引 言

智能儀器自動化程度的提高為科學研究提供了十分方便的實驗手段。電化學沉積儀器是由PC機控制的全自動的恒電位儀、恒電流儀及恒電位脈沖試驗儀的集合體。相對于手動的設備而言更為先進，功能更強大，試驗精度更高。具體工作時，儀器按照用戶設定的實驗類型執(zhí)行具體的試驗，同時采集系統(tǒng)實時的電壓和電流信號。采集到的信號，由儀器內置的微處理器解析后，轉換為數字信號反饋到上位機(PC機)。上位機的儀器數據處理軟件，具有強大的解析功能，可以對原始數據進行各種分析，得到研究體系的詳細信息。

在PC機控制的系統(tǒng)中，常采用通用串行總線(USB)進行通信。因為基于USB總線的數據采集系統(tǒng)具有安裝方便、可靠性高、數據不易丟失、抗干擾能力強、便于數據傳輸和處理等優(yōu)點，它已經逐漸成為現(xiàn)代數據傳輸的主要趨勢。隨著USB應用的日益廣泛，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，構成系統(tǒng)的電路簡單，調試方便，電磁兼容性好。
因此，本文設計的電化學沉積智能試驗儀器的數據采集系統(tǒng)采用了ATmel公司最新推出的處理器MCUAT90USB1287。該MCU內置有符合USB 2.0規(guī)范的接口。在該系統(tǒng)中，MCU承擔著數據采集和USB數據通信的雙重任務。

1 USB采集系統(tǒng)的設計

1.1 電化學沉積試驗儀工作原理

該儀器設置了三種實驗方式：恒電位、恒電流以及脈沖電位試驗。恒電位試驗，即工作電極的電位(相對于參比電極)保持恒定，而電流可能發(fā)生變化的試驗類型。恒電流試驗就是通過工作電極的電流保持不變，而其電位可能發(fā)生變化的試驗類型。脈沖電位試驗要求工作電極的電位是以某一形式的脈沖存在，具體通過改變其脈沖幅度和占空比實現(xiàn)。

電化學沉積儀器控制與采集方框圖如圖1所示。

       　　                      圖1

當控制計算機對儀器實驗類型和參數值進行預置時，AVR單片機把設定的類型和預置的數值送到液晶顯示器顯示，同時作為電流源或者電壓源的設定值通過D/A轉換輸出，并作為參考信號提供給控制電路。當用戶選擇恒流實驗時，I-V轉換模塊把從檢測電路得到的工作電極的電流值轉換成其相應的電壓信號，該信號和D/A轉換器輸出的電壓控制信號構成電壓偏差，由PID控制器將按其比例、積分、微分運算后，通過線性組合構成控制量，從而達到通過負載的電流恒定的目的。當選擇恒電位試驗時，從D/A輸出的電壓信號和檢測電路部分得到的電壓信號構成的偏差量，經過PID控制器使輸出信號加在參比電極和工作電極之間，通過PID控制器對參數的調整使兩者之間的電壓恒定。當進行脈沖實驗的時候，單片機通過調整輸出脈沖波形經過PID控制器輸出給負載。與此同時，不同試驗方式下工作電極中的電流、電壓及脈沖電壓信號經A/D采樣之后由USB接口發(fā)往上位機進行顯示。

1.2 電化學沉積試驗儀數據采集硬件組成

電化學沉積試驗儀器的數據采集硬件包括：采集電壓信號的A/D轉換器，控制試驗設定值的PID控制器，提供PID控制器信號輸入的16位D/A轉換器，帶有USB模塊的MCIJ以及PC控制終端等，如圖2所示。

                                    圖2

該采集系統(tǒng)的采集信號包括陰極電位和電流信號采集。電流信號的采集通過采集檢測電阻兩端的電壓信號得到。當進行恒電位和脈沖電位試驗時，A/D轉換器可以通過采集參比電極和工作電極的電勢差獲得電壓信號。類似地，當進行恒電流試驗時，電流信號是通過I-V跨阻放大器得到的。

AD7794比傳統(tǒng)的高分辨率轉換器更能抑制噪聲干擾。它的數字濾波器可抑制電源電壓上的寬帶噪聲，并去除來自模擬輸入和參考輸入的噪聲。在該儀器系統(tǒng)中，需要測量的電壓和電流信號的電路接法如圖3所示。利用AIN1采集參比電極和陰極之間的電壓信號，利用AIN2通道采集溶液體系的電流信號。Rf是跨導電阻，對于電流信號的檢測是通過I-V變換電路來實現(xiàn)的。

                                       圖3

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

2 軟件系統(tǒng)的設計

該電化學沉積試驗儀器的軟件可分為三部分，固件程序、驅動程序和終端應用程序。

2.1 固件程序

該USB數據采集系統(tǒng)固件所完成的任務主要有以下兩項：

(1)響應主機USB請求，獲得系統(tǒng)配置，實現(xiàn)電化學沉積儀器與主機之間的即插即用功能;

(2)以100次/s的采樣頻率對信號進行采樣，并把采樣得到的電壓或者電流信號傳送給USB主機。

在該USB數據采集系統(tǒng)中用到三個端口：控制端口、IN端口和OUT端口。其中，控制端口完成響應USB標準請求的功能，IN端口用于把采集到的數據傳送給USB主機，OUT端口接收USB主機發(fā)送的控制命令。具體的軟件設計流程圖見圖4。

