电化学工作站毕业设计.docx

1、电化学工作站毕业设计电化学工作站毕业设计绪 论1.1 研究背景电化学工作站是电化学测量系统的简称，是电化学研究和教学中重要的测量设备，主要用于控制和监测电化学池中的电极的电位和电流的变化。电化学工作站在电化学机理、物质的定性定量分析、缓蚀剂评价、化学传感器、电池和电镀研究等领域有重要的应用。因此，研发功能强大、高性能、具有友好界面的电化学工作站具有广阔的前景。1.2 国内外研究现状早在20世纪50年代，电化学的测试技术就在国外得到发展。国内在20世纪八、九十年代才开始设计、制作电化学工作站1。20世纪80年代,江苏电分析仪器厂与中国科学技术大学合作研制和生产了我国的第一代电化学工作站 2；20

2、07年，哈尔滨理工大学的关星采用DSP作为处理器制作了一台电化学工作站，使用RS232转以太网接口完成DSP与PC机的数据通讯3；但由于通讯接口是232转以太网接口，所以通讯速率受到RS232协议的限制，通讯速率较低,大多是几十Kb/S；2009年，西安理工大学的杨晶晶研制的电化学工作站采用ARM7作为处理器，功耗更低，但ARM7的速度、功耗、性能远不如STM32系列的芯片。；2011年，第二炮兵工程学院的杨晶晶、罗正文、刘岩、慕晓刚采用AT89C52单片机研制的电化学工作站，采用RS232接口传输数据4。AT89C52是8位低性能单片机，已不能满足现代的实验科研的任务要求。1.3 本论文研究

3、的内容、目的及意义现在商品化的电化学工作站大多基于8位低性能单片机，少数使用DSP作为主控制器，ARM的STM32系列单片机是较新的高性能32位微处理器，使用ARM系统作为主控系统能极大的提升电化学工作站的性能，使用USB技术进行数据传输能进一步提升电化学工作站的性能，目前对于基于ARM系统的基于USB技术的电化学工作站的研究还较少。STM32系列的单片机具有速度快、功耗低、内存大等优点。本论文的内容主要有3个方面：第一点，在下位机的控制电路方面，我们用较新的32位高性能ARM微处理器代替大多数使用的8位低性能单片机。本论文使用的是意法半导体公司的微处理器STM32F103C8T6，这是32位

4、的处理器，使用Cortex -M3内核，主频可以达到72MHz，64K的flash，20K的SRAM，片内资源丰富，包含多种常用的芯片通信接口，12位的AD，1us转换时间（多达16个输入通道），综合性能相比于8位单片机提升不少。芯片的丰富的片内资源使得控制电路的相关电路简洁，复杂程度减小，这样可以提高整个系统的可靠性，同时也简化了电路的设计。对于使用DSP的电化学工作站，使用ARM微处理器代替DSP可以减少成本、降低研发难度，把相应的复杂的数字信号处理的内容由计算机完成，使电化学工作站的模块工作合理，提升整体的性能。第二点，我们使用USB技术代替RS232串口进行数据传输。本论文使用USB2

5、.0接口，使用USB1.1版本的协议，最大传输速率12M/S，比传统的RS232串口的传输速度大。USB即插即用的功能使得电化学工作站的使用方便，USB数据传输的机制使我们的电化学工作站的数据传输可靠性提高。RS232变得不再流行，但是USB在微型计算机的应用变得流行，这使得在实验室中搭建大的电化学工作站的相关测试系统变得方便。第三点，我们使用VS2010环境编译生成上位机软件。VS2010是目前最流行的Windows平台应用程序开发环境。支持开发面向Windows 7的应用程序。使用Windows 7系统的微型计算机增多，传统的编译环境如VC+是不支持Windows 7的，能提供支持Wind

6、ows 7系统的软件变得重要。本论文研究的意义是：使用意法半导体公司的32位高性能ARM芯片STM32F103C8T6作为的主控制器，极大地提升了电化学工作站的性能；使用USB技术进行数据传输使得下位机与PC上位机的数据传输变得快速，USB即插即用的特点使得电化学工作站的使用更方便；上位机的编译使用的是VS2010编译环境，使得生成的软件能较好的兼容流行的Win7操作系统。电化学工作站系统总体设计2.1 引言电化学工作站是一种技术综合性较强的设备，完成一台完整的电化学工作站的设计需要电子技术、计算机技术、EDA技术、电化学等多种技术及学科。本章将主要介绍电化学工作站的工作原理和系统的结构。2.

