【正文】 電化學(xué)工作站畢業(yè)設(shè)計目 錄第一章 緒 論 1 研究背景 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 本論文研究的內(nèi)容、目的及意義 1第二章 電化學(xué)工作站系統(tǒng)總體設(shè)計 3 引言 3 電化學(xué)工作站的原理 3 電化學(xué)工作站下位機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5 本章小結(jié) 7第三章 下位機(jī)的硬件設(shè)計 8 引言 8 各模塊電路的設(shè)計 8 USB接口設(shè)計 8 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 9 頻率計電路設(shè)計 10 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 11 脈寬調(diào)制電路設(shè)計 11 ARM最小系統(tǒng)電路設(shè)計 12 電源電路設(shè)計 14 本章小結(jié) 15第四章 USB接口技術(shù) 16 引言 16 USB接口技術(shù)簡介 16 HID類的特點 18 USB的實現(xiàn)方法 20 ARM系統(tǒng)的USB實現(xiàn)方法 20 C++的USB實現(xiàn)方法 21 本章小結(jié) 22第五章 下位機(jī)程序設(shè)計 23 引言 23 KEIL開發(fā)環(huán)境介紹 23 USB庫介紹 25 下位機(jī)各模塊程序介紹 25 USB接口程序設(shè)計 25 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計 26 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計 28 頻率計模塊程序設(shè)計 28 脈寬調(diào)制模塊程序設(shè)計 29 本章小結(jié) 29第六章 上位機(jī)程序設(shè)計 30 引言 30 VS2010開發(fā)環(huán)境簡介 30 上位機(jī)程序的實現(xiàn)方法 31 本章小結(jié) 33第七章 總結(jié) 34 實驗及結(jié)果總結(jié) 34 本論文研究完成的工作 35 存在的問題及未來的展望 35結(jié)束語 36參考文獻(xiàn) 37附錄 39外文資料 45中文翻譯 53 天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文第一章 緒 論 研究背景電化學(xué)工作站是電化學(xué)測量系統(tǒng)的簡稱，是電化學(xué)研究和教學(xué)中重要的測量設(shè)備，主要用于控制和監(jiān)測電化學(xué)池中的電極的電位和電流的變化。電化學(xué)工作站在電化學(xué)機(jī)理、物質(zhì)的定性定量分析、緩蝕劑評價、化學(xué)傳感器、電池和電鍍研究等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。因此，研發(fā)功能強(qiáng)大、高性能、具有友好界面的電化學(xué)工作站具有廣闊的前景。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)50年代，電化學(xué)的測試技術(shù)就在國外得到發(fā)展。國內(nèi)在20世紀(jì)八、九十年代才開始設(shè)計、制作電化學(xué)工作站[1]。20世紀(jì)80年代,江蘇電分析儀器廠與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作研制和生產(chǎn)了我國的第一代電化學(xué)工作站 [2]；2007年，哈爾濱理工大學(xué)的關(guān)星采用DSP作為處理器制作了一臺電化學(xué)工作站，使用RS232轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口完成DSP與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通訊[3]；但由于通訊接口是232轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口，所以通訊速率受到RS232協(xié)議的限制，通訊速率較低,大多是幾十Kb/S；2009年，西安理工大學(xué)的楊晶晶研制的電化學(xué)工作站采用ARM7作為處理器，功耗更低，但ARM7的速度、功耗、性能遠(yuǎn)不如STM32系列的芯片。；2011年，第二炮兵工程學(xué)院的楊晶晶、羅正文、劉巖、慕曉剛采用AT89C52單片機(jī)研制的電化學(xué)工作站，采用RS232接口傳輸數(shù)據(jù)[4]。AT89C52是8位低性能單片機(jī)，已不能滿足現(xiàn)代的實驗科研的任務(wù)要求。 本論文研究的內(nèi)容、目的及意義現(xiàn)在商品化的電化學(xué)工作站大多基于8位低性能單片機(jī)，少數(shù)使用DSP作為主控制器，ARM的STM32系列單片機(jī)是較新的高性能32位微處理器，使用ARM系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)能極大的提升電化學(xué)工作站的性能，使用USB技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸能進(jìn)一步提升電化學(xué)工作站的性能，目前對于基于ARM系統(tǒng)的基于USB技術(shù)的電化學(xué)工作站的研究還較少。