电化学工作站Word下载.docx
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目录
第一章绪论1
1.1研究背景1
1.2国内外研究现状1
1.3本论文研究的内容、目的及意义1
第二章电化学工作站系统总体设计3
2.1引言3
2.2电化学工作站的原理3
2.3电化学工作站下位机的系统结构5
2.4本章小结7
第三章下位机的硬件设计8
3.1引言8
3.2各模块电路的设计8
3.2.1USB接口设计8
3.2.2数模转换电路设计9
3.2.3频率计电路设计10
3.2.4模数转换电路设计11
3.2.5脉宽调制电路设计11
3.2.6ARM最小系统电路设计12
3.2.7电源电路设计14
3.3本章小结15
第四章USB接口技术16
4.1引言16
4.2USB接口技术简介16
4.3HID类的特点18
4.4USB的实现方法20
4.4.1ARM系统的USB实现方法20
4.4.2C++的USB实现方法21
4.5本章小结22
第五章下位机程序设计23
5.1引言23
5.2KEIL开发环境介绍23
5.3USB库介绍25
5.4下位机各模块程序介绍25
5.4.1USB接口程序设计25
5.4.2模数转换模块程序设计26
5.4.3数模转换模块程序设计28
5.4.4频率计模块程序设计28
5.4.5脉宽调制模块程序设计29
5.5本章小结29
第六章上位机程序设计30
6.1引言30
6.2VS2010开发环境简介30
6.3上位机程序的实现方法31
6.4本章小结33
第七章总结34
7.1实验及结果总结34
7.2本论文研究完成的工作35
7.3存在的问题及未来的展望35
结束语36
参考文献37
附录39
外文资料45
中文翻译53
第一章绪论
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]；
2007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USB2.0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Windows7的应用程序。
使用Windows7系统的微型计算机增多，传统的编译环境如VC++是不支持Windows7的，能提供支持Windows7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。
第二章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。
2.2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Windows7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（workingelectrode,WE）、辅助电极（counterelectrode,CE）、参比电极（referenceelectrode,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2-5USB的A型接口图
程序的编写是依照USB1.1版本的协议，设备设置为全速的自定义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波形图如图2-6所示。
图2-6PWM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，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。
第三章下位机的硬件设计
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PROTEL99SE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最小系统的电路原理图设计。
3.2.1USB接口设计
USB接口的电路原理图如图3-1所示。
图3-1USB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。
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3-3DA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
3.2.6ARM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3-7ARM最小系统电路原理图1
图3-8ARM最小系统电路原理图2
3.2.7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
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