專(zhuān)利名稱(chēng)：一種便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學(xué)分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備。
背景技術(shù)：
電化學(xué)分析是分析化學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，各種電分析方法也已被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。由于電分析方法通常要采用電測(cè)量(或控制)裝置，這也導(dǎo)致了電分析儀器的發(fā)展。迄今為止，國(guó)內(nèi)外的許多廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種電分析裝置，如恒電位儀、極譜儀、電化學(xué)分析測(cè)試系統(tǒng)/工作站等。我國(guó)從20世紀(jì)90年代以來(lái)，在電分析儀器的研發(fā)方面取得了一定的成績(jī)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種商品化的電分析儀器，在一定程度上滿(mǎn)足了科研教學(xué)及分析應(yīng)用的需要。然而，從整體上看，國(guó)內(nèi)的電分析測(cè)試儀器在性能與功能方面較之國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品尚有一定的差距，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)及研發(fā)新的電分析儀器依然是一項(xiàng)非常有意義的工作。
中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利中請(qǐng)?zhí)枮?00610113140.5公開(kāi)了一種手持型電化學(xué)分析儀，該手持型電化學(xué)分析儀包括一殼體，所述殼體內(nèi)設(shè)置有一恒電位器、一控制器和電源，所述殼體外表面上設(shè)置有與所述控制器連接的液晶屏、按鍵及存儲(chǔ)卡接口；所述控制器通過(guò)接口與所述恒電位器連接；一電極，一端通過(guò)引線連接所述恒電位器，另外一端裸露在所述殼體外面。該手持型電化學(xué)分析儀可用于現(xiàn)場(chǎng)快速水質(zhì)分析，具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)。
但是，由于其處理器是基于ARM7和Linux，且采用單通道檢測(cè)，其處理速度不盡如人意，且采用Linux作為操作系統(tǒng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，較為復(fù)雜，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)備控制的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種既方便攜帶，而又可滿(mǎn)足多種測(cè)量需求的便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案為一種便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，包括供電電路、微處理器、恒電位電路、三電極系統(tǒng)、電流檢測(cè)電路、SD卡存儲(chǔ)電路、通訊接口電路、液晶顯示電路、按鍵輸入電路；所述微處理器作為設(shè)備的處理核心，其采用微信號(hào)架構(gòu)的DSP，并分別與供電電路、恒電位電路、電流檢測(cè)電路、SD卡存儲(chǔ)電路、通訊接口電路、液晶顯示電路、按鍵輸入電路連接；所述恒電位電路及電流檢測(cè)電路均采用雙通道結(jié)構(gòu)，其兩端分別與三電極系統(tǒng)和微處理器連接。
上述技術(shù)方案中，所述恒電位電路由D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、反相放大電路及反饋電阻組成。
所述三電極系統(tǒng)與掃描電壓連接的運(yùn)算放大器采用大電流運(yùn)算放大器和小電流精密放大器兩種，并利用繼電器進(jìn)行切換，所述繼電器由ULN2003A驅(qū)動(dòng)。
所述電流檢測(cè)電路利用繼電器將超過(guò)10mA的電流切換到大電流運(yùn)算放大器，并采用模擬多路選擇器實(shí)現(xiàn)多量程的電流測(cè)量，且對(duì)于nA級(jí)電流的檢測(cè)，先利用分壓電阻對(duì)運(yùn)放的輸出電壓進(jìn)行分壓，然后再接反饋電阻，所述分壓電阻的阻值遠(yuǎn)小于反饋電阻的阻值。
所述微處理器和SD卡通過(guò)SPI連接。
