基于USB接口的電化學(xué)沉積儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究
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智能儀器自動化程度的提高為科學(xué)研究提供了十分方便的實驗手段。電化學(xué)沉積儀器是由PC機控制的全自動的恒電位儀、恒電流儀及恒電位脈沖試驗儀的集合體。相對于手動的設(shè)備而言更為先進(jìn)，功能更強大，試驗精度更高。具體工作時，儀器按照用戶設(shè)定的實驗類型執(zhí)行具體的試驗，同時采集系統(tǒng)實時的電壓和電流信號。采集到的信號，由儀器內(nèi)置的微處理器解析后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號反饋到上位機(PC機)。上位機的儀器數(shù)據(jù)處理軟件，具有強大的解析功能，可以對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析，得到研究體系的詳細(xì)信息。
在PC機控制的系統(tǒng)中，常采用通用串行總線(USB)進(jìn)行通信。因為基于USB總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有安裝方便、可靠性高、數(shù)據(jù)不易丟失、抗干擾能力強、便于數(shù)據(jù)傳輸和處理等優(yōu)點，它已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕厔?。隨著USB應(yīng)用的日益廣泛，ATmel，Intel，ScanLogic，Cypress和Phillps等芯片廠商都推出了嵌入MCU的USB控制器。這些微控制器功能強，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡單，調(diào)試方便，電磁兼容性好。
因此，本文設(shè)計的電化學(xué)沉積智能試驗儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了ATmel公司最新推出的處理器MCUAT90USB1287。該MCU內(nèi)置有符合USB 2．O規(guī)范的接口。在該系統(tǒng)中，MCU承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集和USB數(shù)據(jù)通信的雙重任務(wù)。
1 USB采集系統(tǒng)的設(shè)計
1．1 電化學(xué)沉積試驗儀工作原理
該儀器設(shè)置了三種實驗方式：恒電位、恒電流以及脈沖電位試驗。恒電位試驗，即工作電極的電位(相對于參比電極)保持恒定，而電流可能發(fā)生變化的試驗類型。恒電流試驗就是通過工作電極的電流保持不變，而其電位可能發(fā)生變化的試驗類型。脈沖電位試驗要求工作電極的電位是以某一形式的脈沖存在，具體通過改變其脈沖幅度和占空比實現(xiàn)。
電化學(xué)沉積儀器控制與采集方框圖如圖1所示。
當(dāng)控制計算機對儀器實驗類型和參數(shù)值進(jìn)行預(yù)置時，AVR單片機把設(shè)定的類型和預(yù)置的數(shù)值送到液晶顯示器顯示，同時作為電流源或者電壓源的設(shè)定值通過D／A轉(zhuǎn)換輸出，并作為參考信號提供給控制電路。當(dāng)用戶選擇恒流實驗時，I-V轉(zhuǎn)換模塊把從檢測電路得到的工作電極的電流值轉(zhuǎn)換成其相應(yīng)的電壓信號，該信號和D／A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓控制信號構(gòu)成電壓偏差，由PID控制器將按其比例、積分、微分運算后，通過線性組合構(gòu)成控制量，從而達(dá)到通過負(fù)載的電流恒定的目的。當(dāng)選擇恒電位試驗時，從D／A輸出的電壓信號和檢測電路部分得到的電壓信號構(gòu)成的偏差量，經(jīng)過PID控制器使輸出信號加在參比電極和工作電極之間，通過PID控制器對參數(shù)的調(diào)整使兩者之間的電壓恒定。當(dāng)進(jìn)行脈沖實驗的時候，單片機通過調(diào)整輸出脈沖波形經(jīng)過PID控制器輸出給負(fù)載。與此同時，不同試驗方式下工作電極中的電流、電壓及脈沖電壓信號經(jīng)A／D采樣之后由USB接口發(fā)往上位機進(jìn)行顯示。
1．2 電化學(xué)沉積試驗儀數(shù)據(jù)采集硬件組成
電化學(xué)沉積試驗儀器的數(shù)據(jù)采集硬件包括：采集電壓信號的A／D轉(zhuǎn)換器，控制試驗設(shè)定值的PID控制器，提供PID控制器信號輸入的16位D／A轉(zhuǎn)換器，帶有USB模塊的MCIJ以及PC控制終端等，如圖2所示。
該采集系統(tǒng)的采集信號包括陰極電位和電流信號采集。電流信號的采集通過采集檢測電阻兩端的電壓信號得到。當(dāng)進(jìn)行恒電位和脈沖電位試驗時，A／D轉(zhuǎn)換器可以通過采集參比電極和工作電極的電勢差獲得電壓信號。類似地，當(dāng)進(jìn)行恒電流試驗時，電流信號是通過I-V跨阻放大器得到的。
AD7794比傳統(tǒng)的高分辨率轉(zhuǎn)換器更能抑制噪聲干擾。它的數(shù)字濾波器可抑制電源電壓上的寬帶噪聲，并去除來自模擬輸入和參考輸入的噪聲。在該儀器系統(tǒng)中，需要測量的電壓和電流信號的電路接法如圖3所示。利用AIN1采集參比電極和陰極之間的電壓信號，利用AIN2通道采集溶液體系的電流信號。Rf是跨導(dǎo)電阻，對于電流信號的檢測是通過I-V變換電路來實現(xiàn)的。
使用高分辨率ADC時，電源和地的去耦設(shè)計是至關(guān)重要的。為此供電電源VDD應(yīng)采用電容旁路技術(shù)，采用O.1μF的旁路電容并以盡可能短的路徑連接各相應(yīng)的電源和地，這樣可旁路掉高頻成分。同時，還應(yīng)并聯(lián)1個10／μF的鉭電容旁路低頻成分。所有的邏輯芯片均應(yīng)通過O.1μF陶瓷電容來退耦。
2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計
該電化學(xué)沉積試驗儀器的軟件可分為三部分，固件程序、驅(qū)動程序和終端應(yīng)用程序。
2．1 固件程序
該USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)固件所完成的任務(wù)主要有以下兩項：
(1)響應(yīng)主機USB請求，獲得系統(tǒng)配置，實現(xiàn)電化學(xué)沉積儀器與主機之間的即插即用功能；
(2)以100次／s的采樣頻率對信號進(jìn)行采樣，并把采樣得到的電壓或者電流信號傳送給USB主機。
在該USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中用到三個端口：控制端口、IN端口和OUT端口。其中，控制端口完成響應(yīng)USB標(biāo)準(zhǔn)請求的功能，IN端口用于把采集到的數(shù)據(jù)傳送給USB主機，OUT端口接收USB主機發(fā)送的控制命令。具體的軟件設(shè)計流程圖見圖4。
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