【導(dǎo)讀】移動計(jì)算機(jī)和條形碼掃描儀等手持設(shè)備在使用過程中難免會多次跌落。每跌落一次，設(shè)備的一系列集成子系統(tǒng)就會變得更脆弱，更容易受到物理損壞和/或發(fā)生功能故障。在這種情況下，整個(gè)設(shè)備也更有可能遭受物理破壞或功能受損。
簡介
在“深度剖析手持設(shè)備中的電池管理對成本控制的影響”中，我們探討了手持設(shè)備中的電池管理，及其對物流和零售應(yīng)用成本控制的影響。在第2部分，我們將重點(diǎn)介紹如何通過引入高g沖擊檢測、動態(tài)揚(yáng)聲器管理和內(nèi)置自動物體尺寸測量等先進(jìn)功能，提升手持設(shè)備的整體自動化效率。
可靠性和保修：高g沖擊檢測
移動計(jì)算機(jī)和條形碼掃描儀等手持設(shè)備在使用過程中難免會多次跌落。每跌落一次，設(shè)備的一系列集成子系統(tǒng)就會變得更脆弱，更容易受到物理損壞和/或發(fā)生功能故障。在這種情況下，整個(gè)設(shè)備也更有可能遭受物理破壞或功能受損。
跌落的強(qiáng)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(shè)備可能經(jīng)歷數(shù)百g的加速度，這將大幅削弱設(shè)備的抗損能力。為了確保設(shè)備能夠長時(shí)間正常使用，必須避免超越產(chǎn)品規(guī)范的使用場景從原始設(shè)備制造商(OEM)的角度來說，特別是對于高價(jià)設(shè)備，電子設(shè)備因誤用或意外跌落導(dǎo)致的損壞可能會使保修失效。因此，要嚴(yán)格執(zhí)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(guān)重要，因?yàn)檫@些跌落場景往往會對加速度產(chǎn)生短暫影響（參見圖1）。
在將設(shè)備推出市場之前，制造商還會通過特定的測試環(huán)境和程序來檢查其設(shè)備的抗沖擊能力。例如，美國軍用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備在測試方法規(guī)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(cè)面跌落）。如果設(shè)備在測試期間關(guān)機(jī)、重啟或丟失數(shù)據(jù)，則被視為未通過跌落測試。溫度和接觸化學(xué)物質(zhì)等環(huán)境因素也會削弱設(shè)備在跌落后繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。
圖1.手持設(shè)備跌落測試的典型加速度水平。請注意，最大加速度出現(xiàn)在實(shí)際沖擊后。
使用ADXL37x系列高g加速度計(jì)等MEMS加速度計(jì)可以快速、高質(zhì)量地監(jiān)控設(shè)備在使用過程中經(jīng)歷的所有加速度。這些MEMS加速度計(jì)的尺寸為3 mm × 3 mm，可承受高達(dá)±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(jì)也能以低功率水平運(yùn)行，連續(xù)工作時(shí)消耗的電流不到45 μA，非常適合用于手持設(shè)備和電池供電設(shè)備。傳統(tǒng)加速度計(jì)不具備正確檢測和表征跌落的采樣速率。高g加速計(jì)的采樣速率比許多傳統(tǒng)加速度計(jì)高3倍，可以檢測超快速瞬變，準(zhǔn)確識別意外跌落，并指定跌落事件的類型，同時(shí)功耗比傳統(tǒng)加速度計(jì)低10倍。ADXL37x等高g加速度計(jì)也經(jīng)過廣泛測試，包括閘床測試和高加速壽命試驗(yàn)(HALT)，這些測試重現(xiàn)惡劣的環(huán)境和工作條件，手持設(shè)備必須能夠在這樣的條件下穩(wěn)健、可靠地運(yùn)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(yàn)(HALT)設(shè)備。
借助高g加速度計(jì)、高端條形碼掃描儀和移動計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在可以對倉庫進(jìn)行監(jiān)控，以了解是否有意外事故發(fā)生。這有助于保證最終用戶安全可靠地使用設(shè)備。此外，這些設(shè)備的制造商可以在發(fā)現(xiàn)誤用時(shí)取消產(chǎn)品保修，避免因非OEM責(zé)任導(dǎo)致?lián)p壞而產(chǎn)生的高額保內(nèi)維修費(fèi)用。
動態(tài)揚(yáng)聲器管理
工廠車間環(huán)境十分嘈雜。不斷移動的機(jī)器人、傳送帶和其他機(jī)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(fā)出聽得見的嗶嗶聲，用于確認(rèn)掃描已完成。為了能夠被聽到，手持或可穿戴設(shè)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(xù)航時(shí)間造成嚴(yán)重影響。換言之，OEM不能通過增加放大器和揚(yáng)聲器的尺寸來提高揚(yáng)聲器音量。