所述通訊接口電路包括實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)連接的USB接口電路和用于網(wǎng)絡(luò)連接的LAN接口電路。
所述微處理器通過(guò)PPI接口與液晶顯示屏連接。
所述微處理器采用嵌入式操作系統(tǒng)ThreadX，并設(shè)置有TCP/IP協(xié)議棧lwIP。
本發(fā)明采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為微處理器，由按鍵設(shè)定電化學(xué)掃描方法和參數(shù)，微處理器控制兩路恒電位電路進(jìn)行電位掃描，并由電流檢測(cè)電路通過(guò)A/D將電極電流轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。設(shè)備帶有數(shù)據(jù)處理功能，能進(jìn)行濾波、微分、積分、小波變換等多種信號(hào)處理。掃描和分析結(jié)果可以保存到SD卡中。還可以通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)連接，或通過(guò)LAN與網(wǎng)絡(luò)連接。
本發(fā)明具有如下特點(diǎn)1、本發(fā)明將嵌入式技術(shù)與電化學(xué)分析技術(shù)結(jié)合起來(lái)。采用了一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，整合了信號(hào)控制與采集、信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理、SD卡控制、FAT32文件系統(tǒng)、按鍵輸入控制、液晶圖形顯示、USB控制、LAN控制等程序模塊。
2、本發(fā)明基于DSP和ThreadX。DSP的處理速度比ARM7快很多，尤其是數(shù)字信號(hào)處理方面有很大優(yōu)勢(shì)，且資源更多(帶16M SDRAM，可以一次采集很多很多的數(shù)據(jù)，又可以控制彩色的大液晶屏)，而ThreadX是一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)，沒(méi)有Linux的復(fù)雜，但卻能滿(mǎn)足設(shè)備控制的要求。
3、本發(fā)明由于采用DSP作為控制器，因此數(shù)據(jù)運(yùn)算功能很強(qiáng)，可實(shí)時(shí)進(jìn)行峰值提取、平滑、濾波、微分積分等運(yùn)算，還可以計(jì)算小波變換以提取、放大隱含信息等等。
4、本發(fā)明采用雙通道測(cè)量，可以?xún)陕吠瑫r(shí)用不同的分析方法、參數(shù)來(lái)測(cè)量。
5、本發(fā)明既可采用電池供電，也可以外接直流電源(提供大電流測(cè)量之用)。
6、本發(fā)明帶有USB和LAN接口。既可單獨(dú)使用，也可以連接PC使用，數(shù)據(jù)還可以通過(guò)局域網(wǎng)上傳到遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)上。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為恒電位電路示意圖；圖3為三電極系統(tǒng)示意圖；圖4為電流檢測(cè)電路示意圖；圖5為SD卡存儲(chǔ)電路示意圖；圖6為USB接口電路示意圖；圖7為L(zhǎng)AN接口電路示意圖；圖8為液晶顯示電路示意圖；圖9為本發(fā)明使用LAN與PC連接的示意圖；圖10為本發(fā)明的使用流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1所示，由以下幾個(gè)部分組成供電電路、微處理器、雙通道恒電位電路、雙通道三電極系統(tǒng)、雙通道電流檢測(cè)電路、SD卡存儲(chǔ)電路、USB接口電路、LAN接口電路、液晶顯示電路、按鍵輸入電路。
各個(gè)組成部分詳細(xì)描述如下(1)供電電路提供各部分模塊所需要的電源，包括數(shù)字電路部分的+3.3V和恒電位、電流檢測(cè)電路部分的+5V、±12V。電源可由外置9V穩(wěn)壓電源、USB或電池提供，其中USB或電池供電時(shí)，由DC-DC升壓電路穩(wěn)壓至+5V，9V電源供電時(shí)，由LM2576組成的DC-DC降壓電路穩(wěn)壓至+5V，+5V電源提供給TFT液晶以及恒電位、電流檢測(cè)電路部分的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等。+5V電源經(jīng)過(guò)DC-DC降壓電路穩(wěn)壓至+3.3V提供給數(shù)字電路部分。+5V電源經(jīng)過(guò)DC-DC升壓電路提升到±14~±15V左右，再分別經(jīng)過(guò)LM7812、LM7912作二次穩(wěn)壓，得到干凈的±12V電源，提供給恒電位、電流檢測(cè)電路部分的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器等。單獨(dú)使用USB供電時(shí)，總電流不可超過(guò)500mA。
