基于K60的電化學工作站設(shè)計

北京工商大學材料與機械工程學院 霍亮生 郁子儀 張書藝 李成龍

隨著電化學理論的不斷完善和發(fā)展，電化學方法在生命科學、物理學、新能源、新材料、環(huán)境學科中被大量應用，電化學測量技術(shù)作為一類試驗方法和研究手段已經(jīng)廣泛被用于各種行業(yè)，研究者在各個領(lǐng)域通過電化學測量技術(shù)進行相關(guān)研究[1]。電化學測量方法眾多，利用計算機、數(shù)字處理技術(shù)（微控制器、DSP 等數(shù)字處理芯片）包含多種電化學分析測試方法的電化學工作站可以使電化學測量分析變得方便、快捷及精確。電化學工作站將恒電位儀、恒電流儀和電化學交流阻抗分析儀有機地結(jié)合在一起，是一套完整的、數(shù)字化的、電化學體系的監(jiān)測分析設(shè)備。它可以實現(xiàn)基本測試功能，如動電位掃描、動電流掃描、電化學交流阻抗測量，也可以做到基于這三種基本實驗的復雜實驗，從而完成多種狀態(tài)下電化學體系的參數(shù)跟蹤和分析[2]。

1 硬件設(shè)計

電化學工作站系統(tǒng)的硬件主要包括四大部分：產(chǎn)生所需激勵信號的信號發(fā)生器，高精度的恒電位儀(恒電流儀)，數(shù)據(jù)采集部分及數(shù)據(jù)工作站(PC機)。這四部分配以電解池，可實現(xiàn)對電化學系統(tǒng)中電流、電位等信號進行控制和測量。根據(jù)該設(shè)備的基本功能和基本組成及當今電子科技的現(xiàn)狀，可以初步確定電化學工作站的基本硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的搭建考慮到一下幾點：第一，由于實驗室儀器所用數(shù)據(jù)工作站多用筆記本電腦，而大多數(shù)筆記本電腦沒有串行接口，因此增加了USB轉(zhuǎn)串口模塊，儀器可以直接通過USB接口與電腦交換數(shù)據(jù)；第二，由于K60自帶的12位DAC模塊精度不能滿足要求，需要24位的DA轉(zhuǎn)換模塊來提供頻率小于1kHz的方波、三角波等激勵信號；第三，為完成交流阻抗分析功能，增加直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）來產(chǎn)生高頻的正弦信號，頻率范圍為1kHz～3MHz；第四，本系統(tǒng)需要外擴32位高精度的AD轉(zhuǎn)換模塊；第五，由于AD轉(zhuǎn)換芯片的輸入端需為電壓信號，因此需要配套阻抗變換電路；第六，電化學工作站大部分功能的核心在于恒電位儀，因此恒電位儀的電路設(shè)計至關(guān)重要。

1.1 D/A轉(zhuǎn)換模塊

如將電化學儀器配以方波、三角波或正弦波發(fā)生器，就可使電極電位按照給定的波形發(fā)生變化，從而研究電化學體系的各種暫態(tài)行為。如果配以慢速的線性掃描信號或階梯波信號，則可自動進行穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)極化曲線的測量[3]。本系統(tǒng)具有兩套信號發(fā)生器模塊，一套采用24位DAC芯片產(chǎn)生精密的方波、三角波及慢速的線性掃描信號或階梯信號；一套采用直接數(shù)字式信號合成器（DDS）產(chǎn)生高頻激勵信號。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

文中采用兩套數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，一套擬采用32位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計；一套擬采用18位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計。

2 軟件設(shè)計

整個電化學工作站的軟件設(shè)計分為兩大部分：上位機軟件設(shè)計，下位機軟件設(shè)計。其中，下位機的程序設(shè)計需要在硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上來進行程序設(shè)計；上位機可直接考慮數(shù)據(jù)格式、功能模式等來進行程序設(shè)計而忽略硬件結(jié)構(gòu)。

2.1 下位機軟件

編寫下位機軟件，首先需要確定程序流程，其中主程序與串口中斷服務(wù)程序的程序流程較為主要。確定了程序流程后，可用Freescale CodeWorrier軟件對下位機程序進行編寫。

2.1.1 主程序

主程序程序首先對IO口、串行接口、定時器、內(nèi)部及外擴AD以及DA進行初始化。其次，打開串行接口接收中斷，判斷標志位cf，若等于1，說明命令接收完成，判斷命令接收是否正確，如正確，執(zhí)行該命令，并清除cf標志位；如不正確，要求重發(fā)；若三次接收錯誤，報警。最后根據(jù)接收到的命令，執(zhí)行相應的功能程序。

