实现物流和零售自动化——第2部分

作者：Colm Slattery，战略营销经理
Alessandro Vinco，系统集成高级工程师

简介

在“实现物流和零售自动化——第1部分”中，我们探讨了手持设备中的电池管理，及其对物流和零售应用成本控制的影响。在第2部分，我们将重点介绍如何通过引入高g冲击检测、动态扬声器管理和内置自动物体尺寸测量等先进功能，提升手持设备的整体自动化效率。

可靠性和保修：高g冲击检测

移动计算机和条形码扫描仪等手持设备在使用过程中难免会多次跌落。每跌落一次，设备的一系列集成子系统就会变得更脆弱，更容易受到物理损坏和/或发生功能故障。在这种情况下，整个设备也更有可能遭受物理破坏或功能受损。

跌落的强度各异，可能轻微滑落，也可能从高处加速摔落，尤其是在工厂地面上，设备可能经历数百g的加速度，这将大幅削弱设备的抗损能力。为了确保设备能够长时间正常使用，必须避免超越产品规范的使用场景从原始设备制造商(OEM)的角度来说，特别是对于高价设备，电子设备因误用或意外跌落导致的损坏可能会使保修失效。因此，要严格执行此类保修政策，以高采样速率检测跌落物体的高加速度水平变得至关重要，因为这些跌落场景往往会对加速度产生短暂影响（参见图1）。

在将设备推出市场之前，制造商还会通过特定的测试环境和程序来检查其设备的抗冲击能力。例如，美国军用标准MIL-STD-810G 516.6等定义了一个流程，要求在五个单元上进行测试，每个设备在测试方法规定的温度下经历26次跌落（8次角跌落、12次边缘跌落和6次正面/侧面跌落）。如果设备在测试期间关机、重启或丢失数据，则被视为未通过跌落测试。温度和接触化学物质等环境因素也会削弱设备在跌落后继续正常运转的能力。


图1.手持设备跌落测试的典型加速度水平。请注意，最大加速度出现在实际冲击后。

使用ADXL37x系列高g加速度计等MEMS加速度计可以快速、高质量地监控设备在使用过程中经历的所有加速度。这些MEMS加速度计的尺寸为3 mm × 3 mm，可承受高达±400 g的加速度。即使在最高采样速率（超过5 kHz）下，这些加速度计也能以低功率水平运行，连续工作时消耗的电流不到45 μA，非常适合用于手持设备和电池供电设备。传统加速度计不具备正确检测和表征跌落的采样速率。高g加速计的采样速率比许多传统加速度计高3倍，可以检测超快速瞬变，准确识别意外跌落，并指定跌落事件的类型，同时功耗比传统加速度计低10倍。ADXL37x等高g加速度计也经过广泛测试，包括闸床测试和高加速寿命试验(HALT)，这些测试重现恶劣的环境和工作条件，手持设备必须能够在这样的条件下稳健、可靠地运行（参见图2）。


图2.用于MEMS冲击测试的闸床测试和高加速寿命试验(HALT)设备。

借助高g加速度计、高端条形码扫描仪和移动计算机，现在可以对仓库进行监控，以了解是否有意外事故发生。这有助于保证最终用户安全可靠地使用设备。此外，这些设备的制造商可以在发现误用时取消产品保修，避免因非OEM责任导致损坏而产生的高额保内维修费用。

动态扬声器管理

工厂车间环境十分嘈杂。不断移动的机器人、传送带和其他机械使得各类声音通信变得困难。例如，条形码扫描仪可能会发出听得见的哔哔声，用于确认扫描已完成。为了能够被听到，手持或可穿戴设备必须发出响亮而清晰的声音。但同时，音频放大器的功耗不能对电池续航时间造成严重影响。换言之，OEM不能通过增加放大器和扬声器的尺寸来提高扬声器音量。

借助动态扬声器管理(DSM)，开发人员能够将微型扬声器的输出提高2.5倍，既不增加功耗，也不会对安全工作条件产生负面影响。通过使用带有集成升压转换器的紧凑型、低功耗、高效D类音频放大器，这一目标不难实现。此类架构利用感知功耗降低(PPR)的概念来延长电池续航时间：通过利用DSM产生的扬声器声压级(SPL)响应，再结合人类听觉阈值（参见图3），可以动态衰减最终用户听不到的信号。与传统静态滤波器相比，衰减这些信号可节省10%至25%的功率（参见表1）。