借助動態(tài)揚(yáng)聲器管理(DSM)，開發(fā)人員能夠?qū)⑽⑿蛽P(yáng)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(chǎn)生負(fù)面影響。通過使用帶有集成升壓轉(zhuǎn)換器的緊湊型、低功耗、高效D類音頻放大器，這一目標(biāo)不難實(shí)現(xiàn)。此類架構(gòu)利用感知功耗降低(PPR)的概念來延長電池續(xù)航時(shí)間：通過利用DSM產(chǎn)生的揚(yáng)聲器聲壓級(SPL)響應(yīng)，再結(jié)合人類聽覺閾值（參見圖3），可以動態(tài)衰減最終用戶聽不到的信號。與傳統(tǒng)靜態(tài)濾波器相比，衰減這些信號可節(jié)省10%至25%的功率（參見表1）。
圖3.PPR動態(tài)衰減用戶聽不到的信號。
表1.關(guān)于旗艦手機(jī)的最終用戶案例研究
以ADI MAX98390的集成10 V升壓轉(zhuǎn)換器為例，與傳統(tǒng)放大器相比，該器件可使SPL提升高達(dá)8 dB，且不超過揚(yáng)聲器的熱限值（參見圖4）。
圖4.與配備傳統(tǒng)放大器的相同揚(yáng)聲器相比，MAX98390等DSM放大器可使SPL提升高達(dá)8 dB。
此外，聲音更加洪亮，沒有傳統(tǒng)放大器常見的嗡嗡聲。由于動態(tài)陷波濾波器僅衰減機(jī)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(tǒng)陷波濾波器相比，它可以產(chǎn)生更清晰、更洪亮的聲音（參見圖5）。
圖5.由于動態(tài)陷波濾波器僅衰減機(jī)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(tǒng)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(xiàn)快速原型制作并加速應(yīng)用開發(fā)，ADI提供適用于微型揚(yáng)聲器的MAX98390EVSYS評估套件，并隨附基準(zhǔn)設(shè)計(jì)文件和完全基于GUI的自動揚(yáng)聲器參數(shù)提取工具，以便從揚(yáng)聲器中提取關(guān)鍵參數(shù)（參見圖6）。
圖6.借助MAX98390EVSYS等微型揚(yáng)聲器評估套件，設(shè)計(jì)可以快速輕松地提取開始音頻設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵揚(yáng)聲器參數(shù)。
圖7.簡化的微型揚(yáng)聲器放大器設(shè)計(jì)過程（例如通過ADI MAX98390EVSYS微型揚(yáng)聲器評估套件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)簡化）可加速音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
利用MAX98390等集成放大器，OEM可將DSM引入手持和可穿戴設(shè)備，從而提供更洪亮、更清晰的聲音，而不影響電池續(xù)航時(shí)間。舉個(gè)例子，對于DSM揚(yáng)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。簡而言之，OEM可通過DSM實(shí)現(xiàn)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(yáng)聲器或更大的電池包。
自動物體尺寸測量
預(yù)計(jì)到2027年，全球包裹發(fā)運(yùn)量將達(dá)到2560億件1。這數(shù)十億件包裹在倉庫、貨車和快遞公司中轉(zhuǎn)運(yùn)輸時(shí)，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(cuò)，更重要的是，會嚴(yán)重影響供應(yīng)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，這會導(dǎo)致整個(gè)供應(yīng)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(zhǔn)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(fèi)。
雖然固定自動測量系統(tǒng)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(tǒng)的替代方案，便攜式手持掃描儀利用機(jī)器視覺和自動物體尺寸測量來提高效率、減少浪費(fèi)及對環(huán)境的影響，并降低整個(gè)供應(yīng)鏈的運(yùn)營成本。
這些便攜式系統(tǒng)可以測量任何尺寸的物體，精度達(dá)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(yīng)鏈中進(jìn)行運(yùn)輸。此外，通過自主機(jī)器人，包裹可以裝入廂式貨車，更安全地在物流中心之間運(yùn)輸，而這些車輛現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)滿載運(yùn)輸。有了此類掃描儀，物流中心、倉庫或現(xiàn)場便不再需要其他工具或測量設(shè)備來測量物體。因此，與固定自動測量系統(tǒng)相比，測量過程得以簡化，同時(shí)提高準(zhǔn)確性和效率，減少浪費(fèi)，并降低整個(gè)供應(yīng)鏈的運(yùn)營成本。
