LPC865 MCU在臨床臺(tái)式離心機(jī)的應(yīng)用案例

臨床臺(tái)式離心機(jī)是臨床診斷實(shí)驗(yàn)室的主力設(shè)備。離心機(jī)與眾多工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備一樣，在幕后默默維護(hù)著我們的安全與健康。

Drucker Diagnostics總部位于美國(guó)賓夕法尼亞州中部，是臨床臺(tái)式離心機(jī)設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。Drucker Diagnostics離心機(jī)覆蓋全球，每天處理無數(shù)份患者采樣，完成常規(guī)檢查、血液存儲(chǔ)及緊急快速檢查（STAT測(cè)試）等工作。如果您曾抽血檢查，大概率是由Drucker Diagnostics離心機(jī)完成。

Drucker Diagnostics離心機(jī)常見于診所、醫(yī)院、急診室以及血液庫中。甚至我們最心愛的毛孩子也依靠Drucker Diagnostics離心機(jī)來保持健康幸福。

現(xiàn)代離心機(jī)工程發(fā)展之旅

離心機(jī)的工作原理非常直觀：機(jī)器內(nèi)部預(yù)設(shè)了專為標(biāo)準(zhǔn)采樣管設(shè)計(jì)的槽位，將樣本至于其中。離心機(jī)在指定時(shí)間內(nèi)以指定速度旋轉(zhuǎn)樣本。在旋轉(zhuǎn)過程中，樣本里密度不同的成分在離心力的作用下呈現(xiàn)物理分離。例如，血漿或血清便可從紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板中分離出來。

離心機(jī)的核心是電動(dòng)機(jī)和電力電子設(shè)備。不同型號(hào)的離心機(jī)配備不同尺寸和額定值的電機(jī)，以及相應(yīng)規(guī)模的功率控制電子設(shè)備。在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，需要離心機(jī)的轉(zhuǎn)速 (RPM) 更快，并且離心機(jī)的轉(zhuǎn)子組件能夠承載更高的質(zhì)量。

離心機(jī)的設(shè)計(jì)非常多樣化，沒有通用解決方案。市場(chǎng)上通常存在多個(gè)型號(hào)，適用于不同的應(yīng)用，這些應(yīng)用對(duì)離心機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩有特定的要求。一個(gè)典型的離心機(jī)可能會(huì)采用任何類型的電動(dòng)機(jī)技術(shù)，從同步交流電機(jī)到無刷直流電機(jī)等，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

控制電子設(shè)備的任務(wù)是全面管理離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)周期，包括速度控制、轉(zhuǎn)子不平衡和過度振動(dòng)的檢測(cè)、電氣故障處理、功能安全以及操作員界面。

從傳統(tǒng)的8位微控制器到基于專有架構(gòu)的專用“一體式”IC，各種技術(shù)方案均有應(yīng)用。離心機(jī)的設(shè)計(jì)初看簡(jiǎn)單，但實(shí)際上，為了滿足不同應(yīng)用的靈活性和控制需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨著諸多挑戰(zhàn)。

工程師們必須在功能、成本和可靠性之間找到平衡點(diǎn)，進(jìn)行精細(xì)的離心機(jī)設(shè)計(jì)。在供應(yīng)鏈緊張的情況下，使用特殊的IC可能會(huì)給產(chǎn)品設(shè)計(jì)的適應(yīng)性帶來重大挑戰(zhàn)，影響到最終產(chǎn)品的持續(xù)供應(yīng)。

LPC865 MCU助力實(shí)現(xiàn)模塊化與成本優(yōu)化

LPC865是LPC800系列的最新產(chǎn)品，功耗低，引腳數(shù)少，節(jié)省空間。LPC865內(nèi)置兩個(gè)功能強(qiáng)大的柔性定時(shí)器模塊 (FTM)、一個(gè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以及一個(gè)模擬比較器 (ACMP)，在電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出色。

