基于K60的電化學工作站設計

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展，電化學方法在生命科學、物理學、新能源、新材料、環境學科中被大量應用，電化學測量技術作為一類試驗方法和研究手段已經廣泛被用于各種行業，研究者在各個領域通過電化學測量技術進行相關研究[1]。電化學測量方法眾多，利用計算機、數字處理技術（微控制器、DSP 等數字處理芯片）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合在一起，是一套完整的、數字化的、電化學體系的監測分析設備。它可以實現基本測試功能，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，從而完成多種狀態下電化學體系的參數跟蹤和分析[2]。

1 硬件設計

電化學工作站系統的硬件主要包括四大部分：產生所需激勵信號的信號發生器，高精度的恒電位儀(恒電流儀)，數據采集部分及數據工作站(PC機)。這四部分配以電解池，可實現對電化學系統中電流、電位等信號進行控制和測量。根據該設備的基本功能和基本組成及當今電子科技的現狀，可以初步確定電化學工作站的基本硬件結構，如圖1所示。

圖1 硬件結構框圖

本系統的搭建考慮到一下幾點：第一，由于實驗室儀器所用數據工作站多用筆記本電腦，而大多數筆記本電腦沒有串行接口，因此增加了USB轉串口模塊，儀器可以直接通過USB接口與電腦交換數據；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，增加直接數字式頻率合成器（DDS）來產生高頻的正弦信號，頻率范圍為1kHz～3MHz；第四，本系統需要外擴32位高精度的AD轉換模塊；第五，由于AD轉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計至關重要。

1.1 D/A轉換模塊

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

1.2 A/D轉換模塊

文中采用兩套數據采集模塊進行數據采集，一套擬采用32位Δ-Σ模數轉換芯片進行數據采集模塊的設計；一套擬采用18位模數轉換芯片進行數據采集模塊的設計。

2 軟件設計

整個電化學工作站的軟件設計分為兩大部分：上位機軟件設計，下位機軟件設計。其中，下位機的程序設計需要在硬件電路設計的基礎上來進行程序設計；上位機可直接考慮數據格式、功能模式等來進行程序設計而忽略硬件結構。

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，執行該命令，并清除cf標志位；如不正確，要求重發；若三次接收錯誤，報警。最后根據接收到的命令，執行相應的功能程序。

2.1.2 串口接收中斷服務程序

接收串口中斷服務程序用于接收上位機傳送的命令，假設命令長度為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計。Microsof t Visual Studio是美國微軟公司的開發工具包系列產品。它是一個完整的開發工具集，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計，它是一種面向對象的編程語言。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的創建與保存、實驗方法與參數的設置等工作。上位機需要將命令通過串口發送給下位機，并接收下位機傳送過來的數據，對數據進行數據處理并生成圖像并對數據進行保存，復雜的數字濾波程序將在上位機中完成。

3 交流阻抗測試的實現

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濾波技術，使數字技術可以在較寬的頻率范圍內進行測試。相關濾波技術是由信號發生器產生的小幅值正弦交流信號激勵被測系統，通過鎖相放大器技術測量被測信號基波成分的實部和虛部，然后經過坐標轉換器轉換成幅度與相角(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聯，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，必須對采樣數據進行處理，以消除噪聲的干擾。在本設計中為了消除噪聲的干擾，采取了兩個措施：硬件濾波和數字濾波。硬件濾波主要是在電路中增加硬件濾波設計，數字濾波考慮到信號的時域與頻域特性，根據不同的情況擬采用兩種不同的數字濾波方法。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；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；當信號低于1kHz時，采用32位ADC芯片自帶數字濾波模塊，該數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濾波方式可編程設置為線性或最小相位響應，此時在下位機程序中編程實現濾波。

5 結論

本文所設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，相對于已經上市的儀器具有不可比擬的優勢，經軟硬件初步調試證明了所設計的軟硬件系統的可行性，為進一步開發與實際應用奠定了一定的基礎。

[1]劉洋.基于FPGA/ARM平臺的高性能電化學工作站設計[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計與實現[D].哈爾濱工業大學,2006.

[3]楊晶晶,劉巖.基于AT89C52單片機的超低頻信號發生器設計[J]. 現代電子技術,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設計[J].中國醫學物理學雜志,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).