(2)微處理器采用ADI公司的數(shù)字信號(hào)處理器ADSP-BF532。
(3)恒電位電路如附圖2所示，恒電位電路部分采用TI公司的16位D/A轉(zhuǎn)換器DAC8831，內(nèi)部帶有反饋電阻，結(jié)合一個(gè)運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)±5V范圍的電壓輸出，再經(jīng)過(guò)一個(gè)反相放大電路，產(chǎn)生±10V范圍的掃描電壓輸出。該電路在儀器啟動(dòng)時(shí)由微處理器自動(dòng)校準(zhǔn)。
(4)三電極系統(tǒng)如附圖3所示，圖3a中，三電極系統(tǒng)采用常用的三電極電路，參比電極首先經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓跟隨電路，由于運(yùn)算放大器的正反饋輸入端具有很高的輸入阻抗，因此流過(guò)參比電極的電流可以小至忽略不計(jì)，不會(huì)影響到電極電位。工作電極是虛地。掃描電壓VSCAN經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器并使用參比電極對(duì)地(工作電極)的電壓作為負(fù)反饋，產(chǎn)生輔助電極對(duì)地(下作電極)的電壓，當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定時(shí)，掃描電壓VSCAN等于參比電極對(duì)地(工作電極)的電壓，因此可以推出，工作電極與參比電極的電位差等于-VSCAN。
在電化學(xué)檢測(cè)中，有時(shí)候電流可能比較大(本儀器設(shè)計(jì)最大電流1A左右)，因此需要有較大電流輸出能力的運(yùn)算放大器，但是這類(lèi)放大器的精密度通常不高，而精密度高的運(yùn)算放大器卻通常只能輸出小電流。為了解決這個(gè)矛盾，本發(fā)明同時(shí)采用兩種運(yùn)算放大器，利用繼電器來(lái)切換。如圖3b所示，當(dāng)需要測(cè)量大于10mA的電流時(shí)，切換使用大電流運(yùn)算放大器，否則切換使用小電流精密放大器。繼電器由ULN2003A驅(qū)動(dòng)。
(5)電流檢測(cè)電路如附圖4所示，電流檢測(cè)電路采用電流-電壓轉(zhuǎn)換再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的方案。電流量程的切換采用模擬多路選擇器(ADI公司的ADG1408)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同樣，超過(guò)10mA的電流將使用繼電器來(lái)切換到大電流運(yùn)算放大器。當(dāng)需要檢測(cè)nA級(jí)電流的時(shí)候，需要比較大的反饋電阻(百兆歐以上)，如此大的反饋電阻將導(dǎo)致電路反應(yīng)速度過(guò)慢，而且也是不切實(shí)際的。因此對(duì)于nA級(jí)電流的檢測(cè)，本發(fā)明采用的一個(gè)方案是，利用電阻對(duì)運(yùn)放的輸出電壓進(jìn)行分壓，然后再接反饋電阻。為減少誤差，分壓電阻應(yīng)該要遠(yuǎn)小于反饋電阻。同樣，分壓比采用模擬多路選擇器來(lái)切換。綜合切換繼電器、反饋電阻和分壓電阻，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)±1A、±10mA、±1mA、±100uA、±10uA、±1uA、±100nA、±10nA、±1nA共9個(gè)量程的電流測(cè)量。
(6)SD卡存儲(chǔ)電路如附圖5所示，微處理器和SD卡是通過(guò)SPI連接的。在微處理器平臺(tái)上編寫(xiě)SD卡的識(shí)別、讀、寫(xiě)等功能函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的訪問(wèn)。當(dāng)儀器以USB連接到PC時(shí)，微處理器通過(guò)實(shí)現(xiàn)Mass Storage協(xié)議把SD卡變成U盤(pán)使用。當(dāng)儀器單獨(dú)使用時(shí)，通過(guò)在微處理器平臺(tái)上編寫(xiě)FAT16/32協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的實(shí)時(shí)保存。
(7)通訊接口電路包括USB接口和LAN接口。