7、2 电化学工作站的原理电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生的变化的科学。从电化学学科的产生到现在，已形成了合成电化学、量子电化学、半导体电化学、有机导体电化学、光谱电化学、生物电化学等多个分支。电化学在化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、金属腐蚀与防护、环境科学等科技领域获得了广泛的应用。当前世界上十分关注的研究课题, 如能源、材料、环境保护、生命科学等等都与电化学以各种各样的方式关联在一起。电化学测试是使用电化学测试设备给被测系统施加激励，使用电化学测试设备检测被测系统的响应，之后进行数据分析，得到系统的特性，达到研究被测系统的目的。电化学工作站便

8、是其中的电化学测试设备。电化学工作站是电化学测量系统的简称，是电化学研究和教学中重要的测量设备，电化学工作站的本质是用于控制和监测电化学池中的电流、电位及其它电化学参数变化的仪器设备5。电化学工作站的系统组成结构图如图2-1所示。图2-1 电化学工作站的系统组成结构图下位机由主控制电路、电化学参数测试电路、电源电路等组成。接口技术是以实现数据的双向快速、准确的传输为目的，常用的是RS232串口、RS458、CAN总线、USB技术等接口技术，传统的电化学工作站的接口技术使用的是RS232串口，传输速率低。 上位机的主要功能是利用计算机强大的计算能力分析数据，提供一个友好的软件界面能使研究者使用电

9、化学工作站更方便，这也是以人为本的设计思想的体现。计算机只要有Windows 7操作系统、USB接口，就可以使用我们研制的电化学工作站，可以是普通的微型计算机，也可以是小型计算机，还可以是大型的计算机。我们制作的电化学工作站的主控制电路主要实现控制下位机的运行、控制产生需要的激励信号、控制测试参数、控制数据传输的功能。电化学参数测试电路包括恒电流仪、恒电位仪及其它测试系统。恒电流仪：是一种重要的腐蚀检测和电化学测量仪器，在电极过程动力学、电分析、电解、电镀、金属相分析、金属腐蚀速度测量和各种腐蚀和防腐蚀研究，以及电化学保护参数测试等方面具有广泛的用途6。恒电流仪能单独使用，也能配合其他仪器如信

10、号发生器、直流示波器、对数转换器等进行多种动态和静态、暂态和稳态的试验测量，适用于不同的科研研究、教学试验和新产品开发及各种测量。恒电位仪：是随着环境条件的变化能自动地调整电流，使被控对象的电位保持恒定的仪器。恒电位仪整体说是一个负反馈放大输出系统，与被保护极构成闭环调节，通过参比电极测量通电点电位，作为取样信号与控制信号进行比较，实现控制并调节极化电流输出，使通电点电位得以保持在设定的控制电位上。三电极系统：三电极系统的示意图如图2-2所示。 图2-2 三电极系统示意图三电极系统是电化学测量应用中常用的一种系统结构，主要包含工作电极（working electrode,WE）、辅助电极(co

11、unter electrode,CE)、参比电极(reference electrode,RE)7。三电极系统主要研究的是工作电极的电极过程。由于电解液是有电阻、电容、电感的，所以三电极系统可以用图2-3的电路进行模拟。图2-3 三电极系统模拟电路图这样，三电极系统便可以用两个回路来描述。由工作电极、辅助电极、电源组成的回路是用来传输电子，使工作电极产生相应的电化学反应的，由工作电极、参比电极组成的回路是用来测试工作电极的电位的7。三电极系统是由两个电极系统发展而来的，常用的还有四电极系统及其它的多电极系统。两个电极系统是指只有工作电极、辅助电极的系统，由于在进行电化学测试时工作电极的电位及辅