帶電機(jī)控制外設(shè)的Arm Cortex-M0+ LPC865

電機(jī)控制外設(shè)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，能夠通過專用的外設(shè)互連系統(tǒng)協(xié)同工作，從而支持實(shí)現(xiàn)各種常見的電機(jī)控制方案。

LPC865電機(jī)控制用例多種多樣，從簡(jiǎn)單的無刷直流電機(jī)到永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制。LPC865是傳統(tǒng)8位和16位部件的替代產(chǎn)品，LQFP-64封裝，一萬件起訂量，零售價(jià)1.07美元。在Drucker Diagnostics的應(yīng)用中，成本相比當(dāng)前的MCU降低了6倍。

遷移到現(xiàn)代化、低成本的32位Cortex-M0+ MCU的其他好處包括：

強(qiáng)大的CPU內(nèi)核簡(jiǎn)化代碼開發(fā)

為更復(fù)雜的電機(jī)控制算法提供了擴(kuò)展的可能性

支持廣泛的CPU架構(gòu)，保證了代碼的可移植性

工具鏈支持廣泛。開發(fā)工作流程現(xiàn)在無需依賴專為非標(biāo)準(zhǔn)CPU架構(gòu)設(shè)計(jì)的專用工具鏈。開發(fā)人員可以組合使用GCC等開源工具與MCUXpresso等免費(fèi)開發(fā)工具。

廣泛的調(diào)試工具，如恩智浦MCU-Link或Segger J-link，可以跨多種MCU產(chǎn)品使用

LPC865的開關(guān)矩陣和簡(jiǎn)潔的IC封裝特性，在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低BOM成本方面提供了顯著的雙重優(yōu)勢(shì)。

用于柔性引腳分配的LPC865 SWM

SWM支持各種外設(shè)連接到任意引腳，極大地簡(jiǎn)化了印刷電路板的布局設(shè)計(jì)。這一特性在使用低成本PCB技術(shù)進(jìn)行成本敏感型應(yīng)用開發(fā)時(shí)尤其有益。

LPC865提供10mm2 LQFP64、7mm2 HVQFN48和5mm2 HVQFN32封裝。

LPC865封裝和引腳布局選項(xiàng)

在I/O需求較低的情況下，工程師可以選擇5mm2的HVQFN32小型封裝。而對(duì)于需要更多GPIO引腳來連接按鈕、LCD和電磁驅(qū)動(dòng)器等機(jī)電元件的設(shè)計(jì)，LQFP64封裝則提供了豐富的I/O資源。

LPC865無刷直流電機(jī)控制試點(diǎn)設(shè)計(jì)

作為向現(xiàn)代設(shè)計(jì)架構(gòu)過渡的初步嘗試，Drucker Diagnostics開展了一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，專注于評(píng)估LPC865的性能。

該試點(diǎn)項(xiàng)目旨在用無刷直流電機(jī) (BLDC) 替換傳統(tǒng)的同步交流電機(jī)和8位MCU。此外，該設(shè)計(jì)還采用了模塊化的方法，保障成本效益。該試點(diǎn)設(shè)計(jì)使用了恩智浦LPC865 MCU、Nexperia BUK9Y43-60EMOSFETS于三相橋，以及On Semiconductor的NCD83591MNTXG柵極驅(qū)動(dòng)器。

基于LPC865的Drucker Diagnostics無刷直流電機(jī)試點(diǎn)設(shè)計(jì)架構(gòu)

該試點(diǎn)項(xiàng)目的一個(gè)特點(diǎn)是拆分電力電子功能，相比電力電子架構(gòu)具有更高的靈活性。LPC865和柵極驅(qū)動(dòng)器具有通用特性，賦予了控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出色的敏捷性。在保持相同架構(gòu)的前提下，能夠從基于查找表的BLDC換向方案平滑過渡到無傳感器控制方法。

