微型反射式编码器技术助力医疗电子设备设计

过去几年，许多半导体公司逐渐聚焦于医疗设备市场。医疗领域的新兴应用趋势对技术的要求日渐升高，设计人员开始面向各种需求开发极具竞争优势的产品。例如：家用医疗设备需求的增长非常快速。这符合两个趋势：公众对自我管理医疗护理优势的意识越来越普遍，以及门诊治疗相对于住院治疗的成本更低。这些趋势正持续推动医疗保健公司开发携带更方便、成本更低廉且使用更简单的产品的发展。

目前，在门诊治疗市场已经有许多不同的诊断和治疗设备，例如透析设备、便携式胰岛素泵、胰岛素吸入器和糖尿病管理系统等。这些自助式医疗设备的出现也促使设备制造商推出创新型的产品。

因此，产品设计人员无不大力寻找可以支持创新思考及未来医疗产品发展趋势并能符合产品快速上市开发策略的新型元器件产品。尤其是微型反射式编码器技术更是成为了便携式医疗设备制造商突破现有精度、功耗、尺寸和成本限制的有效助力。这些增强的运动控制反馈器件可以超越磁感应技术等现有的编码器技术，带来更低的成本和更小的功耗。

本文将比较反射式编码器技术和现有技术，并提供几个反射式编码器特别适用的终端应用案例。本文也将说明为什么设计人员会开始采用反射式光学编码器来解决可能会造成安全性问题的电磁干扰（EMI）和精度问题。反射式编码器拥有小型化、相对成本较低和容易导入设计等优点，为各种广泛的医疗设备应用提供了成功解决方案。

寻找合适的运动反馈解决方案

随着必须为客户提供较竞争对手更具独特价值的产品，便携式医疗设备市场的竞争变得日益激烈。设计过程通常从基于市场需求和情况明确产品需求清单开始。在大多数情况下，在决定最佳元件以便在合理成本下满足所有设计要求时必须做出权衡。在选择便宜实惠、满足成本目标的同时符合大部分重要优先级的元器件时，将设计需求按照优先级排列将是关键。

大多数典型的便携式医疗设备的选择标准通常和以下优先级有关：

重量和尺寸：将医疗设备归类为便携式设备意味着设备能够方便地随处携带。由于设计人员对元器件的空间和重量做出了限制，重量和尺寸规格对于便携式产品设计非常关键。需要精确机械定位的便携式医疗设备的设计，可能需要编码器或者机电运动反馈器件把机械动作转换成为电气输出，以进行精确的位置跟踪。最常使用的方式是在选用的电机后方加上旋转编码器，并使电机驱动一系列的机械系统。另一做法是采用线性编码器搭配码尺或者具有一系列黑白轨迹的带状物，并把它们安装在系统的移动部件进行运动跟踪。然而，这些做法并不一定有效，除非工程师找到符合尺寸、重量、分辨率和成本目标要求的编码器产品。

一种特别适合便携式医疗设备应用的反射式编码器是安华高（Avago）公司的AEDR-8500。其长度和宽度分别在4cm和3.4cm以下，并且封装重量几乎可以忽略不计。该编码器除了可以满足重量和尺寸的苛刻要求外，比起其它的磁性技术，还能以相对较低的成本带来稳健的性能。

分辨率、频率和精度：另一组为设计选用合适运动反馈传感器的重要标准是，该器件是否可以提供良好的分辨率、频率和精度。分辨率是决定旋转系统旋转一周所需总步数的重要参数。分辨率在旋转应用中通常以每转的计数值（CPR）来表示，在线性应用中则以每英寸的线条数（LPI）来表示。较高的CPR不一定代表较好的设计精度——它针对应用仅仅提供了每转动一周有较多计数值的信息，而并未包含任何有关潜在周期误差的详细信息。

旋转编码器的最终输出分辨率由编码器模块的计数密度和匹配媒介或码盘的尺寸决定。以CPR为单位的编码器输出分辨率、以光学半径或Rop表示的码盘大小和以LPI为单位的编码器计数密度三者间的关系如下：

