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

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)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，在線性應(yīng)用中則以每英寸的線條數(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)。

更多醫(yī)療電子信息請(qǐng)關(guān)注：21ic醫(yī)療電子頻道