除了電機(jī)控制功能外，LPC865還具有豐富的IO接口，可實(shí)現(xiàn)：

連接分立按鈕和LED

為用戶界面連接到并行和串行LCD

I2C/I3C與加速度傳感器接口，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子不平衡

使用UART進(jìn)行外部命令和控制

提供更多的IO意味著可以實(shí)現(xiàn)更低的BOM成本，因?yàn)椴辉傩枰獋鹘y(tǒng)8位設(shè)計(jì)中常見的外部I/O擴(kuò)展器。

Drucker Diagnostics的眾多產(chǎn)品線涵蓋了廣泛的用戶界面和I/O需求。部分產(chǎn)品具有用于報(bào)告操作狀態(tài)的LCD，而其他產(chǎn)品只有簡(jiǎn)單的LED/按鈕用戶界面。此外，還需要在產(chǎn)品中控制輔助功能，如安全機(jī)械用的螺線管。由于LPC865提供了適量的I/O能力，能夠在單個(gè)芯片上集成所有必要功能，有效降低了BOM成本。

Drucker Diagnostics基于LPC865的BLDC試點(diǎn)原型

“恩智浦通過提供性價(jià)比極高的一流技術(shù)解決方案，助力Drucker Diagnostics在產(chǎn)品領(lǐng)域保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)和成本效益，使人們的生活更加安全、健康和高效?！?/p>

——Tom Mallison，Drucker Diagnostics總裁

功能和連接的擴(kuò)展選項(xiàng)

LPC865為眾多基礎(chǔ)電機(jī)控制應(yīng)用提供了理想的解決方案。

它不僅能以低成本成為簡(jiǎn)單無刷直流電機(jī) (BLDC) 的優(yōu)選，還擁有足夠的處理能力，適用于那些需要進(jìn)行永磁同步電機(jī) (PMSM) 磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 的更高級(jí)應(yīng)用。

LPC865非常適合那些對(duì)I/O需求低的電機(jī)控制應(yīng)用，例如：

通過按鈕進(jìn)行的人工用戶控制輸入/通過按鈕實(shí)現(xiàn)的人機(jī)界面 (HMI) 操作

通過I3C/I2C的電機(jī)控制/IO橋協(xié)處理器

作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，加入到一個(gè)分布式工業(yè)級(jí)RS485網(wǎng)絡(luò)中，并使用Profinet、Modbus或BACNET等標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議進(jìn)行通信

通過簡(jiǎn)單的UART接口實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，如RS-232

一些電機(jī)控制選項(xiàng)可能需要額外的閃存空間、處理能力或USB等連接選項(xiàng)。恩智浦新發(fā)布的MCX A系列是一個(gè)保持簡(jiǎn)單性和低BOM成本的解決方案。MCX A153將閃存和RAM提升了一倍，同時(shí)配備了USB全速接口和96MHz Cortex-M33內(nèi)核。它具有一致的電機(jī)控制功能和封裝選項(xiàng)，是尋求額外功能的用戶的理想選擇。

展望未來

Drucker Diagnostics與恩智浦及其LPC865在電機(jī)控制領(lǐng)域的合作正處于起步階段。2024年，雙方合作將持續(xù)推進(jìn)，用現(xiàn)代化的控制架構(gòu)，提升離心機(jī)的性能，同時(shí)確保成本效益。

本文作者

Eli Hughes是恩智浦專業(yè)支持工程師，為客戶提供恩智浦微控制器和應(yīng)用處理器系列硬件設(shè)計(jì)和固件方面的支持。除了支持工作，他還創(chuàng)作了一些技術(shù)內(nèi)容，展示了恩智浦產(chǎn)品在實(shí)際真實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用。他借鑒了自己在賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室的過往經(jīng)驗(yàn)，在那里他參與了嵌入式系統(tǒng)、傳感器、機(jī)器人、水下航行器和空間科學(xué)等領(lǐng)域的研究和開發(fā)。他也曾在賓夕法尼亞州立大學(xué)的電氣工程系教授過微控制器、FPGA和電路理論等課程。在業(yè)余時(shí)間，Eli喜歡彈吉他和玩木工。