STM32系列的單片機(jī)具有速度快、功耗低、內(nèi)存大等優(yōu)點。本論文的內(nèi)容主要有3個方面：第一點，在下位機(jī)的控制電路方面，我們用較新的32位高性能ARM微處理器代替大多數(shù)使用的8位低性能單片機(jī)。本論文使用的是意法半導(dǎo)體公司的微處理器STM32F103C8T6，這是32位的處理器，使用Cortex M3內(nèi)核，主頻可以達(dá)到72MHz，64K的flash，20K的SRAM，片內(nèi)資源豐富，包含多種常用的芯片通信接口，12位的AD，1us轉(zhuǎn)換時間（多達(dá)16個輸入通道），綜合性能相比于8位單片機(jī)提升不少。芯片的豐富的片內(nèi)資源使得控制電路的相關(guān)電路簡潔，復(fù)雜程度減小，這樣可以提高整個系統(tǒng)的可靠性，同時也簡化了電路的設(shè)計。對于使用DSP的電化學(xué)工作站，使用ARM微處理器代替DSP可以減少成本、降低研發(fā)難度，把相應(yīng)的復(fù)雜的數(shù)字信號處理的內(nèi)容由計算機(jī)完成，使電化學(xué)工作站的模塊工作合理，提升整體的性能。第二點，我們使用USB技術(shù)代替RS232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。，最大傳輸速率12M/S，比傳統(tǒng)的RS232串口的傳輸速度大。USB即插即用的功能使得電化學(xué)工作站的使用方便，USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制使我們的電化學(xué)工作站的數(shù)據(jù)傳輸可靠性提高。RS232變得不再流行，但是USB在微型計算機(jī)的應(yīng)用變得流行，這使得在實驗室中搭建大的電化學(xué)工作站的相關(guān)測試系統(tǒng)變得方便。第三點，我們使用VS2010環(huán)境編譯生成上位機(jī)軟件。VS2010是目前最流行的Windows平臺應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境。支持開發(fā)面向Windows 7的應(yīng)用程序。使用Windows 7系統(tǒng)的微型計算機(jī)增多，傳統(tǒng)的編譯環(huán)境如VC++是不支持Windows 7的，能提供支持Windows 7系統(tǒng)的軟件變得重要。本論文研究的意義是：使用意法半導(dǎo)體公司的32位高性能ARM芯片STM32F103C8T6作為的主控制器，極大地提升了電化學(xué)工作站的性能；使用USB技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸使得下位機(jī)與PC上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸變得快速，USB即插即用的特點使得電化學(xué)工作站的使用更方便；上位機(jī)的編譯使用的是VS2010編譯環(huán)境，使得生成的軟件能較好的兼容流行的Win7操作系統(tǒng)。第二章 電化學(xué)工作站系統(tǒng)總體設(shè)計 引言電化學(xué)工作站是一種技術(shù)綜合性較強(qiáng)的設(shè)備，完成一臺完整的電化學(xué)工作站的設(shè)計需要電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、EDA技術(shù)、電化學(xué)等多種技術(shù)及學(xué)科。本章將主要介紹電化學(xué)工作站的工作原理和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 電化學(xué)工作站的原理電化學(xué)是研究兩類導(dǎo)體形成的帶電界面現(xiàn)象及其上所發(fā)生的變化的科學(xué)。從電化學(xué)學(xué)科的產(chǎn)生到現(xiàn)在，已形成了合成電化學(xué)、量子電化學(xué)、半導(dǎo)體電化學(xué)、有機(jī)導(dǎo)體電化學(xué)、光譜電化學(xué)、生物電化學(xué)等多個分支。電化學(xué)在化工、冶金、機(jī)械、電子、航空、航天、輕工、儀表、醫(yī)學(xué)、材料、能源、金屬腐蝕與防護(hù)、環(huán)境科學(xué)等科技領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前世界上十分關(guān)注的研究課題, 如能源、材料、環(huán)境保護(hù)、生命科學(xué)等等都與電化學(xué)以各種各樣的方式關(guān)聯(lián)在一起。電化學(xué)測試是使用電化學(xué)測試設(shè)備給被測系統(tǒng)施加激勵，使用電化學(xué)測試設(shè)備檢測被測系統(tǒng)的響應(yīng)，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到系統(tǒng)的特性，達(dá)到研究被測系統(tǒng)的目的。電化學(xué)工作站便是其中的電化學(xué)測試設(shè)備。