm曾在中國外派工作三年，從事現場相關工作。Colm目前擔任工業事業部營銷經理，專注于新傳感器技術和新商業模式。 Alessandro Vinco是ADI公司智能基礎設施事業部的系統應用工程師。他曾在愛爾蘭和英國的初創公司和私營公司工作，后于2018年加入ADI公司。他的專業背景涵蓋多個領域，包括智能樓宇和環境傳感器的多種無線系統和技術、電源管理、電氣通信等。 |