2.1.2 串口接收中斷服務(wù)程序

接收串口中斷服務(wù)程序用于接收上位機傳送的命令，假設(shè)命令長度為n，首先接收起始字符，接收完成后，開始順序接收命令的每個字符，直至接收完第n個字符，開始接收終止字符，終止字符接收完成時，將標志位cf置1。

2.2 上位機軟件

本文采用Micr osof t Visual Studio 2010來進行上位機軟件的設(shè)計。Microsof t Visual Studio是美國微軟公司的開發(fā)工具包系列產(chǎn)品。它是一個完整的開發(fā)工具集，包括了整個軟件生命周期中所需的大部分工具。本文采用C#語言來進行上位機軟件設(shè)計，它是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。用戶界面要以簡介、易操作為編程核心，用戶可以通過人機交互界面完成任務(wù)的創(chuàng)建與保存、實驗方法與參數(shù)的設(shè)置等工作。上位機需要將命令通過串口發(fā)送給下位機，并接收下位機傳送過來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理并生成圖像并對數(shù)據(jù)進行保存，復雜的數(shù)字濾波程序?qū)⒃谏衔粰C中完成。

3 交流阻抗測試的實現(xiàn)

交流阻抗測量的方法很多，主要有頻率域和時間域測試兩類。本設(shè)計采用頻域法中的自動頻率響應分析方法。自動頻率響應分析采用了相關(guān)濾波技術(shù)，使數(shù)字技術(shù)可以在較寬的頻率范圍內(nèi)進行測試。相關(guān)濾波技術(shù)是由信號發(fā)生器產(chǎn)生的小幅值正弦交流信號激勵被測系統(tǒng)，通過鎖相放大器技術(shù)測量被測信號基波成分的實部和虛部，然后經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成幅度與相角(其原理圖見圖2)。頻率響應檢測儀把被測信號同時與相互正交的兩個同步參比信號關(guān)聯(lián)，這兩個同步的參比信號一個稱為在相的，用正弦波sin(nωt)來表示，另一個是正交的，用余弦波cos(nωt)來表示。被測信號為S(t)（如式(1)，則阻抗的實部和虛部可通過兩個積分式(2)、(3)分別測得[7]：

式中：n為噪聲分量。

圖2 自動頻率響應原理圖

4 微弱信號的處理

為了提取正確的有用信號，提高實驗精度，必須對采樣數(shù)據(jù)進行處理，以消除噪聲的干擾。在本設(shè)計中為了消除噪聲的干擾，采取了兩個措施：硬件濾波和數(shù)字濾波。硬件濾波主要是在電路中增加硬件濾波設(shè)計，數(shù)字濾波考慮到信號的時域與頻域特性，根據(jù)不同的情況擬采用兩種不同的數(shù)字濾波方法。當信號頻率在10kHz～100kHz范圍時，需要一種快速簡便的濾波方法，采用五點三次平滑法，在上位機中進行編程實現(xiàn)；當信號在100Hz～10kHz范圍時，采用小波變換進行濾波，在上位機中進行編程實現(xiàn)；當信號低于1kHz時，采用32位ADC芯片自帶數(shù)字濾波模塊，該數(shù)字濾波模塊可通過編程選擇Sinc+FIR+IIR濾波的不同組合方式，其中FIR濾波方式可編程設(shè)置為線性或最小相位響應，此時在下位機程序中編程實現(xiàn)濾波。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計的電化學工作站是一套多功能、高精度電化學工作站，充分考慮到精度、檢測速度等方面因素，采用多種硬件軟件處理方法，去除各種干擾，使信號的可信度得到很大的提高。由于采用了最新精密電路與元器件，相對于已經(jīng)上市的儀器具有不可比擬的優(yōu)勢，經(jīng)軟硬件初步調(diào)試證明了所設(shè)計的軟硬件系統(tǒng)的可行性，為進一步開發(fā)與實際應用奠定了一定的基礎(chǔ)。

[1]劉洋.基于FPGA/ARM平臺的高性能電化學工作站設(shè)計[D].武漢:華中科技大學,2013.

[2] 徐偉光.綜合電化學工作站硬件設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱工業(yè)大學,2006.

[3]楊晶晶,劉巖.基于AT89C52單片機的超低頻信號發(fā)生器設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2011,04:29-31.

[4]王兆雨,吳效明,劉仲明.基于C8051F020 的三電極電化學檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國醫(yī)學物理學雜志,2013,30(1).

[5]Yr. Fu.Measurement of the maximum charge and discharge powers of a nickel/metal hydride battery for hybrid electric vehicles.Power Sources.1998,75(1).