電化學(xué)工作站是電化學(xué)測量系統(tǒng)的簡稱，是電化學(xué)研究和教學(xué)中重要的測量設(shè)備，電化學(xué)工作站的本質(zhì)是用于控制和監(jiān)測電化學(xué)池中的電流、電位及其它電化學(xué)參數(shù)變化的儀器設(shè)備[5]。電化學(xué)工作站的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖21所示。圖21 電化學(xué)工作站的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖下位機(jī)由主控制電路、電化學(xué)參數(shù)測試電路、電源電路等組成。接口技術(shù)是以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向快速、準(zhǔn)確的傳輸為目的，常用的是RS232串口、RS45CAN總線、USB技術(shù)等接口技術(shù)，傳統(tǒng)的電化學(xué)工作站的接口技術(shù)使用的是RS232串口，傳輸速率低。 上位機(jī)的主要功能是利用計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力分析數(shù)據(jù)，提供一個友好的軟件界面能使研究者使用電化學(xué)工作站更方便，這也是以人為本的設(shè)計思想的體現(xiàn)。計算機(jī)只要有Windows 7操作系統(tǒng)、USB接口，就可以使用我們研制的電化學(xué)工作站，可以是普通的微型計算機(jī)，也可以是小型計算機(jī)，還可以是大型的計算機(jī)。我們制作的電化學(xué)工作站的主控制電路主要實現(xiàn)控制下位機(jī)的運行、控制產(chǎn)生需要的激勵信號、控制測試參數(shù)、控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。電化學(xué)參數(shù)測試電路包括恒電流儀、恒電位儀及其它測試系統(tǒng)。恒電流儀：是一種重要的腐蝕檢測和電化學(xué)測量儀器，在電極過程動力學(xué)、電分析、電解、電鍍、金屬相分析、金屬腐蝕速度測量和各種腐蝕和防腐蝕研究，以及電化學(xué)保護(hù)參數(shù)測試等方面具有廣泛的用途[6]。恒電流儀能單獨使用，也能配合其他儀器如信號發(fā)生器、直流示波器、對數(shù)轉(zhuǎn)換器等進(jìn)行多種動態(tài)和靜態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)的試驗測量，適用于不同的科研研究、教學(xué)試驗和新產(chǎn)品開發(fā)及各種測量。恒電位儀：是隨著環(huán)境條件的變化能自動地調(diào)整電流，使被控對象的電位保持恒定的儀器。恒電位儀整體說是一個負(fù)反饋放大—輸出系統(tǒng)，與被保護(hù)極構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)，通過參比電極測量通電點電位，作為取樣信號與控制信號進(jìn)行比較，實現(xiàn)控制并調(diào)節(jié)極化電流輸出，使通電點電位得以保持在設(shè)定的控制電位上。三電極系統(tǒng)：三電極系統(tǒng)的示意圖如圖22所示。 圖22 三電極系統(tǒng)示意圖三電極系統(tǒng)是電化學(xué)測量應(yīng)用中常用的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包含工作電極（working electrode,WE）、輔助電極(counter electrode,CE)、參比電極(reference electrode,RE)[7]。三電極系統(tǒng)主要研究的是工作電極的電極過程。由于電解液是有電阻、電容、電感的，所以三電極系統(tǒng)可以用圖23的電路進(jìn)行模擬。圖23 三電極系統(tǒng)模擬電路圖這樣，三電極系統(tǒng)便可以用兩個回路來描述。由工作電極、輔助電極、電源組成的回路是用來傳輸電子，使工作電極產(chǎn)生相應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)的，由工作電極、參比電極組成的回路是用來測試工作電極的電位的[7]。三電極系統(tǒng)是由兩個電極系統(tǒng)發(fā)展而來的，常用的還有四電極系統(tǒng)及其它的多電極系統(tǒng)。兩個電極系統(tǒng)是指只有工作電極、輔助電極的系統(tǒng)，由于在進(jìn)行電化學(xué)測試時工作電極的電位及輔助電極的電位是變化的，所以所測的參數(shù)在一定范圍內(nèi)是變化的，在這個兩個電極系統(tǒng)加入一個電極電位不變的參比電極就可以精確地測量工作電極、輔助電極的電位了。參比電極的作用是可以提供一個穩(wěn)定的電極電位。 電化學(xué)工作站下位機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)我們設(shè)計、制作的電化學(xué)工作站下位機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖24所示。圖24 電化學(xué)工作站下位機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖下位機(jī)系統(tǒng)包括ARM及相關(guān)電路如USB接口、頻率計、脈寬調(diào)制控制(PWM)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA)。