CN100588962C - 一种便携式双通道电化学分析设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便携式双通道电化学分析设备，包括供电电路、微处理器、恒电位电路、三电极系统、电流检测电路、SD卡存储电路、通讯接口电路、液晶显示电路、按键输入电路；所述微处理器作为设备的处理核心，其采用微信号架构的DSP，并分别与其它部分连接；所述恒电位电路及电流检测电路均采用双通道结构，其两端分别与三电极系统和微处理器连接。本发明由按键设定扫描方法和参数，微处理器控制两路恒电位电路进行电位扫描，并由电流检测电路通过A/D将电极电流转化为数字信号。设备带有数据处理功能，能进行滤波、微分、积分、小波变换等多种信号处理。扫描和分析结果可以保存到SD卡中。还可以通过USB与计算机连接，或通过LAN与网络连接。

Description

一种便携式双通道电化学分析设备

技术领域

本发明属于电化学分析技术领域，特别是涉及一种便携式双通道电化学分析设备。

技术背景

电化学分析是分析化学的一个重要研究领域，各种电分析方法也已被广泛地应用于化学、生物学、材料学、环境科学等领域。由于电分析方法通常要采用电测量(或控制)装置，这也导致了电分析仪器的发展。迄今为止，国内外的许多厂商已经开发出了多种电分析装置，如恒电位仪、极谱仪、电化学分析测试系统/工作站等。我国从20世纪90年代以来，在电分析仪器的研发方面取得了一定的成绩，已经开发出多种商品化的电分析仪器，在一定程度上满足了科研教学及分析应用的需要。然而，从整体上看，国内的电分析测试仪器在性能与功能方面较之国外同类产品尚有一定的差距，对现有产品的改进及研发新的电分析仪器依然是一项非常有意义的工作。

中国发明专利申请号为200610113140.5公开了一种手持型电化学分析仪，该手持型电化学分析仪包括一壳体，所述壳体内设置有一恒电位器、一控制器和电源，所述壳体外表面上设置有与所述控制器连接的液晶屏、按键及存储卡接口；所述控制器通过接口与所述恒电位器连接；一电极，一端通过引线连接所述恒电位器，另外一端裸露在所述壳体外面。该手持型电化学分析仪可用于现场快速水质分析，具有体积小，结构简单，操作方便，成本低的优点。

但是，由于其处理器是基于ARM7和Linux，且采用单通道检测，其处理速度不尽如人意，且采用Linux作为操作系统，相对来说，较为复杂，无法满足设备控制的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种既方便携带，而又可满足多种测量需求的便携式双通道电化学分析设备。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案为：

一种便携式双通道电化学分析设备，包括供电电路、微处理器、恒电位电路、三电极系统、电流检测电路、SD卡存储电路、通讯接口电路、液晶显示电路、按键输入电路；所述微处理器作为设备的处理核心，其采用微信号架构的DSP，并分别与供电电路、恒电位电路、电流检测电路、SD卡存储电路、通讯接口电路、液晶显示电路、按键输入电路连接；所述恒电位电路及电流检测电路均采用双通道结构，其两端分别与三电极系统和微处理器连接。

上述技术方案中，所述恒电位电路由D/A转换器、运算放大器、反相放大电路及反馈电阻组成。

所述三电极系统与扫描电压连接的运算放大器采用大电流运算放大器和小电流精密放大器两种，并利用继电器进行切换，所述继电器由ULN2003A驱动。

所述电流检测电路利用继电器将超过10mA的电流切换到大电流运算放大器，并采用模拟多路选择器实现多量程的电流测量，且对于nA级电流的检测，先利用分压电阻对运放的输出电压进行分压，然后再接反馈电阻，所述分压电阻的阻值远小于反馈电阻的阻值。

所述微处理器和SD卡通过SPI连接。

所述通讯接口电路包括实现与计算机连接的USB接口电路和用于网络连接的LAN接口电路。

所述微处理器通过PPI接口与液晶显示屏连接。

所述微处理器采用嵌入式操作系统ThreadX，并设置有TCP/IP协议栈lwIP。

本发明采用数字信号处理器DSP作为微处理器，由按键设定电化学扫描方法和参数，微处理器控制两路恒电位电路进行电位扫描，并由电流检测电路通过A/D将电极电流转化为数字信号。设备带有数据处理功能，能进行滤波、微分、积分、小波变换等多种信号处理。扫描和分析结果可以保存到SD卡中。还可以通过USB与计算机连接，或通过LAN与网络连接。

本发明具有如下特点：

1、本发明将嵌入式技术与电化学分析技术结合起来。采用了一个嵌入式操作系统，在此基础上，整合了信号控制与采集、信号分析和数据处理、SD卡控制、FAT32文件系统、按键输入控制、液晶图形显示、USB控制、LAN控制等程序模块。

2、本发明基于DSP和ThreadX。DSP的处理速度比ARM7快很多，尤其是数字信号处理方面有很大优势，且资源更多(带16M SDRAM，可以一次采集很多很多的数据，又可以控制彩色的大液晶屏)，而ThreadX是一个简单的嵌入式操作系统，没有Linux的复杂，但却能满足设备控制的要求。