LPI=CPR/2*π*Rop（计算过程中所有单位必须保持一致）

直径为6mm封装的光学编码器可以提供最少50CPR或更高的求积前的分辨率。该分辨率可以通过外部电子电路进一步提升4倍得到求积后的输出。

图1：安装于电机后方的反射式编码器。

编码器的频率定额决定了不会遗漏编码器计数值的电机最高转速。典型的微型直流电机额定转速为20，000RPM或在空载条件下以较低的转速运行，其典型应用运行在约6，000~10，000RPM范围内。在额定电机转速下，典型的50CPR编码器将需要具有至少16.7kHz或更高的频率定额。

带有插补器的典型磁性编码器系统的最佳周期误差会比可比光学系统高出大约3~4倍。选择符合产品设计要求的合适编码器技术非常重要。如果需要更高精度的输出（例如低于±20机械角度的误差或者更低），那么光学编码器技术可以说是市场上最好的选择。

成本：由于医疗设备制造商聚焦于可自主操作便携式设备市场的主要原因是为了节省医疗费用，因此设计人员就经常得面对以较低成本找到合适元器件的挑战。最好的情况是找到一个价格符合消费类市场水平的匹配产品，而不是面向医疗或工业市场的高成本元器件。

由于精密运动器件的高成本和缺乏选择，运动控制解决方案通常占了设计预算非常高的份额。另外，由于缺乏针对预期应用安装编码器的专业知识和工具，编码器的机械安装也是一个问题。最常见的做法是使用电机制造商提供的编码器解决方案，不过这种做法通常会使选择局限在市场上的磁性编码器技术。在为应用找到合适产品并确保达到较低成本和较高精度方面，反射式编码器技术为工程师提供了更多的选择。

功耗和电磁干扰（EMI）：工程师在设计电池供电的便携式医疗设备时，通常会尽可能地把所有元器件的功耗控制在最低。采用功耗较低的元器件可以延长电池的使用时间，为其他元器件的选择带来更高的灵活度。前文提到的安华高AEDR-8500反射式编码器以5V电源工作时功耗低于75mW，与其他竞争技术相比毫不逊色甚至更低。

另一个选择合适运动反馈解决方案的考虑因素是电磁干扰（EMI）抗扰度。由于近年来越来越多的设备使用敏感的电子器件，同时与EMI相关的设备故障也时有所闻，EMI问题已变得愈加重要。EMI问题可能来自于手机、WiFi和射频发射器等无线通信设备的大量使用。另外，大多数电机制造商在设计编码器解决方案时基于定制分立磁性技术，而忽略了可能造成EMI的相关问题。光学编码器技术在对抗EMI的问题上提供了磁性技术良好的替代方案，原因是它可以通过相近的价格提供更好的EMI抗扰度。

产品应用

在便携式医疗设备设计中采用反射式编码器解决方案时，工程师有几种方法可以选择。最常见的做法是在电机背后安装使用基于光学的反射式编码器解决方案（如图2）。该编码器可以提供基于电机轴运动的反馈信息。

图2：装有编码器的微型电机。

图3是一个采用旋转编码器的典型的齿轮电机应用。电机通过齿轮驱动导螺杆，并以预先计划的速率推动活塞头。运动控制编码器捕获电机的运动信息，并把相应的输出信号传送到控制器形成一个闭环系统。

图3：容积式分配器。

另外，也可以在移动机构上安装反射式编码器模块或码尺来追踪运动动作（如图4所示）。使用反射式编码器的常见医疗应用包括给药、注射器运动控制和内窥镜系统等。

图4：线性运动跟踪。

本文小结

为便携式医疗设计寻找合适且低成本的运动编码器解决方案是产品设计人员面临的一项关键挑战。正确设定整体系统的优先级和相对的元器件要求则是项目成功和产品快速上市的关键所在。对于许多医疗应用而言，反射式编码器具有以相对低廉的价格提供较高性能的优势。

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