12、助电极的电位是变化的，所以所测的参数在一定范围内是变化的，在这个两个电极系统加入一个电极电位不变的参比电极就可以精确地测量工作电极、辅助电极的电位了。参比电极的作用是可以提供一个稳定的电极电位。2.3 电化学工作站下位机的系统结构我们设计、制作的电化学工作站下位机的系统结构如图2-4所示。图2-4 电化学工作站下位机的系统结构图下位机系统包括ARM及相关电路如USB接口、频率计、脉宽调制控制(PWM)、模数转换器(AD)、数模转换器(DA)。USB接口模块：我们使用的是常见的USB2.0的A型接口，实物图如图2-5所示。图2-5 USB的A型接口图程序的编写是依照USB1.1版本的协议，设备设

13、置为全速的自定义HID类设备，传输速率64KB/S。USB连接线可以使用普通的屏蔽USB线，长度在几米之内。相关的原理图在第三章介绍，相关的程序在第五、六章介绍。ARM模块：使用STM32F103C8T6作为主控制器。频率计模块：频率计功能的实现主要使用主控制器的片内定时器及中断，相关电路的介绍在第三章，相关程序的介绍在第五章。PWM模块：PWM即脉宽调制，原理是利用电路调节多谐波的占空比，以此实现对其他电路参数的调节，达到控制其它电路的目的。PWM电路广泛使用在调光电路、电调电路及其它方面。本论文研究使用主控芯片的片内PWM模块，相关电路的介绍在第三章，相关程序的介绍在第五章。PWM波形图如

14、图2-6所示。图2-6 PWM波形图AD：即模数转换器，功能是把模拟信号转换为数字信号，我们设计、制作的样机使用主控制芯片的片内12位AD，转换速率可达几百K/S。相关电路的介绍在第三章，相关程序的介绍在第五章。DA：即数模转换器，功能是把相应的数字信号转换为模拟信号。我们设计、制作的样机使用的是TI公司的16位高精度数模转换芯片DAC8830，2.7V-3.5V单电源供电，低噪声，转换时间1uS，使用50MHz的快速SPI接口。本论文研究使用3.3V电源，使接口的电平与主控制器的电平兼容。2.4 本章小结本章主要介绍了电化学工作站的基本原理及结构，及一些问题，针对这些问题提出了相应的解决方法

15、，还有介绍了本论文主要研究的内容是用提到的方法改进电化学工作站。介绍了一些基本的定义、相关的知识。介绍了我们设计、制作的样机的结构、原理、芯片的选型、设计的原理。下位机的硬件设计3.1 引言第二章介绍了电化学工作站的相关知识，本章主要介绍我们改进的电化学工作站的主控制电路的设计及原理。电路原理图的绘制使用PROTEL 99 SE软件，本章的电路原理图是为了介绍电路原理单独绘制的，与实际的电路原理图有一些不同。3.2 各模块电路的设计本节主要介绍USB接口的电路原理图、数模转换电路的原理图、模数转换电路的原理图、PWM模块的电路原理图、频率计电路模块的电路原理图、电源模块的电路原理图、ARM最小

16、系统的电路原理图设计。3.2.1 USB接口设计USB接口的电路原理图如图3-1所示。图3-1 USB接口设计电路原理图USB_PORT的线序是USB电源线、数据线DM、数据线DP、地线按1、2、3、4的顺序排列。R1、R2是限流电阻，限制数据线DM、数据线DP的电流，保护主机相关的芯片，保护设备相关的芯片。R5是上拉电阻，按照USB协议，12MHz的全速设备需在USB_DP引脚接1.5K的上拉电阻使PC机能识别USB接口的热插拔、速率大小。上拉电阻需接3.3V电压，这个电压由三极管产生，R3、R4、Q1组成简单的3.3V电源电路，USB_EN的电压值是R4的电压值。按照USB协议，USB电源

