基于USB接口的電化學(xué)沉積儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

0 引 言
    智能儀器自動(dòng)化程度的提高為科學(xué)研究提供了十分方便的實(shí)驗(yàn)手段。電化學(xué)沉積儀器是由PC機(jī)控制的全自動(dòng)的恒電位儀、恒電流儀及恒電位脈沖試驗(yàn)儀的集合體。相對(duì)于手動(dòng)的設(shè)備而言更為先進(jìn)，功能更強(qiáng)大，試驗(yàn)精度更高。具體工作時(shí)，儀器按照用戶設(shè)定的實(shí)驗(yàn)類型執(zhí)行具體的試驗(yàn)，同時(shí)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)的電壓和電流信號(hào)。采集到的信號(hào)，由儀器內(nèi)置的微處理器解析后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)反饋到上位機(jī)(PC機(jī))。上位機(jī)的儀器數(shù)據(jù)處理軟件，具有強(qiáng)大的解析功能，可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析，得到研究體系的詳細(xì)信息。
    在PC機(jī)控制的系統(tǒng)中，常采用通用串行總線(USB)進(jìn)行通信。因?yàn)榛赨SB總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有安裝方便、可靠性高、數(shù)據(jù)不易丟失、抗干擾能力強(qiáng)、便于數(shù)據(jù)傳輸和處理等優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕厔?shì)。隨著USB應(yīng)用的日益廣泛，ATmel，Intel，ScanLogic，Cypress和Phillps等芯片廠商都推出了嵌入MCU的USB控制器。這些微控制器功能強(qiáng)，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，電磁兼容性好。
    因此，本文設(shè)計(jì)的電化學(xué)沉積智能試驗(yàn)儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了ATmel公司最新推出的處理器MCUAT90USB1287。該MCU內(nèi)置有符合USB 2．O規(guī)范的接口。在該系統(tǒng)中，MCU承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集和USB數(shù)據(jù)通信的雙重任務(wù)。

1 USB采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1．1 電化學(xué)沉積試驗(yàn)儀工作原理
    該儀器設(shè)置了三種實(shí)驗(yàn)方式：恒電位、恒電流以及脈沖電位試驗(yàn)。恒電位試驗(yàn)，即工作電極的電位(相對(duì)于參比電極)保持恒定，而電流可能發(fā)生變化的試驗(yàn)類型。恒電流試驗(yàn)就是通過(guò)工作電極的電流保持不變，而其電位可能發(fā)生變化的試驗(yàn)類型。脈沖電位試驗(yàn)要求工作電極的電位是以某一形式的脈沖存在，具體通過(guò)改變其脈沖幅度和占空比實(shí)現(xiàn)。
    電化學(xué)沉積儀器控制與采集方框圖如圖1所示。

    當(dāng)控制計(jì)算機(jī)對(duì)儀器實(shí)驗(yàn)類型和參數(shù)值進(jìn)行預(yù)置時(shí)，AVR單片機(jī)把設(shè)定的類型和預(yù)置的數(shù)值送到液晶顯示器顯示，同時(shí)作為電流源或者電壓源的設(shè)定值通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換輸出，并作為參考信號(hào)提供給控制電路。當(dāng)用戶選擇恒流實(shí)驗(yàn)時(shí)，I-V轉(zhuǎn)換模塊把從檢測(cè)電路得到的工作電極的電流值轉(zhuǎn)換成其相應(yīng)的電壓信號(hào)，該信號(hào)和D／A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓控制信號(hào)構(gòu)成電壓偏差，由PID控制器將按其比例、積分、微分運(yùn)算后，通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，從而達(dá)到通過(guò)負(fù)載的電流恒定的目的。當(dāng)選擇恒電位試驗(yàn)時(shí)，從D／A輸出的電壓信號(hào)和檢測(cè)電路部分得到的電壓信號(hào)構(gòu)成的偏差量，經(jīng)過(guò)PID控制器使輸出信號(hào)加在參比電極和工作電極之間，通過(guò)PID控制器對(duì)參數(shù)的調(diào)整使兩者之間的電壓恒定。當(dāng)進(jìn)行脈沖實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，單片機(jī)通過(guò)調(diào)整輸出脈沖波形經(jīng)過(guò)PID控制器輸出給負(fù)載。與此同時(shí)，不同試驗(yàn)方式下工作電極中的電流、電壓及脈沖電壓信號(hào)經(jīng)A／D采樣之后由USB接口發(fā)往上位機(jī)進(jìn)行顯示。
1．2 電化學(xué)沉積試驗(yàn)儀數(shù)據(jù)采集硬件組成
    電化學(xué)沉積試驗(yàn)儀器的數(shù)據(jù)采集硬件包括：采集電壓信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換器，控制試驗(yàn)設(shè)定值的PID控制器，提供PID控制器信號(hào)輸入的16位D／A轉(zhuǎn)換器，帶有USB模塊的MCIJ以及PC控制終端等，如圖2所示。

