基于K60的电化学工作站设计

北京工商大学材料与机械工程学院 霍亮生 郁子仪 张书艺 李成龙

随着电化学理论的不断完善和发展，电化学方法在生命科学、物理学、新能源、新材料、环境学科中被大量应用，电化学测量技术作为一类试验方法和研究手段已经广泛被用于各种行业，研究者在各个领域通过电化学测量技术进行相关研究[1]。电化学测量方法众多，利用计算机、数字处理技术（微控制器、DSP 等数字处理芯片）包含多种电化学分析测试方法的电化学工作站可以使电化学测量分析变得方便、快捷及精确。电化学工作站将恒电位仪、恒电流仪和电化学交流阻抗分析仪有机地结合在一起，是一套完整的、数字化的、电化学体系的监测分析设备。它可以实现基本测试功能，如动电位扫描、动电流扫描、电化学交流阻抗测量，也可以做到基于这三种基本实验的复杂实验，从而完成多种状态下电化学体系的参数跟踪和分析[2]。

1 硬件设计

电化学工作站系统的硬件主要包括四大部分：产生所需激励信号的信号发生器，高精度的恒电位仪(恒电流仪)，数据采集部分及数据工作站(PC机)。这四部分配以电解池，可实现对电化学系统中电流、电位等信号进行控制和测量。根据该设备的基本功能和基本组成及当今电子科技的现状，可以初步确定电化学工作站的基本硬件结构，如图1所示。

图1 硬件结构框图

本系统的搭建考虑到一下几点：第一，由于实验室仪器所用数据工作站多用笔记本电脑，而大多数笔记本电脑没有串行接口，因此增加了USB转串口模块，仪器可以直接通过USB接口与电脑交换数据；第二，由于K60自带的12位DAC模块精度不能满足要求，需要24位的DA转换模块来提供频率小于1kHz的方波、三角波等激励信号；第三，为完成交流阻抗分析功能，增加直接数字式频率合成器（DDS）来产生高频的正弦信号，频率范围为1kHz～3MHz；第四，本系统需要外扩32位高精度的AD转换模块；第五，由于AD转换芯片的输入端需为电压信号，因此需要配套阻抗变换电路；第六，电化学工作站大部分功能的核心在于恒电位仪，因此恒电位仪的电路设计至关重要。

1.1 D/A转换模块

如将电化学仪器配以方波、三角波或正弦波发生器，就可使电极电位按照给定的波形发生变化，从而研究电化学体系的各种暂态行为。如果配以慢速的线性扫描信号或阶梯波信号，则可自动进行稳态或准稳态极化曲线的测量[3]。本系统具有两套信号发生器模块，一套采用24位DAC芯片产生精密的方波、三角波及慢速的线性扫描信号或阶梯信号；一套采用直接数字式信号合成器（DDS）产生高频激励信号。

1.2 A/D转换模块

文中采用两套数据采集模块进行数据采集，一套拟采用32位Δ-Σ模数转换芯片进行数据采集模块的设计；一套拟采用18位模数转换芯片进行数据采集模块的设计。

2 软件设计

整个电化学工作站的软件设计分为两大部分：上位机软件设计，下位机软件设计。其中，下位机的程序设计需要在硬件电路设计的基础上来进行程序设计；上位机可直接考虑数据格式、功能模式等来进行程序设计而忽略硬件结构。

2.1 下位机软件

编写下位机软件，首先需要确定程序流程，其中主程序与串口中断服务程序的程序流程较为主要。确定了程序流程后，可用Freescale CodeWorrier软件对下位机程序进行编写。

2.1.1 主程序

主程序程序首先对IO口、串行接口、定时器、内部及外扩AD以及DA进行初始化。其次，打开串行接口接收中断，判断标志位cf，若等于1，说明命令接收完成，判断命令接收是否正确，如正确，执行该命令，并清除cf标志位；如不正确，要求重发；若三次接收错误，报警。最后根据接收到的命令，执行相应的功能程序。