17、的电流可达几百毫安，在程序中本论文设置的电流值是100mA，下位机的控制电路不使用USB电源，减小对PC机的影响。C1是高频滤波电容，滤除USB电源的高频噪声。LED用来指示USB是否连接。二极管D1用来保护电路，防止USB接反产生反向的大电流。数据DM、数据DP与主控制芯片连接，传输数据的电平信号是3.3V，传输的是差分信号，可以减小共模噪声对数据的影响。3.2.2 数模转换电路设计模数转换电路原理图如图3-2所示。图3-2 模数转换电路原理图TL431是精密的稳压器，按照图3-2的接法能在1引脚产生2.5V的基准电压，C28、C29是低频、高频滤波电容，使产生的2.5V基准电压噪声小一些。

18、C30、C49、C31是电源滤波电容，是用来减小电源的噪声的。DAC8830是16位的数模转换芯片，能产生0-VR的电压信号，VR是芯片的3引脚的电压，本论文研究使用的是2.5V的电压信号，所以DA产生的是0V-2.5V的电压。DA的带负载能力较差，需要使用放大电路进行阻抗匹配，相关的电路原理图如图3-3所示。第一个运放使用电压跟随器的形式，实现与DA连接时的阻抗匹配。R40、C70组成简单的一阶RC低通滤波器。第二个运放、R42、R31、R15组成正相放大电路，提升滤波电路的电压增益，增益不能太大，否则电路产生振荡。第三个运放还是电压跟随器的形式，增强了带负载能力，放大了电压，放大了功率。运

19、放使用OPA4330，芯片的噪声较小，失调电压较小，带宽可达几MHz，是综合DA芯片的精密程度使用的，其它的不是精密的运放的使用能使DA的精密程度降低，所以要使用性能较好的运放。图3-3 DA放大电路原理图3.2.3 频率计电路设计频率计功能是测量相关周期信号的频率，可以是正弦波、三角波、方波及其它周期信号。频率计电路原理图如图3-4所示。图3-4 频率计电路原理图R21、R22、C37、R26、C38、C39、第一个运放组成比较器电路，可以把所需要的信号变换成方波，比较所使用的电压由R2调节。R23、R24组成电压衰减电路，使第一个运放的电压衰减量为3V，第二个运放的接法是跟随器电路，用作阻

20、抗匹配。R25、C40是简单一阶RC滤波电路，用作限流、滤波。3.2.4 模数转换电路设计模数转换电路原理图如图3-5所示。AD使用主控制器片内12位AD，加上相关电路，测量电压可达30V。图 3-5 模数转换电路原理图R10、R11、C23、C24组成衰减电路，使电压衰减10倍，0V-30V的电压衰减为0V-3V，由R28、C25组成的一阶RC低通滤波电路滤波，之后由AD测量。衰减电路是一个电桥，电桥的特点是器件R10、R11、C23、C24满足条件，那么衰减量与信号的频率无关，在示波器的衰减电路中用的较多。一阶RC低通滤波电路的截止频率为： (3-1)f0应大于被测频率的5-10倍，在被测

21、信号频率范围内，增加AD相关电路的增益线性度，以上参数的f0=15.9KHz。运放的作用是阻抗匹配、放大。3.2.5 脉宽调制电路设计脉宽调制电路原理图如图3-6所示。R16、第一个运放、R17、R18、C18组成比较器电路放大主控芯片的PWM波形信号，R20可以调节波形的幅值，C35、C36是滤波电容。第二个运放的接法是电压跟随器电路，用作阻抗匹配，R19、C34用作滤波。电压可以在0V-5V调节，频率、占空比由软件调节。脉宽调制电路输出的电流可达50mA。图3-6 脉宽调制电路原理图3.2.6 ARM最小系统电路设计ARM最小系统电路原理图如图3-7、图3-8所示。图3-7是主控芯片与其它

