微型反射式編碼器技術助力醫療電子設備設計
2012-08-13 21:17:39 本站原創過去幾年，許多半導體公司逐漸聚焦于醫療設備市場。醫療領域的新興應用趨勢對技術的要求日漸升高，設計人員開始面向各種需求開發極具競爭優勢的產品。例如：家用醫療設備需求的增長非?？焖佟＿@符合兩個趨勢：公眾對自我管理醫療護理優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。這些趨勢正持續推動醫療保健公司開發攜帶更方便、成本更低廉且使用更簡單的產品的發展。
目前，在門診治療市場已經有許多不同的診斷和治療設備，例如透析設備、便攜式胰島素泵、胰島素吸入器和糖尿病管理系統等。這些自助式醫療設備的出現也促使設備制造商推出創新型的產品。
因此，產品設計人員無不大力尋找可以支持創新思考及未來醫療產品發展趨勢并能符合產品快速上市開發策略的新型元器件產品。尤其是微型反射式編碼器技術更是成為了便攜式醫療設備制造商突破現有精度、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技術等現有的編碼器技術，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和現有技術，并提供幾個反射式編碼器特別適用的終端應用案例。本文也將說明為什么設計人員會開始采用反射式光學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入設計等優點，為各種廣泛的醫療設備應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品，便攜式醫療設備市場的競爭變得日益激烈。設計過程通常從基于市場需求和情況明確產品需求清單開始。在大多數情況下，在決定最佳元件以便在合理成本下滿足所有設計要求時必須做出權衡。在選擇便宜實惠、滿足成本目標的同時符合大部分重要優先級的元器件時，將設計需求按照優先級排列將是關鍵。
大多數典型的便攜式醫療設備的選擇標準通常和以下優先級有關：
重量和尺寸：將醫療設備歸類為便攜式設備意味著設備能夠方便地隨處攜帶。由于設計人員對元器件的空間和重量做出了限制，重量和尺寸規格對于便攜式產品設計非常關鍵。需要精確機械定位的便攜式醫療設備的設計，可能需要編碼器或者機電運動反饋器件把機械動作轉換成為電氣輸出，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編碼器，并使電機驅動一系列的機械系統。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、分辨率和成本目標要求的編碼器產品。
一種特別適合便攜式醫療設備應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，還能以相對較低的成本帶來穩健的性能。
分辨率、頻率和精度：另一組為設計選用合適運動反饋傳感器的重要標準是，該器件是否可以提供良好的分辨率、頻率和精度。分辨率是決定旋轉系統旋轉一周所需總步數的重要參數。分辨率在旋轉應用中通常以每轉的計數值（CPR）來表示，在線性應用中則以每英寸的線條數（LPI）來表示。較高的CPR不一定代表較好的設計精度——它針對應用僅僅提供了每轉動一周有較多計數值的信息，而并未包含任何有關潛在周期誤差的詳細信息。
旋轉編碼器的最終輸出分辨率由編碼器模塊的計數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、以光學半徑或Rop表示的碼盤大小和以LPI為單位的編碼器計數密度三者間的關系如下：
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值的電機最高轉速。典型的微型直流電機額定轉速為20，000RPM或在空載條件下以較低的轉速運行，其典型應用運行在約6，000~10，000RPM范圍內。在額定電機轉速下，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的最佳周期誤差會比可比光學系統高出大約3~4倍。選擇符合產品設計要求的合適編碼器技術非常重要。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），那么光學編碼器技術可以說是市場上最好的選擇。
成本：由于醫療設備制造商聚焦于可自主操作便攜式設備市場的主要原因是為了節省醫療費用，因此設計人員就經常得面對以較低成本找到合適元器件的挑戰。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品，而不是面向醫療或工業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計預算非常高的份額。另外，由于缺乏針對預期應用安裝編碼器的專業知識和工具，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。在為應用找到合適產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）：工程師在設計電池供電的便攜式醫療設備時，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備使用敏感的電子器件，同時與EMI相關的設備故障也時有所聞，EMI問題已變得愈加重要。EMI問題可能來自于手機、WiFi和射頻發射器等無線通信設備的大量使用。另外，大多數電機制造商在設計編碼器解決方案時基于定制分立磁性技術，而忽略了可能造成EMI的相關問題。光學編碼器技術在對抗EMI的問題上提供了磁性技術良好的替代方案，原因是它可以通過相近的價格提供更好的EMI抗擾度。
產品應用
在便攜式醫療設備設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是一個采用旋轉編碼器的典型的齒輪電機應用。電機通過齒輪驅動導螺桿，并以預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，并把相應的輸出信號傳送到控制器形成一個閉環系統。
圖3：容積式分配器。
另外，也可以在移動機構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療應用包括給藥、注射器運動控制和內窺鏡系統等。
圖4：線性運動跟蹤。
本文小結
為便攜式醫療設計尋找合適且低成本的運動編碼器解決方案是產品設計人員面臨的一項關鍵挑戰。正確設定整體系統的優先級和相對的元器件要求則是項目成功和產品快速上市的關鍵所在。對于許多醫療應用而言，反射式編碼器具有以相對低廉的價格提供較高性能的優勢。
