臨床臺式離心機是臨床診斷實驗室的主力設備。離心機與眾多工業和醫療設備一樣，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計與制造領域的領軍企業。Drucker Diagnostics離心機覆蓋全球，每天處理無數份患者采樣，完成常規檢查、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。

現代離心機工程發展之旅

離心機的工作原理非常直觀：機器內部預設了專為標準采樣管設計的槽位，將樣本至于其中。離心機在指定時間內以指定速度旋轉樣本。在旋轉過程中，樣本里密度不同的成分在離心力的作用下呈現物理分離。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，以及相應規模的功率控制電子設備。在某些應用場景中，需要離心機的轉速 (RPM) 更快，并且離心機的轉子組件能夠承載更高的質量。

離心機的設計非常多樣化，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，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。

控制電子設備的任務是全面管理離心機的旋轉周期，包括速度控制、轉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。

從傳統的8位微控制器到基于專有架構的專用“一體式”IC，各種技術方案均有應用。離心機的設計初看簡單，但實際上，為了滿足不同應用的靈活性和控制需求，系統設計面臨著諸多挑戰。

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計。在供應鏈緊張的情況下，使用特殊的IC可能會給產品設計的適應性帶來重大挑戰，影響到最終產品的持續供應。

LPC865 MCU助力實現模塊化與成本優化

LPC865是LPC800系列的最新產品，功耗低，引腳數少，節省空間。LPC865內置兩個功能強大的柔性定時器模塊 (FTM)、一個高速模數轉換器 (ADC) 以及一個模擬比較器 (ACMP)，在電機控制應用領域表現出色。

帶電機控制外設的Arm Cortex-M0+ LPC865

電機控制外設經過精心設計，能夠通過專用的外設互連系統協同工作，從而支持實現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8位和16位部件的替代產品，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。

遷移到現代化、低成本的32位Cortex-M0+ MCU的其他好處包括：

強大的CPU內核簡化代碼開發

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，保證了代碼的可移植性

工具鏈支持廣泛。開發工作流程現在無需依賴專為非標準CPU架構設計的專用工具鏈。開發人員可以組合使用GCC等開源工具與MCUXpresso等免費開發工具。

廣泛的調試工具，如恩智浦MCU-Link或Segger J-link，可以跨多種MCU產品使用

LPC865的開關矩陣和簡潔的IC封裝特性，在簡化設計和降低BOM成本方面提供了顯著的雙重優勢。

用于柔性引腳分配的LPC865 SWM

SWM支持各種外設連接到任意引腳，極大地簡化了印刷電路板的布局設計。這一特性在使用低成本PCB技術進行成本敏感型應用開發時尤其有益。

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和電磁驅動器等機電元件的設計，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計

作為向現代設計架構過渡的初步嘗試，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) 替換傳統的同步交流電機和8位MCU。此外，該設計還采用了模塊化的方法，保障成本效益。該試點設計使用了恩智浦LPC865 MCU、Nexperia BUK9Y43-60EMOSFETS于三相橋，以及On Semiconductor的NCD83591MNTXG柵極驅動器。

基于LPC865的Drucker Diagnostics無刷直流電機試點設計架構

該試點項目的一個特點是拆分電力電子功能，相比電力電子架構具有更高的靈活性。LPC865和柵極驅動器具有通用特性，賦予了控制拓撲結構出色的敏捷性。在保持相同架構的前提下，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：

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意味著可以實現更低的BOM成本，因為不再需要傳統8位設計中常見的外部I/O擴展器。

Drucker Diagnostics的眾多產品線涵蓋了廣泛的用戶界面和I/O需求。部分產品具有用于報告操作狀態的LCD，而其他產品只有簡單的LED/按鈕用戶界面。此外，還需要在產品中控制輔助功能，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解決方案，助力Drucker Diagnostics在產品領域保持領先優勢和成本效益，使人們的生活更加安全、健康和高效。”

——Tom Mallison，Drucker Diagnostics總裁

功能和連接的擴展選項

LPC865為眾多基礎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/通過按鈕實現的人機界面 (HMI) 操作

通過I3C/I2C的電機控制/IO橋協處理器

作為一個節點，加入到一個分布式工業級RS485網絡中，并使用Profinet、Modbus或BACNET等標準化協議進行通信

通過簡單的UART接口實現的點對點連接，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在電機控制領域的合作正處于起步階段。2024年，雙方合作將持續推進，用現代化的控制架構，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計和固件方面的支持。除了支持工作，他還創作了一些技術內容，展示了恩智浦產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驗，在那里他參與了嵌入式系統、傳感器、機器人、水下航行器和空間科學等領域的研究和開發。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。在業余時間，Eli喜歡彈吉他和玩木工。