    該采集系統(tǒng)的采集信號(hào)包括陰極電位和電流信號(hào)采集。電流信號(hào)的采集通過(guò)采集檢測(cè)電阻兩端的電壓信號(hào)得到。當(dāng)進(jìn)行恒電位和脈沖電位試驗(yàn)時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器可以通過(guò)采集參比電極和工作電極的電勢(shì)差獲得電壓信號(hào)。類似地，當(dāng)進(jìn)行恒電流試驗(yàn)時(shí)，電流信號(hào)是通過(guò)I-V跨阻放大器得到的。
    AD7794比傳統(tǒng)的高分辨率轉(zhuǎn)換器更能抑制噪聲干擾。它的數(shù)字濾波器可抑制電源電壓上的寬帶噪聲，并去除來(lái)自模擬輸入和參考輸入的噪聲。在該儀器系統(tǒng)中，需要測(cè)量的電壓和電流信號(hào)的電路接法如圖3所示。利用AIN1采集參比電極和陰極之間的電壓信號(hào)，利用AIN2通道采集溶液體系的電流信號(hào)。Rf是跨導(dǎo)電阻，對(duì)于電流信號(hào)的檢測(cè)是通過(guò)I-V變換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

    使用高分辨率ADC時(shí)，電源和地的去耦設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。為此供電電源VDD應(yīng)采用電容旁路技術(shù)，采用O.1μF的旁路電容并以盡可能短的路徑連接各相應(yīng)的電源和地，這樣可旁路掉高頻成分。同時(shí)，還應(yīng)并聯(lián)1個(gè)10／μF的鉭電容旁路低頻成分。所有的邏輯芯片均應(yīng)通過(guò)O.1μF陶瓷電容來(lái)退耦。

2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    該電化學(xué)沉積試驗(yàn)儀器的軟件可分為三部分，固件程序、驅(qū)動(dòng)程序和終端應(yīng)用程序。
2．1 固件程序
    該USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)固件所完成的任務(wù)主要有以下兩項(xiàng)：
    (1)響應(yīng)主機(jī)USB請(qǐng)求，獲得系統(tǒng)配置，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)沉積儀器與主機(jī)之間的即插即用功能；
    (2)以100次／s的采樣頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，并把采樣得到的電壓或者電流信號(hào)傳送給USB主機(jī)。
    在該USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中用到三個(gè)端口：控制端口、IN端口和OUT端口。其中，控制端口完成響應(yīng)USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求的功能，IN端口用于把采集到的數(shù)據(jù)傳送給USB主機(jī)，OUT端口接收USB主機(jī)發(fā)送的控制命令。具體的軟件設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖4。