3、本发明由于采用DSP作为控制器，因此数据运算功能很强，可实时进行峰值提取、平滑、滤波、微分积分等运算，还可以计算小波变换以提取、放大隐含信息等等。

4、本发明采用双通道测量，可以两路同时用不同的分析方法、参数来测量。

5、本发明既可采用电池供电，也可以外接直流电源(提供大电流测量之用)。

6、本发明带有USB和LAN接口。既可单独使用，也可以连接PC使用，数据还可以通过局域网上传到远程的计算机上。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为恒电位电路示意图；

图3为三电极系统示意图；

图4为电流检测电路示意图；

图5为SD卡存储电路示意图；

图6为USB接口电路示意图；

图7为LAN接口电路示意图；

图8为液晶显示电路示意图；

图9为本发明使用LAN与PC连接的示意图；

图10为本发明的使用流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的结构示意图如附图1所示，由以下几个部分组成：

供电电路、微处理器、双通道恒电位电路、双通道三电极系统、双通道电流检测电路、SD卡存储电路、USB接口电路、LAN接口电路、液晶显示电路、按键输入电路。

各个组成部分详细描述如下：

(1)供电电路

提供各部分模块所需要的电源，包括数字电路部分的+3.3V和恒电位、电流检测电路部分的+5V、±12V。电源可由外置9V稳压电源、USB或电池提供，其中USB或电池供电时，由DC-DC升压电路稳压至+5V，9V电源供电时，由LM2576组成的DC-DC降压电路稳压至+5V，+5V电源提供给TFT液晶以及恒电位、电流检测电路部分的A/D和D/A转换器等。+5V电源经过DC-DC降压电路稳压至+3.3V提供给数字电路部分。+5V电源经过DC-DC升压电路提升到±14~±15V左右，再分别经过LM7812、LM7912作二次稳压，得到干净的±12V电源，提供给恒电位、电流检测电路部分的A/D和D/A转换器、运算放大器等。单独使用USB供电时，总电流不可超过500mA。

(2)微处理器

采用ADI公司的数字信号处理器ADSP-BF532。

(3)恒电位电路

如附图2所示，恒电位电路部分采用TI公司的16位D/A转换器DAC8831，内部带有反馈电阻，结合一个运算放大器可以实现±5V范围的电压输出，再经过一个反相放大电路，产生±10V范围的扫描电压输出。该电路在仪器启动时由微处理器自动校准。

(4)三电极系统

如附图3所示，图3a中，三电极系统采用常用的三电极电路，参比电极首先经过一个电压跟随电路，由于运算放大器的正反馈输入端具有很高的输入阻抗，因此流过参比电极的电流可以小至忽略不计，不会影响到电极电位。工作电极是虚地。扫描电压VSCAN经过一个运算放大器并使用参比电极对地(工作电极)的电压作为负反馈，产生辅助电极对地(工作电极)的电压，当系统工作稳定时，扫描电压VSCAN等于参比电极对地(工作电极)的电压，因此可以推出，工作电极与参比电极的电位差等于-VSCAN。

在电化学检测中，有时候电流可能比较大(本仪器设计最大电流1A左右)，因此需要有较大电流输出能力的运算放大器，但是这类放大器的精密度通常不高，而精密度高的运算放大器却通常只能输出小电流。为了解决这个矛盾，本发明同时采用两种运算放大器，利用继电器来切换。如图3b所示，当需要测量大于10mA的电流时，切换使用大电流运算放大器，否则切换使用小电流精密放大器。继电器由ULN2003A驱动。

(5)电流检测电路

如附图4所示，电流检测电路采用电流-电压转换再经A/D转换的方案。电流量程的切换采用模拟多路选择器(ADI公司的ADG1408)来实现，同样，超过10mA的电流将使用继电器来切换到大电流运算放大器。当需要检测nA级电流的时候，需要比较大的反馈电阻(百兆欧以上)，如此大的反馈电阻将导致电路反应速度过慢，而且也是不切实际的。因此对于nA级电流的检测，本发明采用的一个方案是，利用电阻对运放的输出电压进行分压，然后再接反馈电阻。为减少误差，分压电阻应该要远小于反馈电阻。同样，分压比采用模拟多路选择器来切换。综合切换继电器、反馈电阻和分压电阻，本发明可实现±1A、±10mA、±1mA、±100uA、±10uA、±1uA、±100nA、±10nA、±1nA共9个量程的电流测量。

(6)SD卡存储电路

如附图5所示，微处理器和SD卡是通过SPI连接的。在微处理器平台上编写SD卡的识别、读、写等功能函数，可实现对SD卡的访问。当仪器以USB连接到PC时，微处理器通过实现Mass Storage协议把SD卡变成U盘使用。当仪器单独使用时，通过在微处理器平台上编写FAT16/32协议，可实现数据文件的实时保存。

(7)通讯接口电路

包括USB接口和LAN接口。

USB接口如附图6所示，本发明采用Philips的ISP1581芯片实现USB传输功能。该芯片可实现USB 2.0高速传输协议。芯片挂在微处理器的总线上，微处理器通过访问芯片的寄存器实现USB传输。