图3.PPR动态衰减用户听不到的信号。

表1.关于旗舰手机的最终用户案例研究

以ADI MAX98390的集成10 V升压转换器为例，与传统放大器相比，该器件可使SPL提升高达8 dB，且不超过扬声器的热限值（参见图4）。


图4.与配备传统放大器的相同扬声器相比，MAX98390等DSM放大器可使SPL提升高达8 dB。

此外，声音更加洪亮，没有传统放大器常见的嗡嗡声。由于动态陷波滤波器仅衰减机械震动与端口共振的相互作用，而不衰减声音和嗡嗡声效果，因此与传统陷波滤波器相比，它可以产生更清晰、更洪亮的声音（参见图5）。


图5.由于动态陷波滤波器仅衰减机械震动与端口共振的相互作用，而不衰减声音和嗡嗡声效果，因此与传统陷波滤波器相比，它可以产生更清晰、更洪亮的声音。

为了实现快速原型制作并加速应用开发，ADI提供适用于微型扬声器的MAX98390EVSYS评估套件，并随附基准设计文件和完全基于GUI的自动扬声器参数提取工具，以便从扬声器中提取关键参数（参见图6）。


图6.借助MAX98390EVSYS等微型扬声器评估套件，设计可以快速轻松地提取开始音频设计所需的关键扬声器参数。

图7.简化的微型扬声器放大器设计过程（例如通过ADI MAX98390EVSYS微型扬声器评估套件实现设计简化）可加速音频系统设计。

利用MAX98390等集成放大器，OEM可将DSM引入手持和可穿戴设备，从而提供更洪亮、更清晰的声音，而不影响电池续航时间。举个例子，对于DSM扬声器，MAX98390具有超低的本底噪声(9 μV)和功耗（3.7 V时为24 mW），同时提供高动态范围(117 dB)。此外，该器件采用紧凑型封装，占用面积仅6.3 mm²。简而言之，OEM可通过DSM实现更洪亮、更清晰的声音，提升操作人员的安全性，无需使用不同的微型扬声器或更大的电池包。

自动物体尺寸测量

预计到2027年，全球包裹发运量将达到2560亿件¹。这数十亿件包裹在仓库、货车和快递公司中转运输时，需要多次测量每件包裹的尺寸和重量。手动测量（例如使用卷尺）容易出错，更重要的是，会严重影响供应链吞吐率和货物配送速度。

货物的包装尺寸可能比实际需要的更大，这会导致整个供应链效率低下。例如，就货车容量的利用率而言，物体尺寸测量越准确，效率就会越高。此外，更大的包装会造成不必要的包装材料浪费。

虽然固定自动测量系统可以提高效率，但部署成本高，且只能在特定位置使用。作为固定自动测量系统的替代方案，便携式手持扫描仪利用机器视觉和自动物体尺寸测量来提高效率、减少浪费及对环境的影响，并降低整个供应链的运营成本。

这些便携式系统可以测量任何尺寸的物体，精度达到毫米级。得益于这样的精度，包裹只需使用少而精的包装即可在供应链中进行运输。此外，通过自主机器人，包裹可以装入厢式货车，更安全地在物流中心之间运输，而这些车辆现在可以实现满载运输。有了此类扫描仪，物流中心、仓库或现场便不再需要其他工具或测量设备来测量物体。因此，与固定自动测量系统相比，测量过程得以简化，同时提高准确性和效率，减少浪费，并降低整个供应链的运营成本。

自动物体尺寸测量利用飞行时间(ToF)技术来准确测量物体。ToF基于受控光源和光电探测器。该传感器通过发射调制光，然后测量光束反射到光电探测器所需的时间内发生的相移，达到测量距离的目的。