自動物體尺寸測量利用飛行時(shí)間(ToF)技術(shù)來準(zhǔn)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(fā)射調(diào)制光，然后測量光束反射到光電探測器所需的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的相移，達(dá)到測量距離的目的。
圖8.利用正弦波相移計(jì)算ToF的基本原理。
圖9.箱子尺寸測量應(yīng)用的示例（上圖使用下圖中的ADTF3175 ToF模塊）。
ToF涉及復(fù)雜的計(jì)算，每個(gè)調(diào)制頻率使用三個(gè)相關(guān)系數(shù)（相移120°）對求解。此外，還使用多個(gè)調(diào)制頻率來擴(kuò)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(dá)到超高精度水平。獲得出色的分辨率和幀速率后，便可以準(zhǔn)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(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)物體識別和物體辨識/尺寸測量，機(jī)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(dá)40 fps的幀速率，在VGA (640 px × 480 px)分辨率下，支持高達(dá)90 fps的幀速率，以便在涉及快速移動物體的應(yīng)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(yè)環(huán)境中保持穩(wěn)定運(yùn)行。
圖10.一款手持設(shè)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(jié)合使用時(shí)，3D物體尺寸測量可以達(dá)到的細(xì)節(jié)和精度水平。ADSD3500采用專用深度計(jì)算引擎，可加速圖像處理數(shù)據(jù)路徑，在分辨率為800 × 600時(shí)支持全深度處理，在分辨率高達(dá)1280 × 1024時(shí)支持相位展開前處理。內(nèi)部數(shù)據(jù)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(dá)2.5 Gbps，以實(shí)現(xiàn)ToF數(shù)據(jù)的快速幀速率測量。
基于ToF傳感器和圖像處理的ToF系統(tǒng)（如ADTF3175和ADSD3500）大大簡化了ToF系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。來自ToF傳感器的原始數(shù)據(jù)幀直接饋入圖像處理器以執(zhí)行ToF計(jì)算。得到的深度數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)ToF方法相比，系統(tǒng)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(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，而且不影響性能或能效。根據(jù)具體應(yīng)用和OEM的特定應(yīng)用要求，ADI為面向物流和零售終端應(yīng)用的手持自動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(jì)和集成組件，從而實(shí)現(xiàn)高g加速度計(jì)、微型揚(yáng)聲器放大器、ToF傳感器和圖像處理器等先進(jìn)功能。
圖11.ADI為手持自動數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供的廣泛技術(shù)產(chǎn)品。
對更高效率和更低運(yùn)營成本的需求正在推動物流和零售終端應(yīng)用的自動化發(fā)展。因此，自動數(shù)據(jù)采集設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)不止是簡單的條形碼掃描儀。要通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)物流自動化轉(zhuǎn)型，提高效率，這些手持設(shè)備將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
通過引入先進(jìn)功能，比如高g沖擊檢測以確保設(shè)備可靠性、動態(tài)揚(yáng)聲器管理以提升用戶安全性，以及內(nèi)置自動物體尺寸測量以提高精度，這些掃描儀有助于實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)力。再結(jié)合智能電池管理，OEM可以設(shè)計(jì)并交付下一代掃描儀，提高整個(gè)物流供應(yīng)鏈的效率并降低成本。
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