LAN接口如附图7所示，采用的是CS8900A以太网控制芯片。该芯片是ISA总线接口的10Mbps以太网控制芯片。芯片同样挂在微处理器总线上，微处理器通过访问芯片的寄存器实现LAN通讯。芯片的网络接口端差分信号的输入输出通过一网络隔离变压器连接到RJ45网络接口。

(8)液晶显示电路

如附图8所示，本发明采用LQ043T3DX系列TFT彩色液晶，分辨率为480×272，通过微处理器的PPI接口连接。微处理器的PPI接口为16位，因此可显示2¹⁶＝65536种颜色。微处理器通过DMA控制器，不断从用显存数据以每秒60帧的速度刷新液晶。

(9)按键输入电路

采用一片单片机辅助，以行扫描的方式判断按键的按下和释放，转化为按键代码后传给微处理器。

本发明的软件工作平台包括了PC端和微处理器端。PC端使用Visual C++6.0作为配套软件的开发工具。配套软件包括参数设置、数据图形显示、数据采集、数据处理、数据存储等模块组成。

PC端的USB设备驱动程序在Visual C++6.0、DriverStudio 3.1、Windows XPDDK环境下开发。

微处理器端采用VisualDSP++4.5作为开发工具，使用了一个嵌入式操作系统ThreadX，并自行移植了TCP/IP协议栈lwIP。微处理器端程序主要实现控制采集电路以及与PC端的通讯，以及单独使用时实现参数设置、数据图形显示、数据采集、数据处理、数据存储等PC端软件的功能。

工作原理和过程如附图10所示，包括三种方式：

(1)使用USB与PC连接

接通电源后，微处理器首先初始化所有外围设备，并校准D/A转换器，然后进入USB主循环，执行USB设备枚举、数据传输工作。微处理器根据PC端传来的USB数据包内容，执行各种数据采集控制操作，包括初始化、设定灵敏度、设定扫描方法和数据、数据采集和传输等等。

(2)使用LAN与PC连接

如附图9所示，TCP/IP协议栈lwip在操作系统中创建了一个线程负责处理所有的TCP/UDP连接，上层的应用程序都通过该线程与网络交互。位于同一局域网的PC机通过UDP协议发送数据到微处理器，微处理器根据PC端传来的UDP数据包内容，执行各种数据采集控制操作。

(3)单独使用

本发明脱离PC机单独使用时，微处理器主要实现PC端软件的功能，包括通过键盘输入电路获取参数设置、在液晶屏上显示操作界面和图形数据、实时数据处理、SD卡存储数据文件等。对于界面的实现，本发明模仿Windows的消息机制，在ThreadX操作系统中实现各窗体、对话框、文本框等控件及其消息处理。SD卡存储采用FAT16/32文件系统，与Windows兼容，因此可把SD卡放到其它读卡器上读取数据资料。

Claims (8)

1、一种便携式双通道电化学分析设备，包括供电电路、微处理器、恒电位电路、三电极系统、电流检测电路、SD卡存储电路、通讯接口电路、液晶显示电路、按键输入电路；

所述微处理器作为设备的处理核心，其采用微信号架构的DSP，并分别与供电电路、恒电位电路、电流检测电路、SD卡存储电路、通讯接口电路、液晶显示电路、按键输入电路连接；

所述恒电位电路及电流检测电路均采用双通道结构，其两端分别与三电极系统和微处理器连接；

其特征在于：

所述三电极系统与扫描电压连接的运算放大器采用大电流运算放大器和小电流精密放大器两种，并利用继电器进行切换，所述继电器由ULN2003A驱动，所述电流检测电路利用继电器将超过10mA的电流切换到大电流运算放大器，并采用模拟多路选择器实现多量程的电流测量，且对于nA级电流的检测，先利用分压电阻对运放的输出电压进行分压，然后再接反馈电阻，所述分压电阻的阻值远小于反馈电阻的阻值。

2、根据权利要求1所述的便携式双通道电化学分析设备，其特征在于所述微处理器采用数字信号处理器ADSP-BF532。

3、根据权利要求1所述的便携式双通道电化学分析设备，其特征在于所述恒电位电路由D/A转换器、运算放大器、反相放大电路及反馈电阻组成。

4、根据权利要求3所述的便携式双通道电化学分析设备，其特征在于所述D/A转换器为16位DAC8831。

5、根据权利要求1所述的便携式双通道电化学分析设备，其特征在于所述微处理器和SD卡通过SPI连接。

6、根据权利要求1所述的便携式双通道电化学分析设备，其特征在于所述通讯接口电路包括实现与计算机连接的USB接口电路和用于网络连接的LAN接口电路。

7、根据权利要求1所述的便携式双通道电化学分析设备，其特征在于所述微处理器通过PPI接口与液晶显示屏连接。

8、根据权利要求1所述的便携式双通道电化学分析设备，其特征在于微处理器采用嵌入式操作系统ThreadX，并设置有TCP/IP协议栈1wIP。

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