LPC865 MCU在临床台式离心机的应用案例

临床台式离心机是临床诊断实验室的主力设备。离心机与众多工业和医疗设备一样，在幕后默默维护着我们的安全与健康。

Drucker Diagnostics总部位于美国宾夕法尼亚州中部，是临床台式离心机设计与制造领域的领军企业。Drucker Diagnostics离心机覆盖全球，每天处理无数份患者采样，完成常规检查、血液存储及紧急快速检查（STAT测试）等工作。如果您曾抽血检查，大概率是由Drucker Diagnostics离心机完成。

Drucker Diagnostics离心机常见于诊所、医院、急诊室以及血液库中。甚至我们最心爱的毛孩子也依靠Drucker Diagnostics离心机来保持健康幸福。

现代离心机工程发展之旅

离心机的工作原理非常直观：机器内部预设了专为标准采样管设计的槽位，将样本至于其中。离心机在指定时间内以指定速度旋转样本。在旋转过程中，样本里密度不同的成分在离心力的作用下呈现物理分离。例如，血浆或血清便可从红细胞、白细胞和血小板中分离出来。

离心机的核心是电动机和电力电子设备。不同型号的离心机配备不同尺寸和额定值的电机，以及相应规模的功率控制电子设备。在某些应用场景中，需要离心机的转速 (RPM) 更快，并且离心机的转子组件能够承载更高的质量。

离心机的设计非常多样化，没有通用解决方案。市场上通常存在多个型号，适用于不同的应用，这些应用对离心机的转速和扭矩有特定的要求。一个典型的离心机可能会采用任何类型的电动机技术，从同步交流电机到无刷直流电机等，以适应不同的应用场景。

控制电子设备的任务是全面管理离心机的旋转周期，包括速度控制、转子不平衡和过度振动的检测、电气故障处理、功能安全以及操作员界面。

从传统的8位微控制器到基于专有架构的专用“一体式”IC，各种技术方案均有应用。离心机的设计初看简单，但实际上，为了满足不同应用的灵活性和控制需求，系统设计面临着诸多挑战。

工程师们必须在功能、成本和可靠性之间找到平衡点，进行精细的离心机设计。在供应链紧张的情况下，使用特殊的IC可能会给产品设计的适应性带来重大挑战，影响到最终产品的持续供应。

LPC865 MCU助力实现模块化与成本优化

LPC865是LPC800系列的最新产品，功耗低，引脚数少，节省空间。LPC865内置两个功能强大的柔性定时器模块 (FTM)、一个高速模数转换器 (ADC) 以及一个模拟比较器 (ACMP)，在电机控制应用领域表现出色。

带电机控制外设的Arm Cortex-M0+ LPC865

电机控制外设经过精心设计，能够通过专用的外设互连系统协同工作，从而支持实现各种常见的电机控制方案。

LPC865电机控制用例多种多样，从简单的无刷直流电机到永磁同步电机的磁场定向控制。LPC865是传统8位和16位部件的替代产品，LQFP-64封装，一万件起订量，零售价1.07美元。在Drucker Diagnostics的应用中，成本相比当前的MCU降低了6倍。

迁移到现代化、低成本的32位Cortex-M0+ MCU的其他好处包括：

强大的CPU内核简化代码开发

为更复杂的电机控制算法提供了扩展的可能性

支持广泛的CPU架构，保证了代码的可移植性

工具链支持广泛。开发工作流程现在无需依赖专为非标准CPU架构设计的专用工具链。开发人员可以组合使用GCC等开源工具与MCUXpresso等免费开发工具。

广泛的调试工具，如恩智浦MCU-Link或Segger J-link，可以跨多种MCU产品使用

LPC865的开关矩阵和简洁的IC封装特性，在简化设计和降低BOM成本方面提供了显著的双重优势。

用于柔性引脚分配的LPC865 SWM

SWM支持各种外设连接到任意引脚，极大地简化了印刷电路板的布局设计。这一特性在使用低成本PCB技术进行成本敏感型应用开发时尤其有益。

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

LPC865封装和引脚布局选项

在I/O需求较低的情况下，工程师可以选择5mm2的HVQFN32小型封装。而对于需要更多GPIO引脚来连接按钮、LCD和电磁驱动器等机电元件的设计，LQFP64封装则提供了丰富的I/O资源。