图8.利用正弦波相移计算ToF的基本原理。

图9.箱子尺寸测量应用的示例（上图使用下图中的ADTF3175 ToF模块）。

ToF涉及复杂的计算，每个调制频率使用三个相关系数（相移120°）对求解。此外，还使用多个调制频率来扩大明确的范围（参见图8）。通过使用按像素相位偏移校正和温度漂移校正以及空间滤波来减少噪声，可达到超高精度水平。获得出色的分辨率和帧速率后，便可以准确检测和测量任意形状的边和面。

图9所示为可在手持扫描仪中实现实时物体尺寸测量的ToF模块示例。该模块基于ADI提供的ADTF3175 1 MP ToF模块和图像信号处理器ADSD3500。要实现物体识别和物体辨识/尺寸测量，机器视觉算法需要高分辨率。ADTF3175 ToF传感器为3D传感器提供1 MP的高分辨率（1024 × 1024原生分辨率）。此外，在全分辨率下，该传感器支持高达40 fps的帧速率，在VGA (640 px × 480 px)分辨率下，支持高达90 fps的帧速率，以便在涉及快速移动物体的应用中支持自动物体尺寸测量。ADTF3175传感器还采用红外主动照明，使扫描仪能够在光线条件千差万别的仓库和工业环境中保持稳定运行。


图10.一款手持设备，具备使用ADI ToF传感器进行3D物体尺寸测量的功能。

图10显示了与ADSD3500等图像信号处理器结合使用时，3D物体尺寸测量可以达到的细节和精度水平。ADSD3500采用专用深度计算引擎，可加速图像处理数据路径，在分辨率为800 × 600时支持全深度处理，在分辨率高达1280 × 1024时支持相位展开前处理。内部数据通信使用4个输入MIPI CSI-2通道或2个输出MIPI CSI-2通道，每个通道均高达2.5 Gbps，以实现ToF数据的快速帧速率测量。

基于ToF传感器和图像处理的ToF系统（如ADTF3175和ADSD3500）大大简化了ToF系统的设计过程。来自ToF传感器的原始数据帧直接馈入图像处理器以执行ToF计算。得到的深度数据可传递至外部低端微控制器。实际上，高视频处理任务会从微控制器分流，并且不需要额外的DRAM存储器。

除了简化系统设计，与传统ToF方法相比，系统的总功耗也将显著降低。因此，ToF可在电池供电的手持扫描仪和移动计算机中实现，而且不影响性能或能效。根据具体应用和OEM的特定应用要求，ADI为面向物流和零售终端应用的手持自动扫描仪提供完整的创新技术组合，包括电源管理器件、电池电量计和集成组件，从而实现高g加速度计、微型扬声器放大器、ToF传感器和图像处理器等先进功能。


图11.ADI为手持自动数据采集设备提供的广泛技术产品。

对更高效率和更低运营成本的需求正在推动物流和零售终端应用的自动化发展。因此，自动数据采集设备已经远不止是简单的条形码扫描仪。要通过实时数据管理实现物流自动化转型，提高效率，这些手持设备将发挥至关重要的作用。

通过引入先进功能，比如高g冲击检测以确保设备可靠性、动态扬声器管理以提升用户安全性，以及内置自动物体尺寸测量以提高精度，这些扫描仪有助于实现更高的生产力。再结合智能电池管理，OEM可以设计并交付下一代扫描仪，提高整个物流供应链的效率并降低成本。

参考文献

1 James Melton。“到2027年，全球包裹量预计将以8.5%的年复合增长率增长。”Digital Commerce 360，2022年9月。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2024财年收入超过90亿美元，全球员工约2.4万人。ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

作者简介

Colm Slattery毕业于利默里克大学，获得电子工程学士学位。他于1998年加入ADI公司，先后担任过测试开发、产品与系统应用等多个职务。此外，Colm曾在中国外派工作三年，从事现场相关工作。Colm目前担任工业事业部营销经理，专注于新传感器技术和新商业模式。

Alessandro Vinco是ADI公司智能基础设施事业部的系统应用工程师。他曾在爱尔兰和英国的初创公司和私营公司工作，后于2018年加入ADI公司。他的专业背景涵盖多个领域，包括智能楼宇和环境传感器的多种无线系统和技术、电源管理、电气通信等。