22、模块电路的接口、电源相关的图，图3-8是晶振电路、复位电路。JP4、JP5是按键，用作复位按键。下载程序需先按下按键JP5，然后按下按键JP4，然后松开按键JP5，然后松开按键JP4，这是因为依据主控芯片的数据手册，使用串口下载程序时BOOT0需是高电平，然后复位后，程序通过芯片的串口1下载到芯片中。第一个图的BOOT1引脚，在下载程序到flash中时，需用线连接到地。我们选用的这个芯片具有两组16位的I/O口，为PA口、PB口。这些引脚大多具有多个功能，不同的功能引脚所选的输出方式是不同的，输出方式的选择是由主控芯片的软件控制的。这些引脚的电平是3.3V电平，与其它芯片连接时需选用相同的电平

23、的芯片。有些引脚是可以连接5V的电平的，具体内容在数据手册有详细的介绍。晶体振荡电路的晶体振荡器是8MHz的，这样在主控芯片的锁相环倍频后可以是系统时钟达到72MHz。主控芯片的片内的设备的时钟是需要软件控制的，片内设备的时钟与系统时钟的连接图在相应的数据手册中有详细的介绍。图3-7 ARM最小系统电路原理图1图3-8 ARM最小系统电路原理图23.2.7 电源电路设计电源电路包括4个部分，电路原理图如图3-9、图3-10、图3-11、图3-12所示。图3-9 电源电路原理图1图3-10 电源电路原理图2图3-11 电源电路原理图3图3-12 电源电路原理图4图3-9中，二极管D3是保护电源、

24、芯片的，三端稳压器7809的稳压值是9V，三端稳压器LM1117-5V的稳压值是5V，输入的12V直流电压信号经第一个图的相关电路稳压后是5V的电压。图3-10中，三端稳压器芯片LM1117-3.3V的稳压值是3.3V。R46是限流电阻，限制LED的电流，保护LED。LED使用普通的LED，驱动电流小于5mA。图3-11中，220V交流市电经热熔丝后由变压器把220V的电压变为15V，然后由D1、D2、D3、D4组成的整流桥整流为直流电压，依据傅里叶频谱分析的内容，这个直流电压包含交流电压的波形，需滤波电路进行滤波，我们使用全桥整流提升整流效率。采用桥式整流器优点：使用元件少，变压器利用率和整

25、流效率较高，输出波纹较小，波纹电压的基本频率为网电压频率的2倍。滤波电容的值与电源的功率、电压的频率相关。理论上滤波电容的电容值大，滤波较好，能提升电源性能，大滤波电容的低频性能较好。图3-12中，直流电压需三端可调稳压芯片稳压，三端可调稳压芯片LM317输出的电压由可调电阻R1调节，二极管D5、D6是用作保护功能，保护稳压芯片。电压稳压后是1.25V-12V可调的，电压的调节需调节电阻R1。电源的电路原理图中的电容都是用作滤波的。使用三端稳压器芯片可以简化电路原理图、提升电路的性能。R12、R13、R14是0的电阻，用作电源调试的电阻。集成稳压器优点：稳压性能好，提升可靠性，组装和调试方便，

26、能获得高的稳压精度。3.3 本章小结本章主要介绍了下位机主控电路的各模块的电路原理图、原理、作用，以及器件的参数的意义等内容。我们使用这样的设计能满足在工业环境及实验室的环境中减少噪声信号对整个系统的影响，提升整个系统的测量精度。USB接口技术4.1 引言本章将主要介绍USB接口协议的内容，主要介绍USB基础类中的人机接口类（Human Interface Device，HID）的内容、特点，以及在界面中实现的方法、在主控芯片实现相关功能的方法。4.2 USB接口技术简介通用串行总线(Universal Serial BUS，USB)是一个外部总线标准，是用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，是