  [!--empirenews.page--]  該USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)固件設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分：
    ①設(shè)備枚舉，這個(gè)固件主要完成對(duì)USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求的響應(yīng)。系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求來(lái)獲得USB設(shè)備的配置和設(shè)備信息，并按照這些信息對(duì)USB進(jìn)行資源分配。
    ②數(shù)據(jù)采集。
    ③響應(yīng)設(shè)備請(qǐng)求，即響應(yīng)設(shè)備的讀寫請(qǐng)求，USB主機(jī)通過(guò)IN端口向USB采集系統(tǒng)發(fā)送控制數(shù)據(jù)采集的指令，通過(guò)OUT端口接收USB設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。
    對(duì)于USB采集系統(tǒng)，通過(guò)IN端口接收USB主機(jī)發(fā)給控制器的命令，這些命令信息包含采樣信號(hào)類型、采樣啟動(dòng)／停止標(biāo)志位等。其中采樣信號(hào)類型用第一個(gè)字節(jié)表示，采樣啟動(dòng)／停止標(biāo)志用第二個(gè)字節(jié)表示。IN端口也是USB的任務(wù)處理端口，接收命令碼通過(guò)對(duì)IN端口的事件處理程序?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)IN端口接收到數(shù)據(jù)后，控制器讀出接到的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和處理。
    USB主機(jī)通過(guò)OUT端口接收AT90USB1287發(fā)送給USB主機(jī)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)采用中斷的方法通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換而得到結(jié)果。
2．2 USB驅(qū)動(dòng)程序
    USB驅(qū)動(dòng)程序的作用是連接主機(jī)和USB設(shè)備。常用的Windows系統(tǒng)USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)軟件有DDK，DriverStudioS和WINDRIVER等。本文采用了開發(fā)相對(duì)靈活的DriverStudioS，該軟件配合DDKXP可以生成驅(qū)動(dòng)程序框架。通過(guò)添加和修改生成的驅(qū)動(dòng)程序框架即可完成該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。由固件程序可知，電化學(xué)沉積儀器需要三個(gè)USB端口，即：控制端口0、IN端口1以及OUT端口2。利用Driver-StudioS的開發(fā)包DriverWorks生成的驅(qū)動(dòng)程序并加以修改實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)端口的讀寫操作。在這里定義IN端口和OUT端口的類型均為BULK類型。通過(guò)修改、安裝INF文件，最終完成驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。
2．3 終端應(yīng)用程序
    終端應(yīng)用程序流程圖見(jiàn)圖5。該應(yīng)用程序采用VC 6.0編譯器進(jìn)行編程，當(dāng)下位機(jī)上電并與計(jì)算機(jī)連接之后，應(yīng)用程序首先要判斷電化學(xué)沉積實(shí)驗(yàn)儀器是否和主機(jī)連接正常。如果出現(xiàn)異常就要求系統(tǒng)重新連接，直到檢測(cè)到設(shè)備能正常通信為止。該應(yīng)用程序的界面操作不受后臺(tái)數(shù)據(jù)處理的影響，具體過(guò)程為；首先查找USB設(shè)備(電化學(xué)沉積儀器的設(shè)備句柄)，獲得設(shè)備句柄，封裝對(duì)USB設(shè)備操作的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，最后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。應(yīng)用程序和下位機(jī)之間的通信通過(guò)命令解析協(xié)議進(jìn)行。應(yīng)用程序可以設(shè)定試驗(yàn)類型，并對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行控制。這些操作實(shí)際上是向緩沖區(qū)讀寫數(shù)據(jù)的過(guò)程。根據(jù)通信協(xié)議，該過(guò)程中每一種命令都有其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)義字符。

    系統(tǒng)需要采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示，因此系統(tǒng)需使用WM TIMER消息來(lái)觸發(fā)設(shè)置定時(shí)器事件，以實(shí)現(xiàn)USB采集系統(tǒng)1 s采集100組電壓、電流信號(hào)的數(shù)據(jù)。在利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)繪圖顯示時(shí)，由于系統(tǒng)不斷更新屏幕，會(huì)出現(xiàn)視圖閃爍的情況。為了解決屏幕閃爍問(wèn)題，現(xiàn)在最常用的方法就是采用雙緩存的繪圖方法。具體做法如下：在OnDraw()函數(shù)中，在圖形繪制以前使用函數(shù)CreateCompatibleDC()和CreateCompatible-Bitmap()創(chuàng)建內(nèi)存設(shè)備上下文以及系統(tǒng)將要繪制到的位圖對(duì)象，然后執(zhí)行所有的繪圖操作，最后使用Bitmap()將整個(gè)內(nèi)存位圖移到可視窗口上。這樣就完全消除了屏幕抖動(dòng)的現(xiàn)象，可以看到曲線平穩(wěn)的移動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    軟、硬件及系統(tǒng)綜合調(diào)試之后，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。配置不同濃度的溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用ITO玻璃作為工作電極(陰極)，甘汞電極作為參比電極，鉑片作為對(duì)電極。先進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置(包括：實(shí)驗(yàn)類型、工作電壓電流值、工作頻率及試驗(yàn)時(shí)間等)。點(diǎn)擊完成設(shè)置，開始試驗(yàn)，即得到試驗(yàn)動(dòng)態(tài)曲線。
    圖6是恒電位條件下的I-t實(shí)時(shí)曲線的圖形界面。同樣可以得到恒流和脈沖電位實(shí)驗(yàn)的V-t，I-t曲線圖形。由于試驗(yàn)的需要，試驗(yàn)人員往往需要保存每次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖形，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理。因此，該應(yīng)用程序添加了圖形保存功能。只要在需要保存的圖形上點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，即可把試驗(yàn)圖形保存成BMP格式的圖片，并帶有試驗(yàn)的詳細(xì)信息。

4 結(jié) 語(yǔ)
    在實(shí)時(shí)的電化學(xué)沉積試驗(yàn)監(jiān)測(cè)中，該接口具有速度快、性能高、占CPU資源少的特點(diǎn)。USB 2．0協(xié)議的理論傳輸速度為480 Mb／s，實(shí)際傳輸速度往往要低于理論傳輸速度，但完全能滿足實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通信的需要。該接口使用方便、成本低，屬于小型高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它為電化學(xué)沉積實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在線的精確監(jiān)測(cè)診斷提供了數(shù)據(jù)支持。