                                     圖4

該USB數據采集系統(tǒng)固件設計包括三個部分：

①設備枚舉，這個固件主要完成對USB標準請求的響應。系統(tǒng)通過發(fā)送USB標準請求來獲得USB設備的配置和設備信息，并按照這些信息對USB進行資源分配。

②數據采集。

③響應設備請求，即響應設備的讀寫請求，USB主機通過IN端口向USB采集系統(tǒng)發(fā)送控制數據采集的指令，通過OUT端口接收USB設備發(fā)送的數據。

對于USB采集系統(tǒng)，通過IN端口接收USB主機發(fā)給控制器的命令，這些命令信息包含采樣信號類型、采樣啟動/停止標志位等。其中采樣信號類型用第一個字節(jié)表示，采樣啟動/停止標志用第二個字節(jié)表示。IN端口也是USB的任務處理端口，接收命令碼通過對IN端口的事件處理程序實現(xiàn)。當IN端口接收到數據后，控制器讀出接到的數據并對數據進行解碼和處理。
USB主機通過OUT端口接收AT90USB1287發(fā)送給USB主機的數據，這些數據采用中斷的方法通過A/D轉換而得到結果。

2.2 USB驅動程序

USB驅動程序的作用是連接主機和USB設備。常用的Windows系統(tǒng)USB驅動程序設計軟件有DDK，DriverStudioS和WINDRIVER等。本文采用了開發(fā)相對靈活的DriverStudioS，該軟件配合DDKXP可以生成驅動程序框架。通過添加和修改生成的驅動程序框架即可完成該系統(tǒng)驅動程序開發(fā)。由固件程序可知，電化學沉積儀器需要三個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生成的驅動程序并加以修改實現(xiàn)了對兩個端口的讀寫操作。在這里定義IN端口和OUT端口的類型均為BULK類型。通過修改、安裝INF文件，最終完成驅動程序的開發(fā)。

2.3 終端應用程序

終端應用程序流程圖見圖5。該應用程序采用VC 6.0編譯器進行編程，當下位機上電并與計算機連接之后，應用程序首先要判斷電化學沉積實驗儀器是否和主機連接正常。如果出現(xiàn)異常就要求系統(tǒng)重新連接，直到檢測到設備能正常通信為止。該應用程序的界面操作不受后臺數據處理的影響，具體過程為;首先查找USB設備(電化學沉積儀器的設備句柄)，獲得設備句柄，封裝對USB設備操作的動態(tài)鏈接庫，最后對采集的數據進行處理和顯示。應用程序和下位機之間的通信通過命令解析協(xié)議進行。應用程序可以設定試驗類型，并對試驗進行控制。這些操作實際上是向緩沖區(qū)讀寫數據的過程。根據通信協(xié)議，該過程中每一種命令都有其對應的轉義字符。

                                   圖5

系統(tǒng)需要采集實時數據并實時顯示，因此系統(tǒng)需使用WM TIMER消息來觸發(fā)設置定時器事件，以實現(xiàn)USB采集系統(tǒng)1 s采集100組電壓、電流信號的數據。在利用這些數據進行實時繪圖顯示時，由于系統(tǒng)不斷更新屏幕，會出現(xiàn)視圖閃爍的情況。為了解決屏幕閃爍問題，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()函數中，在圖形繪制以前使用函數CreateCompatibleDC()和CreateCompatible-Bitmap()創(chuàng)建內存設備上下文以及系統(tǒng)將要繪制到的位圖對象，然后執(zhí)行所有的繪圖操作，最后使用Bitmap()將整個內存位圖移到可視窗口上。這樣就完全消除了屏幕抖動的現(xiàn)象，可以看到曲線平穩(wěn)的移動。

3 實驗結果

軟、硬件及系統(tǒng)綜合調試之后，進行試驗測試。配置不同濃度的溶液進行實驗，用ITO玻璃作為工作電極(陰極)，甘汞電極作為參比電極，鉑片作為對電極。先進行試驗參數設置(包括：實驗類型、工作電壓電流值、工作頻率及試驗時間等)。點擊完成設置，開始試驗，即得到試驗動態(tài)曲線。

                                        圖6

圖6是恒電位條件下的I-t實時曲線的圖形界面。同樣可以得到恒流和脈沖電位實驗的V-t，I-t曲線圖形。由于試驗的需要，試驗人員往往需要保存每次的實驗結果和圖形，以便對數據進行分析整理。因此，該應用程序添加了圖形保存功能。只要在需要保存的圖形上點擊鼠標左鍵，即可把試驗圖形保存成BMP格式的圖片，并帶有試驗的詳細信息。

4 結 語

在實時的電化學沉積試驗監(jiān)測中，該接口具有速度快、性能高、占CPU資源少的特點。USB 2.0協(xié)議的理論傳輸速度為480 Mb/s，實際傳輸速度往往要低于理論傳輸速度，但完全能滿足實驗室電化學試驗數據通信的需要。該接口使用方便、成本低，屬于小型高速數據采集系統(tǒng)，它為電化學沉積實驗系統(tǒng)在線的精確監(jiān)測診斷提供了數據支持。