2.1.2 串口接收中断服务程序

接收串口中断服务程序用于接收上位机传送的命令，假设命令长度为n，首先接收起始字符，接收完成后，开始顺序接收命令的每个字符，直至接收完第n个字符，开始接收终止字符，终止字符接收完成时，将标志位cf置1。

2.2 上位机软件

本文采用Micr osof t Visual Studio 2010来进行上位机软件的设计。Microsof t Visual Studio是美国微软公司的开发工具包系列产品。它是一个完整的开发工具集，包括了整个软件生命周期中所需的大部分工具。本文采用C#语言来进行上位机软件设计，它是一种面向对象的编程语言。用户界面要以简介、易操作为编程核心，用户可以通过人机交互界面完成任务的创建与保存、实验方法与参数的设置等工作。上位机需要将命令通过串口发送给下位机，并接收下位机传送过来的数据，对数据进行数据处理并生成图像并对数据进行保存，复杂的数字滤波程序将在上位机中完成。

3 交流阻抗测试的实现

交流阻抗测量的方法很多，主要有频率域和时间域测试两类。本设计采用频域法中的自动频率响应分析方法。自动频率响应分析采用了相关滤波技术，使数字技术可以在较宽的频率范围内进行测试。相关滤波技术是由信号发生器产生的小幅值正弦交流信号激励被测系统，通过锁相放大器技术测量被测信号基波成分的实部和虚部，然后经过坐标转换器转换成幅度与相角(其原理图见图2)。频率响应检测仪把被测信号同时与相互正交的两个同步参比信号关联，这两个同步的参比信号一个称为在相的，用正弦波sin(nωt)来表示，另一个是正交的，用余弦波cos(nωt)来表示。被测信号为S(t)（如式(1)，则阻抗的实部和虚部可通过两个积分式(2)、(3)分别测得[7]：

式中：n为噪声分量。

图2 自动频率响应原理图

4 微弱信号的处理

为了提取正确的有用信号，提高实验精度，必须对采样数据进行处理，以消除噪声的干扰。在本设计中为了消除噪声的干扰，采取了两个措施：硬件滤波和数字滤波。硬件滤波主要是在电路中增加硬件滤波设计，数字滤波考虑到信号的时域与频域特性，根据不同的情况拟采用两种不同的数字滤波方法。当信号频率在10kHz～100kHz范围时，需要一种快速简便的滤波方法，采用五点三次平滑法，在上位机中进行编程实现；当信号在100Hz～10kHz范围时，采用小波变换进行滤波，在上位机中进行编程实现；当信号低于1kHz时，采用32位ADC芯片自带数字滤波模块，该数字滤波模块可通过编程选择Sinc+FIR+IIR滤波的不同组合方式，其中FIR滤波方式可编程设置为线性或最小相位响应，此时在下位机程序中编程实现滤波。

5 结论

本文所设计的电化学工作站是一套多功能、高精度电化学工作站，充分考虑到精度、检测速度等方面因素，采用多种硬件软件处理方法，去除各种干扰，使信号的可信度得到很大的提高。由于采用了最新精密电路与元器件，相对于已经上市的仪器具有不可比拟的优势，经软硬件初步调试证明了所设计的软硬件系统的可行性，为进一步开发与实际应用奠定了一定的基础。

[1]刘洋.基于FPGA/ARM平台的高性能电化学工作站设计[D].武汉:华中科技大学,2013.

[2] 徐伟光.综合电化学工作站硬件设计与实现[D].哈尔滨工业大学,2006.

[3]杨晶晶,刘岩.基于AT89C52单片机的超低频信号发生器设计[J]. 现代电子技术,2011,04:29-31.

[4]王兆雨,吴效明,刘仲明.基于C8051F020 的三电极电化学检测系统设计[J].中国医学物理学杂志,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).