USB接口如附圖6所示，本發(fā)明采用Philips的ISP1581芯片實(shí)現(xiàn)USB傳輸功能。該芯片可實(shí)現(xiàn)USB 2.0高速傳輸協(xié)議。芯片掛在微處理器的總線上，微處理器通過(guò)訪問(wèn)芯片的寄存器實(shí)現(xiàn)USB傳輸。
LAN接口如附圖7所示，采用的是CS8900A以太網(wǎng)控制芯片。該芯片是ISA總線接口的10Mbps以太網(wǎng)控制芯片。芯片同樣掛在微處理器總線上，微處理器通過(guò)訪問(wèn)芯片的寄存器實(shí)現(xiàn)LAN通訊。芯片的網(wǎng)絡(luò)接口端差分信號(hào)的輸入輸出通過(guò)一網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器連接到RJ45網(wǎng)絡(luò)接口。
(8)液晶顯示電路如附圖8所示，本發(fā)明采用LQ043T3DX系列TFT彩色液晶，分辨率為480×272，通過(guò)微處理器的PPI接口連接。微處理器的PPI接口為16位，因此可顯示216＝65536種顏色。微處理器通過(guò)DMA控制器，不斷從用顯存數(shù)據(jù)以每秒60幀的速度刷新液晶。
(9)按鍵輸入電路采用一片單片機(jī)輔助，以行掃描的方式判斷按鍵的按下和釋放，轉(zhuǎn)化為按鍵代碼后傳給微處理器。
本發(fā)明的軟件工作平臺(tái)包括了PC端和微處理器端。PC端使用Visual C++6.0作為配套軟件的開(kāi)發(fā)工具。配套軟件包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)圖形顯示、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊組成。
PC端的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在Visual C++6.0、DriverStudio 3.1、Windows XPDDK環(huán)境下開(kāi)發(fā)。
微處理器端采用VisualDSP++4.5作為開(kāi)發(fā)工具，使用了一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)ThreadX，并自行移植了TCP/IP協(xié)議棧lwIP。微處理器端程序主要實(shí)現(xiàn)控制采集電路以及與PC端的通訊，以及單獨(dú)使用時(shí)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)圖形顯示、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等PC端軟件的功能。
工作原理和過(guò)程如附圖10所示，包括三種方式(1)使用USB與PC連接接通電源后，微處理器首先初始化所有外圍設(shè)備，并校準(zhǔn)D/A轉(zhuǎn)換器，然后進(jìn)入U(xiǎn)SB主循環(huán)，執(zhí)行USB設(shè)備枚舉、數(shù)據(jù)傳輸工作。微處理器根據(jù)PC端傳來(lái)的USB數(shù)據(jù)包內(nèi)容，執(zhí)行各種數(shù)據(jù)采集控制操作，包括初始化、設(shè)定靈敏度、設(shè)定掃描方法和數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)鹊取?br> (2)使用LAN與PC連接如附圖9所示，TCP/IP協(xié)議棧lwip在操作系統(tǒng)中創(chuàng)建了一個(gè)線程負(fù)責(zé)處理所有的TCP/UDP連接，上層的應(yīng)用程序都通過(guò)該線程與網(wǎng)絡(luò)交互。位于同一局域網(wǎng)的PC機(jī)通過(guò)UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到微處理器，微處理器根據(jù)PC端傳來(lái)的UDP數(shù)據(jù)包內(nèi)容，執(zhí)行各種數(shù)據(jù)采集控制操作。
(3)單獨(dú)使用本發(fā)明脫離PC機(jī)單獨(dú)使用時(shí)，微處理器主要實(shí)現(xiàn)PC端軟件的功能，包括通過(guò)鍵盤(pán)輸入電路獲取參數(shù)設(shè)置、在液晶屏上顯示操作界面和圖形數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件等。對(duì)于界面的實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明模仿Windows的消息機(jī)制，在ThreadX操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各窗體、對(duì)話(huà)框、文本框等控件及其消息處理。SD卡存儲(chǔ)采用FAT16/32文件系統(tǒng)，與Windows兼容，因此可把SD卡放到其它讀卡器上讀取數(shù)據(jù)資料。
