微型反射式編碼器技術(shù)助力醫(yī)療電子設(shè)備設(shè)計

過去幾年，許多半導(dǎo)體公司逐漸聚焦于醫(yī)療設(shè)備市場。醫(yī)療領(lǐng)域的新興應(yīng)用趨勢對技術(shù)的要求日漸升高，設(shè)計人員開始面向各種需求開發(fā)極具競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品。例如：家用醫(yī)療設(shè)備需求的增長非?？焖佟＿@符合兩個趨勢：公眾對自我管理醫(yī)療護理優(yōu)勢的意識越來越普遍，以及門診治療相對于住院治療的成本更低。這些趨勢正持續(xù)推動醫(yī)療保健公司開發(fā)攜帶更方便、成本更低廉且使用更簡單的產(chǎn)品的發(fā)展。

目前，在門診治療市場已經(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)計人員無不大力尋找可以支持創(chuàng)新思考及未來醫(yī)療產(chǎn)品發(fā)展趨勢并能符合產(chǎn)品快速上市開發(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。這些增強的運動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)，并提供幾個反射式編碼器特別適用的終端應(yīng)用案例。本文也將說明為什么設(shè)計人員會開始采用反射式光學(xué)編碼器來解決可能會造成安全性問題的電磁干擾（EMI）和精度問題。反射式編碼器擁有小型化、相對成本較低和容易導(dǎo)入設(shè)計等優(yōu)點，為各種廣泛的醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用提供了成功解決方案。

尋找合適的運動反饋解決方案

隨著必須為客戶提供較競爭對手更具獨特價值的產(chǎn)品，便攜式醫(yī)療設(shè)備市場的競爭變得日益激烈。設(shè)計過程通常從基于市場需求和情況明確產(chǎn)品需求清單開始。在大多數(shù)情況下，在決定最佳元件以便在合理成本下滿足所有設(shè)計要求時必須做出權(quán)衡。在選擇便宜實惠、滿足成本目標(biāo)的同時符合大部分重要優(yōu)先級的元器件時，將設(shè)計需求按照優(yōu)先級排列將是關(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)先級有關(guān)：

重量和尺寸：將醫(yī)療設(shè)備歸類為便攜式設(shè)備意味著設(shè)備能夠方便地隨處攜帶。由于設(shè)計人員對元器件的空間和重量做出了限制，重量和尺寸規(guī)格對于便攜式產(chǎn)品設(shè)計非常關(guān)鍵。需要精確機械定位的便攜式醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計，可能需要編碼器或者機電運動反饋器件把機械動作轉(zhuǎn)換成為電氣輸出，以進行精確的位置跟蹤。最常使用的方式是在選用的電機后方加上旋轉(zhuǎn)編碼器，并使電機驅(qū)動一系列的機械系統(tǒng)。另一做法是采用線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)的移動部件進行運動跟蹤。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。該編碼器除了可以滿足重量和尺寸的苛刻要求外，比起其它的磁性技術(shù)，還能以相對較低的成本帶來穩(wěn)健的性能。

分辨率、頻率和精度：另一組為設(shè)計選用合適運動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)的計數(shù)值（CPR）來表示，在線性應(yīng)用中則以每英寸的線條數(shù)（LPI）來表示。較高的CPR不一定代表較好的設(shè)計精度——它針對應(yīng)用僅僅提供了每轉(zhuǎn)動一周有較多計數(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數(shù)密度和匹配媒介或碼盤的尺寸決定。以CPR為單位的編碼器輸出分辨率、以光學(xué)半徑或Rop表示的碼盤大小和以LPI為單位的編碼器計數(shù)密度三者間的關(guān)系如下：

LPI=CPR/2*π*Rop（計算過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。該分辨率可以通過外部電子電路進一步提升4倍得到求積后的輸出。

圖1：安裝于電機后方的反射式編碼器。

編碼器的頻率定額決定了不會遺漏編碼器計數(shù)值的電機最高轉(zhuǎn)速。典型的微型直流電機額定轉(zhuǎn)速為20，000RPM或在空載條件下以較低的轉(zhuǎn)速運行，其典型應(yīng)用運行在約6，000~10，000RPM范圍內(nèi)。在額定電機轉(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。

帶有插補器的典型磁性編碼器系統(tǒng)的最佳周期誤差會比可比光學(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機械角度的誤差或者更低），那么光學(xué)編碼器技術(shù)可以說是市場上最好的選擇。

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)備市場的主要原因是為了節(jié)省醫(yī)療費用，因此設(shè)計人員就經(jīng)常得面對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價格符合消費類市場水平的匹配產(chǎn)品，而不是面向醫(yī)療或工業(yè)市場的高成本元器件。

由于精密運動器件的高成本和缺乏選擇，運動控制解決方案通常占了設(shè)計預(yù)算非常高的份額。另外，由于缺乏針對預(yù)期應(yīng)用安裝編碼器的專業(yè)知識和工具，編碼器的機械安裝也是一個問題。最常見的做法是使用電機制造商提供的編碼器解決方案，不過這種做法通常會使選擇局限在市場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)計電池供電的便攜式醫(yī)療設(shè)備時，通常會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電池的使用時間，為其他元器件的選擇帶來更高的靈活度。前文提到的安華高AEDR-8500反射式編碼器以5V電源工作時功耗低于75mW，與其他競爭技術(shù)相比毫不遜色甚至更低。

另一個選擇合適運動反饋解決方案的考慮因素是電磁干擾（EMI）抗擾度。由于近年來越來越多的設(shè)備使用敏感的電子器件，同時與EMI相關(guān)的設(shè)備故障也時有所聞，EMI問題已變得愈加重要。EMI問題可能來自于手機、WiFi和射頻發(fā)射器等無線通信設(shè)備的大量使用。另外，大多數(shù)電機制造商在設(shè)計編碼器解決方案時基于定制分立磁性技術(shù)，而忽略了可能造成EMI的相關(guān)問題。光學(xué)編碼器技術(shù)在對抗EMI的問題上提供了磁性技術(shù)良好的替代方案，原因是它可以通過相近的價格提供更好的EMI抗擾度。

產(chǎn)品應(yīng)用

在便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計中采用反射式編碼器解決方案時，工程師有幾種方法可以選擇。最常見的做法是在電機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軸運動的反饋信息。

圖2：裝有編碼器的微型電機。

圖3是一個采用旋轉(zhuǎn)編碼器的典型的齒輪電機應(yīng)用。電機通過齒輪驅(qū)動導(dǎo)螺桿，并以預(yù)先計劃的速率推動活塞頭。運動控制編碼器捕獲電機的運動信息，并把相應(yīng)的輸出信號傳送到控制器形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

圖3：容積式分配器。

另外，也可以在移動機構(gòu)上安裝反射式編碼器模塊或碼尺來追蹤運動動作（如圖4所示）。使用反射式編碼器的常見醫(yī)療應(yīng)用包括給藥、注射器運動控制和內(nèi)窺鏡系統(tǒng)等。

圖4：線性運動跟蹤。

本文小結(jié)

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

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