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[導(dǎo)讀]過(guò)去幾年,許多半導(dǎo)體公司逐漸聚焦于醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)。醫(yī)療領(lǐng)域的新興應(yīng)用趨勢(shì)對(duì)技術(shù)的要求日漸升高,設(shè)計(jì)人員開(kāi)始面向各種需求開(kāi)發(fā)極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。例如:家用醫(yī)療設(shè)備需求的增長(zhǎng)非常快速。這符合兩個(gè)趨勢(shì):公眾對(duì)

過(guò)去幾年,許多半導(dǎo)體公司逐漸聚焦于醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)。醫(yī)療領(lǐng)域的新興應(yīng)用趨勢(shì)對(duì)技術(shù)的要求日漸升高,設(shè)計(jì)人員開(kāi)始面向各種需求開(kāi)發(fā)極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。例如:家用醫(yī)療設(shè)備需求的增長(zhǎng)非??焖?。這符合兩個(gè)趨勢(shì):公眾對(duì)自我管理醫(yī)療護(hù)理優(yōu)勢(shì)的意識(shí)越來(lái)越普遍,以及門(mén)診治療相對(duì)于住院治療的成本更低。這些趨勢(shì)正持續(xù)推動(dòng)醫(yī)療保健公司開(kāi)發(fā)攜帶更方便、成本更低廉且使用更簡(jiǎn)單的產(chǎn)品的發(fā)展。

目前,在門(mén)診治療市場(chǎng)已經(jīng)有許多不同的診斷和治療設(shè)備,例如透析設(shè)備、便攜式胰島素泵、胰島素吸入器和糖尿病管理系統(tǒng)等。這些自助式醫(yī)療設(shè)備的出現(xiàn)也促使設(shè)備制造商推出創(chuàng)新型的產(chǎn)品。

因此,產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員無(wú)不大力尋找可以支持創(chuàng)新思考及未來(lái)醫(yī)療產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)并能符合產(chǎn)品快速上市開(kāi)發(fā)策略的新型元器件產(chǎn)品。尤其是微型反射式編碼器技術(shù)更是成為了便攜式醫(yī)療設(shè)備制造商突破現(xiàn)有精度、功耗、尺寸和成本限制的有效助力。這些增強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制反饋器件可以超越磁感應(yīng)技術(shù)等現(xiàn)有的編碼器技術(shù),帶來(lái)更低的成本和更小的功耗。

本文將比較反射式編碼器技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù),并提供幾個(gè)反射式編碼器特別適用的終端應(yīng)用案例。本文也將說(shuō)明為什么設(shè)計(jì)人員會(huì)開(kāi)始采用反射式光學(xué)編碼器來(lái)解決可能會(huì)造成安全性問(wèn)題的電磁干擾(EMI)和精度問(wèn)題。反射式編碼器擁有小型化、相對(duì)成本較低和容易導(dǎo)入設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn),為各種廣泛的醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用提供了成功解決方案。

尋找合適的運(yùn)動(dòng)反饋解決方案

隨著必須為客戶(hù)提供較競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更具獨(dú)特價(jià)值的產(chǎn)品,便攜式醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)變得日益激烈。設(shè)計(jì)過(guò)程通常從基于市場(chǎng)需求和情況明確產(chǎn)品需求清單開(kāi)始。在大多數(shù)情況下,在決定最佳元件以便在合理成本下滿(mǎn)足所有設(shè)計(jì)要求時(shí)必須做出權(quán)衡。在選擇便宜實(shí)惠、滿(mǎn)足成本目標(biāo)的同時(shí)符合大部分重要優(yōu)先級(jí)的元器件時(shí),將設(shè)計(jì)需求按照優(yōu)先級(jí)排列將是關(guān)鍵。

大多數(shù)典型的便攜式醫(yī)療設(shè)備的選擇標(biāo)準(zhǔn)通常和以下優(yōu)先級(jí)有關(guān):

