自动变换量程的电化学仪设计

于航 朱纪军

（东南大学生物科学与医学工程学院，南京 210096）

电化学是研究电能与化学能之间相互转换及转换过程中有关现象的学科，将三电极传感器与电解池之间的氧化还原反应以电流的形式进行衡量。自电解和库伦分析被提出以来，电化学形成了许多适用于不同场合的测量方法，可分为：伏安法、脉冲极谱法、计时电量法等几个大类，每一类方法有根据施加于三电极传感器电势不同而分为多种不同的实验方法。PC微机的迅速普及使得由电极、电化学测试仪、上位机构成的电化学分析体系已广泛应用于医学分析、环境监测、科学研究等领域。国内普遍使用的电化学仪为美国CH Instrument(上海辰华)公司的产品，价格适中且测量精度较高。但是CH Instrument的产品工作过程中不能能变换，这也就意味着操作人员须预先知道本次实验的大致测量范围进行量程的设定，量程选择过小则不能得到超出量程部分的测量值，实验结果不正确不得不重做，量程选择过大则会影响实验结果的精确性。为了解决这一问题，本文提出了一种结构简单、低成本且能够自动变换量程的电化学仪原理样机设计方案。

1 系统总体设计

1.1 三电极体系

电化学反应通过对电极施加电势，测定通过电极的反应电流，需要一个电极体系，通常采用三电极体系。相应三个电极为：工作电极、辅助电极和参比电极。工作电极又称研究电极，所研究的反应在该电极上发生；辅助电极又称对电极，该电极与工作电极组成回路，导通工作电极，以保证反应在工作电极上发生。参比电极用来测量工作电极电位，是一个已知电势大小且接近理想不易极化的电极，参比电极基本没有电流通过。

1.2 系统总体结构

电化学仪采用德州仪器公司生产的TMS320F28335处理器作为控制核心，自带8路12位ADC模块(模数转换)、串行通信接口及串行外设接口，其总体设计如图1所示，电化学仪微控制对三电极传感器施加电势产生化学反应并将反应电流读入微控制器，上位机与电化学仪通过串行通信实现数据的交互。

图1 电化学仪总体设计

2 硬件电路设计

2.1 恒电位仪电路及I/V转换电路设计

恒电位仪是电化学工作站的重要组成部分，它的作用是调整流经工作电极的电流使工作电极的电位恒定，不受电化学反应的影响。恒电位仪的制作是否精良，直接影响电化学仪的性能。利用运算放大器即可设计一个简单的恒电位仪。A/D转换的输入为电压，因此须将电化学实验的反应电流转换为电压才能够进行测量工作，可采用电流反馈法，反应电流 Iin流过反馈电阻R，运算放大器的输出电压，由于A/D转换的电压范围为0~3V，因此不同的反馈电阻值对应了不同的量程。利用多路转换器，在实验过程中根据电流的变化切换反馈电阻达到变换量程的目的,恒电位仪与I/V转换电路如图2所示。

图2 恒电位仪与I/V转换电路原理图

2.2 波形发生电路设计

电化学实验需要在工作电极上施加一定的电压，不同的电化学方法所施加的电压波形有所不同，利用微控制器设设计波形并通过D/A转换输出其电压可方便的得到各种形式的波形。本文采用12位分辨率，可选1.024V或2.048V内置参考电位的DAC芯片TLV5638，通过串行外设接口与控制核心相连实现电压输出功能。

3 软件设计

3.1 下位机软件设计

下位机软件负责在实验过程中控制电化学仪，接收上位机给出的实验开始的指令及实验参数，根据实验参数设定相关外设的参数进而开始进行电化学实验，实验数据通过串口传送至上位机。

下位机软件主要包括串口通信、A/D转换、CPU定时器及串行外设接口四部分。串口通信负责接收上位机发送的指令及实验参数并将实验数据发送至上位机，操作人员随时可能通过上位机发送实验开始、暂停或停止的指令，故接收工作应采用中断的方式，发送实验数据的工作可在A/D转换完成后采用查询方式进行。

反应电流通过I/V转换电路变为电压，不同的反馈电阻对应不同的量程。TMS320F28335的A/D转换模块电压输入范围为0~3v，实验过程中自动变换量程使得经I/V转换的电压始终保持在这个范围。A/D转换中断处理函数中，对所得实验数据进行判定，数据将要超出A/D转换的测量范围时，切换I/V转换的多路开关选择一个更大的量程。TMS320F28335的A/D转换模块数字范为0~4095，为了避免超过3V的电压以4095的数字量读入，应对数据判定留有一定的余量。实验数据要经过串口传送至上位机，由于传送的数据位电压值，上位机需要根据电压及当前量程的反馈电阻计算出反应电流。I/V转换采用的是4路转换器，即有4个不同的量程，用4位2进制数00~11进行标记，将其与12为A/D转换结果组成为一个14位的数据进行传输。上位机接收到实验数据后即可拆分为电压值和当前所用电阻的标记。下位机软件流程如图4所示。

3.2 上位机软件设计

上位机软件采用VS2008集成开发环境，利用MFC类库进行设计，主要包括数据通信及绘制试验曲线两部分。

绘图模块要在屏幕上绘制显示背景，并将实验数据根据显示背景上的坐标轴折算到相应位置绘出。根据不同的实验方法，背景坐标轴的横坐标可为扫描电势或时间，纵坐标为反应电流。数据通信模块采用CSerial串口类实现的发送和接收工作，将接收到的数据拆分为12位A/D转换数字量及3位反馈电阻标记，根据数字量所对应的电压与电位调整太高的电位之差与标记对应的电阻值计算出反应电流，将当前反应电流与绘图背景所能显示的最大值作比较，若反应电流即将超过最大值，则须增大绘图背景并进行数据重绘工作。

图4 下位机软件流程

4 功能测试

电化学仪的I/V转换电路使用4路转换器，A/D模块的电压输入，由公式计算得出测量的实际电压范围为-3~3V,I/V转换电路的反馈电阻为2k、20k、30K、40K、50K，实际电阻值与标定存在误差，在上位机的程序设计中要进行修正,反馈电阻与量程的对应关系如表1所示：

反馈电阻(KΩ) 量程（μA）2±150 20 ±15 30 ±10 40 ±7.5

采用循环伏安法，实验参数为：电压扫描范围-0.05v~0.5v，扫描速率0.1v/s，实验结果如图5所示。实验结果表明，实验过程中反馈电阻根据需要由40KΩ跳变至2KΩ，仪器工作正常，且上位机根据实验结果重绘了显示背景及数据，达到了自动变换量程的目的。

图5 循环伏安法上位机结果

5 结论

本文所给出的电化学仪设计方案可根据实验过程中的反应电流大小自动调整量程，结构简单、价格低廉。利用TMS320F28335的12位A/D模块与多路转换器最多可实现16个量程，可根据实际需要规划量程范围。上微机软件除了实现数据传输及绘图，还可加入数据处理及实验分析进一步完善功能，从而成为一套完备的电化学测量装置。

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