臨床臺式離心機是臨床診斷實驗室的主力設(shè)備。離心機與眾多工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備一樣，在幕后默默維護著我們的安全與健康。

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

Drucker Diagnostics離心機常見于診所、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離心機來保持健康幸福。

現(xiàn)代離心機工程發(fā)展之旅

離心機的工作原理非常直觀：機器內(nèi)部預設(shè)了專為標準采樣管設(shè)計的槽位，將樣本至于其中。離心機在指定時間內(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胞、白細胞和血小板中分離出來。

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

離心機的設(shè)計非常多樣化，沒有通用解決方案。市場上通常存在多個型號，適用于不同的應用，這些應用對離心機的轉(zhuǎn)速和扭矩有特定的要求。一個典型的離心機可能會采用任何類型的電動機技術(shù)，從同步交流電機到無刷直流電機等，以適應不同的應用場景。

控制電子設(shè)備的任務是全面管理離心機的旋轉(zhuǎn)周期，包括速度控制、轉(zhuǎn)子不平衡和過度振動的檢測、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)方案均有應用。離心機的設(shè)計初看簡單，但實際上，為了滿足不同應用的靈活性和控制需求，系統(tǒng)設(shè)計面臨著諸多挑戰(zhàn)。

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

LPC865 MCU助力實現(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)置兩個功能強大的柔性定時器模塊 (FTM)、一個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以及一個模擬比較器 (ACMP)，在電機控制應用領(lǐng)域表現(xiàn)出色。

帶電機控制外設(shè)的Arm Cortex-M0+ LPC865

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

LPC865電機控制用例多種多樣，從簡單的無刷直流電機到永磁同步電機的磁場定向控制。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1.07美元。在Drucker Diagnostics的應用中，成本相比當前的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：

強大的CPU內(nèi)核簡化代碼開發(fā)

為更復雜的電機控制算法提供了擴展的可能性

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準CPU架構(gòu)設(shè)計的專用工具鏈。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)矩陣和簡潔的IC封裝特性，在簡化設(shè)計和降低BOM成本方面提供了顯著的雙重優(yōu)勢。

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，極大地簡化了印刷電路板的布局設(shè)計。這一特性在使用低成本PCB技術(shù)進行成本敏感型應用開發(fā)時尤其有益。

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

LPC865封裝和引腳布局選項

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。而對于需要更多GPIO引腳來連接按鈕、LCD和電磁驅(qū)動器等機電元件的設(shè)計，LQFP64封裝則提供了豐富的I/O資源。

LPC865無刷直流電機控制試點設(shè)計

作為向現(xiàn)代設(shè)計架構(gòu)過渡的初步嘗試，Drucker Diagnostics開展了一個試點項目，專注于評估LPC865的性能。

該試點項目旨在用無刷直流電機 (BLDC) 替換傳統(tǒng)的同步交流電機和8位MCU。此外，該設(shè)計還采用了模塊化的方法，保障成本效益。該試點設(shè)計使用了恩智浦LPC865 MCU、Nexperia BUK9Y43-60EMOSFETS于三相橋，以及On Semiconductor的NCD83591MNTXG柵極驅(qū)動器。

基于LPC865的Drucker Diagnostics無刷直流電機試點設(shè)計架構(gòu)

該試點項目的一個特點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)動器具有通用特性，賦予了控制拓撲結(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。

除了電機控制功能外，LPC865還具有豐富的IO接口，可實現(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，用于檢測轉(zhuǎn)子不平衡

使用UART進行外部命令和控制

提供更多的IO意味著可以實現(xiàn)更低的BOM成本，因為不再需要傳統(tǒng)8位設(shè)計中常見的外部I/O擴展器。

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)品具有用于報告操作狀態(tài)的LCD，而其他產(chǎn)品只有簡單的LED/按鈕用戶界面。此外，還需要在產(chǎn)品中控制輔助功能，如安全機械用的螺線管。由于LPC865提供了適量的I/O能力，能夠在單個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試點原型

“恩智浦通過提供性價比極高的一流技術(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

功能和連接的擴展選項

LPC865為眾多基礎(chǔ)電機控制應用提供了理想的解決方案。

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

LPC865非常適合那些對I/O需求低的電機控制應用，例如：

通過按鈕進行的人工用戶控制輸入/通過按鈕實現(xiàn)的人機界面 (HMI) 操作

通過I3C/I2C的電機控制/IO橋協(xié)處理器

作為一個節(jié)點，加入到一個分布式工業(yè)級RS485網(wǎng)絡中，并使用Profinet、Modbus或BACNET等標準化協(xié)議進行通信

通過簡單的UART接口實現(xiàn)的點對點連接，如RS-232

一些電機控制選項可能需要額外的閃存空間、處理能力或USB等連接選項。恩智浦新發(fā)布的MCX A系列是一個保持簡單性和低BOM成本的解決方案。MCX A153將閃存和RAM提升了一倍，同時配備了USB全速接口和96MHz Cortex-M33內(nèi)核。它具有一致的電機控制功能和封裝選項，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，用現(xiàn)代化的控制架構(gòu)，提升離心機的性能，同時確保成本效益。

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用處理器系列硬件設(shè)計和固件方面的支持。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)品在實際真實場景中的應用。他借鑒了自己在賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室的過往經(jīng)驗，在那里他參與了嵌入式系統(tǒng)、傳感器、機器人、水下航行器和空間科學等領(lǐng)域的研究和開發(fā)。他也曾在賓夕法尼亞州立大學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)余時間，Eli喜歡彈吉他和玩木工。