重量和尺寸:將醫(yī)療設(shè)備歸類(lèi)為便攜式設(shè)備意味著設(shè)備能夠方便地隨處攜帶。由于設(shè)計(jì)人員對(duì)元器件的空間和重量做出了限制,重量和尺寸規(guī)格對(duì)于便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。需要精確機(jī)械定位的便攜式醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì),可能需要編碼器或者機(jī)電運(yùn)動(dòng)反饋器件把機(jī)械動(dòng)作轉(zhuǎn)換成為電氣輸出,以進(jìn)行精確的位置跟蹤。最常使用的方式是在選用的電機(jī)后方加上旋轉(zhuǎn)編碼器,并使電機(jī)驅(qū)動(dòng)一系列的機(jī)械系統(tǒng)。另一做法是采用線(xiàn)性編碼器搭配碼尺或者具有一系列黑白軌跡的帶狀物,并把它們安裝在系統(tǒng)的移動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤。然而,這些做法并不一定有效,除非工程師找到符合尺寸、重量、分辨率和成本目標(biāo)要求的編碼器產(chǎn)品。

一種特別適合便攜式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用的反射式編碼器是安華高(Avago)公司的AEDR-8500。其長(zhǎng)度和寬度分別在4cm和3.4cm以下,并且封裝重量幾乎可以忽略不計(jì)。該編碼器除了可以滿(mǎn)足重量和尺寸的苛刻要求外,比起其它的磁性技術(shù),還能以相對(duì)較低的成本帶來(lái)穩(wěn)健的性能。

分辨率、頻率和精度:另一組為設(shè)計(jì)選用合適運(yùn)動(dòng)反饋傳感器的重要標(biāo)準(zhǔn)是,該器件是否可以提供良好的分辨率、頻率和精度。分辨率是決定旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)一周所需總步數(shù)的重要參數(shù)。分辨率在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中通常以每轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)值(CPR)來(lái)表示,在線(xiàn)性應(yīng)用中則以每英寸的線(xiàn)條數(shù)(LPI)來(lái)表示。較高的CPR不一定代表較好的設(shè)計(jì)精度——它針對(duì)應(yīng)用僅僅提供了每轉(zhuǎn)動(dòng)一周有較多計(jì)數(shù)值的信息,而并未包含任何有關(guān)潛在周期誤差的詳細(xì)信息。

旋轉(zhuǎn)編碼器的最終輸出分辨率由編碼器模塊的計(jì)數(shù)密度和匹配媒介或碼盤(pán)的尺寸決定。以CPR為單位的編碼器輸出分辨率、以光學(xué)半徑或Rop表示的碼盤(pán)大小和以LPI為單位的編碼器計(jì)數(shù)密度三者間的關(guān)系如下:

LPI=CPR/2*π*Rop(計(jì)算過(guò)程中所有單位必須保持一致)

直徑為6mm封裝的光學(xué)編碼器可以提供最少50CPR或更高的求積前的分辨率。該分辨率可以通過(guò)外部電子電路進(jìn)一步提升4倍得到求積后的輸出。

圖1:安裝于電機(jī)后方的反射式編碼器。

編碼器的頻率定額決定了不會(huì)遺漏編碼器計(jì)數(shù)值的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。典型的微型直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為20,000RPM或在空載條件下以較低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行,其典型應(yīng)用運(yùn)行在約6,000~10,000RPM范圍內(nèi)。在額定電機(jī)轉(zhuǎn)速下,典型的50CPR編碼器將需要具有至少16.7kHz或更高的頻率定額。

帶有插補(bǔ)器的典型磁性編碼器系統(tǒng)的最佳周期誤差會(huì)比可比光學(xué)系統(tǒng)高出大約3~4倍。選擇符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的合適編碼器技術(shù)非常重要。如果需要更高精度的輸出(例如低于±20機(jī)械角度的誤差或者更低),那么光學(xué)編碼器技術(shù)可以說(shuō)是市場(chǎng)上最好的選擇。

成本:由于醫(yī)療設(shè)備制造商聚焦于可自主操作便攜式設(shè)備市場(chǎng)的主要原因是為了節(jié)省醫(yī)療費(fèi)用,因此設(shè)計(jì)人員就經(jīng)常得面對(duì)以較低成本找到合適元器件的挑戰(zhàn)。最好的情況是找到一個(gè)價(jià)格符合消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)水平的匹配產(chǎn)品,而不是面向醫(yī)療或工業(yè)市場(chǎng)的高成本元器件。