權(quán)利要求
1.一種便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，其特征在于包括供電電路、微處理器、恒電位電路、三電極系統(tǒng)、電流檢測(cè)電路、SD卡存儲(chǔ)電路、通訊接口電路、液晶顯示電路、按鍵輸入電路；所述微處理器作為設(shè)備的處理核心，其采用微信號(hào)架構(gòu)的DSP，并分別與供電電路、恒電位電路、電流檢測(cè)電路、SD卡存儲(chǔ)電路、通訊接口電路、液晶顯示電路、按鍵輸入電路連接；所述恒電位電路及電流檢測(cè)電路均采用雙通道結(jié)構(gòu)，其兩端分別與三電極系統(tǒng)和微處理器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，其特征在于所述微處理器采用數(shù)字信號(hào)處理器ADSP-BF532。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，其特征在于所述恒電位電路由D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、反相放大電路及反饋電阻組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，其特征在于所述D/A轉(zhuǎn)換器為16位DAC8831。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，其特征在于所述三電極系統(tǒng)與掃描電壓連接的運(yùn)算放大器采用大電流運(yùn)算放大器和小電流精密放大器兩種，并利用繼電器進(jìn)行切換，所述繼電器由ULN2003A驅(qū)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，其特征在于所述電流檢測(cè)電路利用繼電器將超過(guò)10mA的電流切換到大電流運(yùn)算放大器，并采用模擬多路選擇器實(shí)現(xiàn)多量程的電流測(cè)量，且對(duì)于nA級(jí)電流的檢測(cè)，先利用分壓電阻對(duì)運(yùn)放的輸出電壓進(jìn)行分壓，然后再接反饋電阻，所述分壓電阻阻值遠(yuǎn)小于反饋電阻阻值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，其特征在于所述微處理器和SD卡通過(guò)SPI連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，其特征在于所述通訊接口電路包括實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)連接的USB接口電路和用于網(wǎng)絡(luò)連接的LAN接口電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，其特征在于所述微處理器通過(guò)PPI接口與液晶顯示屏連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，其特征在于微處理器采用嵌入式操作系統(tǒng)ThreadX，并設(shè)置有TCP/IP協(xié)議棧1wIP。
全文摘要
本發(fā)明提供一種便攜式雙通道電化學(xué)分析設(shè)備，包括供電電路、微處理器、恒電位電路、三電極系統(tǒng)、電流檢測(cè)電路、SD卡存儲(chǔ)電路、通訊接口電路、液晶顯示電路、按鍵輸入電路；所述微處理器作為設(shè)備的處理核心，其采用微信號(hào)架構(gòu)的DSP，并分別與其它部分連接；所述恒電位電路及電流檢測(cè)電路均采用雙通道結(jié)構(gòu)，其兩端分別與三電極系統(tǒng)和微處理器連接。本發(fā)明由按鍵設(shè)定掃描方法和參數(shù)，微處理器控制兩路恒電位電路進(jìn)行電位掃描，并由電流檢測(cè)電路通過(guò)A/D將電極電流轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。設(shè)備帶有數(shù)據(jù)處理功能，能進(jìn)行濾波、微分、積分、小波變換等多種信號(hào)處理。掃描和分析結(jié)果可以保存到SD卡中。還可以通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)連接，或通過(guò)LAN與網(wǎng)絡(luò)連接。
文檔編號(hào)G01N27/26GK101089621SQ200710027808
公開(kāi)日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2007年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月29日
發(fā)明者邱俊, 甘峰 申請(qǐng)人:中山大學(xué)