USB接口模塊：，實物圖如圖25所示。圖25 USB的A型接口圖，設(shè)備設(shè)置為全速的自定義HID類設(shè)備，傳輸速率64KB/S。USB連接線可以使用普通的屏蔽USB線，長度在幾米之內(nèi)。相關(guān)的原理圖在第三章介紹，相關(guān)的程序在第五、六章介紹。ARM模塊：使用STM32F103C8T6作為主控制器。頻率計模塊：頻率計功能的實現(xiàn)主要使用主控制器的片內(nèi)定時器及中斷，相關(guān)電路的介紹在第三章，相關(guān)程序的介紹在第五章。PWM模塊：PWM即脈寬調(diào)制，原理是利用電路調(diào)節(jié)多諧波的占空比，以此實現(xiàn)對其他電路參數(shù)的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制其它電路的目的。PWM電路廣泛使用在調(diào)光電路、電調(diào)電路及其它方面。本論文研究使用主控芯片的片內(nèi)PWM模塊，相關(guān)電路的介紹在第三章，相關(guān)程序的介紹在第五章。PWM波形圖如圖26所示。圖26 PWM波形圖AD：即模數(shù)轉(zhuǎn)換器，功能是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，我們設(shè)計、制作的樣機(jī)使用主控制芯片的片內(nèi)12位AD，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)幾百K/S。相關(guān)電路的介紹在第三章，相關(guān)程序的介紹在第五章。DA：即數(shù)模轉(zhuǎn)換器，功能是把相應(yīng)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。我們設(shè)計、制作的樣機(jī)使用的是TI公司的16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8830，低噪聲，轉(zhuǎn)換時間1uS，使用50MHz的快速SPI接口。，使接口的電平與主控制器的電平兼容。 本章小結(jié)本章主要介紹了電化學(xué)工作站的基本原理及結(jié)構(gòu)，及一些問題，針對這些問題提出了相應(yīng)的解決方法，還有介紹了本論文主要研究的內(nèi)容是用提到的方法改進(jìn)電化學(xué)工作站。介紹了一些基本的定義、相關(guān)的知識。介紹了我們設(shè)計、制作的樣機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、芯片的選型、設(shè)計的原理。第三章 下位機(jī)的硬件設(shè)計 引言第二章介紹了電化學(xué)工作站的相關(guān)知識，本章主要介紹我們改進(jìn)的電化學(xué)工作站的主控制電路的設(shè)計及原理。電路原理圖的繪制使用PROTEL 99 SE軟件，本章的電路原理圖是為了介紹電路原理單獨繪制的，與實際的電路原理圖有一些不同。 各模塊電路的設(shè)計本節(jié)主要介紹USB接口的電路原理圖、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的原理圖、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的原理圖、PWM模塊的電路原理圖、頻率計電路模塊的電路原理圖、電源模塊的電路原理圖、ARM最小系統(tǒng)的電路原理圖設(shè)計。 USB接口設(shè)計USB接口的電路原理圖如圖31所示。圖31 USB接口設(shè)計電路原理圖USB_PORT的線序是USB電源線、數(shù)據(jù)線DM、數(shù)據(jù)線DP、地線按4的順序排列。RR2是限流電阻，限制數(shù)據(jù)線DM、數(shù)據(jù)線DP的電流，保護(hù)主機(jī)相關(guān)的芯片，保護(hù)設(shè)備相關(guān)的芯片。R5是上拉電阻，按照USB協(xié)議，、速率大小。，這個電壓由三極管產(chǎn)生，RR路，USB_EN的電壓值是R4的電壓值。按照USB協(xié)議，USB電源的電流可達(dá)幾百毫安，在程序中本論文設(shè)置的電流值是100mA，下位機(jī)的控制電路不使用USB電源，減小對PC機(jī)的影響。C1是高頻濾波電容，濾除USB電源的高頻噪聲。LED用來指示USB是否連接。二極管D1用來保護(hù)電路，防止USB接反產(chǎn)生反向的大電流。數(shù)據(jù)DM、數(shù)據(jù)DP與主控制芯片連接，傳輸?shù)氖遣罘中盘?，可以減小共模噪聲對數(shù)據(jù)的影響。 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖32所示。圖32 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖TL431是精密的穩(wěn)壓器，C2C29是低頻、高頻濾波電容。CC4C31是電源濾波電容，是用來減小電源的噪聲的。DAC8830是16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，能產(chǎn)生0VR的電壓信號，VR是芯片的3引腳的電壓。DA的帶負(fù)載能力較差，需要使用放大電路進(jìn)行阻抗匹配，相關(guān)的電路原理圖如圖33所示。第一個運放使用電壓跟隨器的形式，實現(xiàn)與DA連接時的阻抗匹配。RC