LPC865无刷直流电机控制试点设计

作为向现代设计架构过渡的初步尝试，Drucker Diagnostics开展了一个试点项目，专注于评估LPC865的性能。

该试点项目旨在用无刷直流电机 (BLDC) 替换传统的同步交流电机和8位MCU。此外，该设计还采用了模块化的方法，保障成本效益。该试点设计使用了恩智浦LPC865 MCU、Nexperia BUK9Y43-60EMOSFETS于三相桥，以及On Semiconductor的NCD83591MNTXG栅极驱动器。

基于LPC865的Drucker Diagnostics无刷直流电机试点设计架构

该试点项目的一个特点是拆分电力电子功能，相比电力电子架构具有更高的灵活性。LPC865和栅极驱动器具有通用特性，赋予了控制拓扑结构出色的敏捷性。在保持相同架构的前提下，能够从基于查找表的BLDC换向方案平滑过渡到无传感器控制方法。

除了电机控制功能外，LPC865还具有丰富的IO接口，可实现：

连接分立按钮和LED

为用户界面连接到并行和串行LCD

I2C/I3C与加速度传感器接口，用于检测转子不平衡

使用UART进行外部命令和控制

提供更多的IO意味着可以实现更低的BOM成本，因为不再需要传统8位设计中常见的外部I/O扩展器。

Drucker Diagnostics的众多产品线涵盖了广泛的用户界面和I/O需求。部分产品具有用于报告操作状态的LCD，而其他产品只有简单的LED/按钮用户界面。此外，还需要在产品中控制辅助功能，如安全机械用的螺线管。由于LPC865提供了适量的I/O能力，能够在单个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试点原型

“恩智浦通过提供性价比极高的一流技术解决方案，助力Drucker Diagnostics在产品领域保持领先优势和成本效益，使人们的生活更加安全、健康和高效。”

——Tom Mallison，Drucker Diagnostics总裁

功能和连接的扩展选项

LPC865为众多基础电机控制应用提供了理想的解决方案。

它不仅能以低成本成为简单无刷直流电机 (BLDC) 的优选，还拥有足够的处理能力，适用于那些需要进行永磁同步电机 (PMSM) 磁场定向控制 (FOC) 的更高级应用。

LPC865非常适合那些对I/O需求低的电机控制应用，例如：

通过按钮进行的人工用户控制输入/通过按钮实现的人机界面 (HMI) 操作

通过I3C/I2C的电机控制/IO桥协处理器

作为一个节点，加入到一个分布式工业级RS485网络中，并使用Profinet、Modbus或BACNET等标准化协议进行通信

通过简单的UART接口实现的点对点连接，如RS-232

一些电机控制选项可能需要额外的闪存空间、处理能力或USB等连接选项。恩智浦新发布的MCX A系列是一个保持简单性和低BOM成本的解决方案。MCX A153将闪存和RAM提升了一倍，同时配备了USB全速接口和96MHz Cortex-M33内核。它具有一致的电机控制功能和封装选项，是寻求额外功能的用户的理想选择。

展望未来

Drucker Diagnostics与恩智浦及其LPC865在电机控制领域的合作正处于起步阶段。2024年，双方合作将持续推进，用现代化的控制架构，提升离心机的性能，同时确保成本效益。

本文作者

Eli Hughes是恩智浦专业支持工程师，为客户提供恩智浦微控制器和应用处理器系列硬件设计和固件方面的支持。除了支持工作，他还创作了一些技术内容，展示了恩智浦产品在实际真实场景中的应用。他借鉴了自己在宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室的过往经验，在那里他参与了嵌入式系统、传感器、机器人、水下航行器和空间科学等领域的研究和开发。他也曾在宾夕法尼亚州立大学的电气工程系教授过微控制器、FPGA和电路理论等课程。在业余时间，Eli喜欢弹吉他和玩木工。