27、应用在PC领域的接口技术8。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。从1994年底发表了USB V0.7版本以后，经历了多年的发展，USB已经发展为3.0版本，成为当前电脑中的标准扩展接口。当前主板中主要是采用USB1.1和USB2.0，各USB版本间能很好的兼容。USB具有传输速度快（USB1.1是12Mbps，USB2.0是480Mbps,USB3.0是5 Gbps），使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、MP3、手机、数码相机、移动硬盘、光驱、US

28、B网卡、Modem等设备。USB接口可用于连接多达127个外设。图4-1 USB的速率与相关特点USB自从1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。USB不同的速率对应于不同的应用、特点如表4-1所示。PERFORMANCE是性能，APPLICATIONS是应用，ATTRIBUTES是特点。USB1.1设备可以和USB2.0设备通用，但是这时USB2.0设备只能工作在全速状态下(12Mbit/s)。本论文研究使用的是USB1.1版本的规范协议。拓扑结构：USB系统的拓扑结构是级联星型拓扑结构，该拓扑结构由三个基本部分组成：主机(Host)，集线器

29、(Hub)和功能设备。数据传输类型：USB支持四种基本的数据传输模式：控制传输，同步传输，中断传输及批量传输，不同的模式有不同的性质9。控制传输模式：是外设与主机之间的控制，状态，配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设之间就可以传送配置和命令、状态信息。同步传输模式：同步传输模式是同步数据的建立、传送和使用时是连续且实时的，以稳定的速率传输和接收实时的数据，同步数据要使接收者与发送者保持相同的时间安排，除了传输速率，同步数据对传送延迟非常敏感。所以同步通道的带宽必须满足对相关功能的相关特性。相关的应用如USB声卡、USB摄像头。音频信号、

30、视频信号是实时的、同步的，所以是同步传输模式。中断传输模式：中断传输的数据是可以在任何时刻传输的，没有时间限制，数据量小。根据中断传输模式的特点，本论文研究使用中断传输模式。批量传输模式：批量传输模式的数据是由大量的数据组成，对时间的延迟不敏感，只对数据的完整性、正确性有要求，使用错误检测保证可靠的数据传输，并在硬件级上引入了数据的多次传送。根据其它一些总线动作，被大量数据占用的带宽可以相应的进行改变。批量传输模式的应用如打印机，大容量存储器。USB的数据传输的模型如图4-2所示。实际应用我们使用的是主机（Host）软件与设备进行数据传输，但数据的传输顺序是：主机软件-USB系统软件-USB主

31、机的相关电路-USB线-设备USB相关电路-设备USB驱动-设备应用软件。所以，使用USB传输数据需主机软件、USB系统软件、USB主机的相关电路、USB线、设备USB相关电路、设备USB驱动、设备应用软件。主机软件控制的是USB接口，USB系统软件控制USB主机的相关电路，USB主机的相关电路控制实际数据的传输，设备的USB相关电路控制实际数据的传输，设备USB驱动程序控制USB设备相关的电路，设备应用软件控制数据的处理。图4-2中，Host是主机，Interconnect是连接，Physical Device是物理设备。图4-2 USB的数据传输的模型图4.3 HID类的特点为简化USB设

32、备的开发过程，USB提出了设备类的概念。USB标准类是应用于接口的，设备可以包括多个接口，接口可以包括多个端点，数据是使用端点传输的。所有设备类都必须支持标准USB描述符和标准USB设备请求，设备类还可以自行定义自定义的描述符和设备请求，这分别被称为设备类定义描述符和设备类定义请求10 _12。HID是Human Interface Device缩写，人机交互设备，例如键盘、鼠标等。只要符合HID类规范的设备都是HID设备。HID设备既可以是低速设备也可以是全速设备，它适用于主机接收USB设备发来的小量到中等量的数据。HID具有以下的功能特点：适用于传输少量或中量的数据；传输数据的时间任意；传输速率小于最大传输速率。对于USB 设备来说，最重要