由于精密運(yùn)動(dòng)器件的高成本和缺乏選擇,運(yùn)動(dòng)控制解決方案通常占了設(shè)計(jì)預(yù)算非常高的份額。另外,由于缺乏針對(duì)預(yù)期應(yīng)用安裝編碼器的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和工具,編碼器的機(jī)械安裝也是一個(gè)問(wèn)題。最常見(jiàn)的做法是使用電機(jī)制造商提供的編碼器解決方案,不過(guò)這種做法通常會(huì)使選擇局限在市場(chǎng)上的磁性編碼器技術(shù)。在為應(yīng)用找到合適產(chǎn)品并確保達(dá)到較低成本和較高精度方面,反射式編碼器技術(shù)為工程師提供了更多的選擇。

功耗和電磁干擾(EMI):工程師在設(shè)計(jì)電池供電的便攜式醫(yī)療設(shè)備時(shí),通常會(huì)盡可能地把所有元器件的功耗控制在最低。采用功耗較低的元器件可以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間,為其他元器件的選擇帶來(lái)更高的靈活度。前文提到的安華高AEDR-8500反射式編碼器以5V電源工作時(shí)功耗低于75mW,與其他競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)相比毫不遜色甚至更低。

另一個(gè)選擇合適運(yùn)動(dòng)反饋解決方案的考慮因素是電磁干擾(EMI)抗擾度。由于近年來(lái)越來(lái)越多的設(shè)備使用敏感的電子器件,同時(shí)與EMI相關(guān)的設(shè)備故障也時(shí)有所聞,EMI問(wèn)題已變得愈加重要。EMI問(wèn)題可能來(lái)自于手機(jī)、WiFi和射頻發(fā)射器等無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的大量使用。另外,大多數(shù)電機(jī)制造商在設(shè)計(jì)編碼器解決方案時(shí)基于定制分立磁性技術(shù),而忽略了可能造成EMI的相關(guān)問(wèn)題。光學(xué)編碼器技術(shù)在對(duì)抗EMI的問(wèn)題上提供了磁性技術(shù)良好的替代方案,原因是它可以通過(guò)相近的價(jià)格提供更好的EMI抗擾度。

產(chǎn)品應(yīng)用

在便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)中采用反射式編碼器解決方案時(shí),工程師有幾種方法可以選擇。最常見(jiàn)的做法是在電機(jī)背后安裝使用基于光學(xué)的反射式編碼器解決方案(如圖2)。該編碼器可以提供基于電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)的反饋信息。

圖2:裝有編碼器的微型電機(jī)。

圖3是一個(gè)采用旋轉(zhuǎn)編碼器的典型的齒輪電機(jī)應(yīng)用。電機(jī)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)導(dǎo)螺桿,并以預(yù)先計(jì)劃的速率推動(dòng)活塞頭。運(yùn)動(dòng)控制編碼器捕獲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息,并把相應(yīng)的輸出信號(hào)傳送到控制器形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

圖3:容積式分配器。

另外,也可以在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝反射式編碼器模塊或碼尺來(lái)追蹤運(yùn)動(dòng)動(dòng)作(如圖4所示)。使用反射式編碼器的常見(jiàn)醫(yī)療應(yīng)用包括給藥、注射器運(yùn)動(dòng)控制和內(nèi)窺鏡系統(tǒng)等。

圖4:線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)跟蹤。

本文小結(jié)

為便攜式醫(yī)療設(shè)計(jì)尋找合適且低成本的運(yùn)動(dòng)編碼器解決方案是產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員面臨的一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。正確設(shè)定整體系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)和相對(duì)的元器件要求則是項(xiàng)目成功和產(chǎn)品快速上市的關(guān)鍵所在。對(duì)于許多醫(yī)療應(yīng)用而言,反射式編碼器具有以相對(duì)低廉的價(jià)格提供較高性能的優(yōu)勢(shì)。

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