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电化学工作站-上位机控制软件的开发.rar

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    编号:20180913212648396    类型:共享资源    大小:37.81MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-13
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    电化学 工作站 上位 控制 软件 开发
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    编号 毕 业 设 计(论文)题目 电化学工作站 上位机控制软件的开发 二级学院 计算机科学与工程 专 业 软件工程 班 级 110030801 学生姓名 毕韦铨 学号 11003080101 指导教师 李刚 职称 教授 时 间 2014.05.20 目录摘要 .........................................................................1Abstract ....................................................................21 引言 ......................................................................31.1 课题背景以及研究意义 ..................................................31.2 国外研究成果 ..........................................................41.3 国内研究成果 ..........................................................51.4 课题主要工作 ..........................................................62 需求分析 .................................................................72.1 系统需求概述 ..........................................................72.2 系统用例分析 ..........................................................82.2.1 串口连接 ........................................................92.2.2 通道连接 ........................................................92.2.3 多通道数据发送 ..................................................92.2.4 多通道数据接收与显示 ...........................................102.2.5 UI 界面设计 ....................................................102.2.6 窗体与用户的互动 ...............................................112.2.7 窗体分栏 .......................................................112.2.8 数据可视化处理 .................................................112.2.9 方法参数换算与设置 .............................................122.3 系统活动分析 .........................................................122.3.1 串口连接 .......................................................122.3.2 通道连接 .......................................................142.3.3 多通道数据发送 .................................................162.3.4 多通道数据接收与显示 ...........................................172.3.5 UI 界面设计 ....................................................182.3.6 窗体与用户的互动 ...............................................182.3.7 窗体分栏 .......................................................202.3.8 数据可视化处理 .................................................222.3.9 方法参数换算与设置 .............................................242.4 该项目的可行性分析 ...................................................263 系统设计 ................................................................283.1 系统功能架构 .........................................................283.2 通讯协议概述 .........................................................293.2.1 上位机对于下位机的通讯描述 .....................................293.2.2 下位机对上位机的通讯描述 .......................................303.3 详细功能模块描述 .....................................................303.3.1 串口连接 .......................................................313.3.2 通道连接 .......................................................333.3.3 多通道数据发送 .................................................363.3.4 多通道数据接收与显示 ...........................................373.3.5 UI 界面设计 ....................................................403.3.6 窗体与用户的互动 ...............................................413.3.7 窗体分栏 .......................................................433.3.8 数据可视化处理 .................................................443.3.9 方法参数换算与设置 .............................................454 系统实现 ................................................................464.1 开发环境与代码层次 ...................................................464.2 功能模块的实现 .......................................................474.2.1 串口连接 .......................................................474.2.2 通道连接 .......................................................474.2.3 多通道数据发送 .................................................484.2.4 多通道数据接收与显示 ...........................................494.2.5 UI 界面设计 ....................................................494.2.6 窗体与用户的互动 ...............................................524.2.7 窗体分栏 .......................................................544.2.8 数据可视化处理 .................................................554.2.9 方法参数换算与设置 .............................................555 结束语 ..................................................................575.1 工作总结 .............................................................575.2 进一步的研究与展望 ...................................................57致谢 ........................................................................58参考文献 ...................................................................591摘要电化学工作站,可以用于研究电化学机理、生物技术、物质的定性定量分析、常规电化学测试、等各种化学的科学研究,占据相当重要的地位。化学实验是一项对于数据要求非常严谨的科学活动。其中,电分析化学则是通过一系列精密的电子仪器的测量,从而得出相对严谨的用于生产实验活动参考的数据的一门学科,而电化学工作站则是其中的重要的测量仪器之一。本论文描述并讨论了在 Windows7 操作系统的基础下,使用 Visual Studio 2010 开发工具以及 C++语言中的 MFC 窗体框架,所开发的上位机控制器软件程序。该程序包括的功能有:(1)串口设备扫描与连接:扫描接入系统串口的设备,并连接、初始化串口;(2)通道扫描与选择:扫描检查设备通道,以供用户选择;(3)多通道数据发送:通过通讯协议与标识符以绑定通道,实现不同通道的方法、参数设置,以及数据接收;(4)多通道数据接收与显示:通过识别通道数据,在画面上显示经过处理的数据;(5)UI 界面布局:设计出友好的窗体、控件布局,方便用户的操作与使用;(6)窗体与用户的互动:在程序中设定好消息响应动作,使软件能对用户的动作做出反应;(7)窗体分栏:根据用户需要对界面进行分栏处理;(8)数据可视化处理:将下位机传回的十六进制数据转换成一般人能理解的十进制数,以及以图像方式显示数据;(9)方法参数换算与设置:将用户输入的方法参数转换为下位机能理解的方法码,之后将其发送。论文中将会从浅到深,从表到里的讲解本系统的程序、数据结构、运行效果等,全面的介绍上位机控制软件。关键词:电化学工作站,上位机软件,控制,数据采集,MFC2AbstractElectrochemical workstation can be used to study the electrochemical mechanism, biotechnology, quantitative and qualitative materials analysis, conventional-electrochemical tests, etc., and other chemical research, occupies a very important position.Chemistry experiments are scientific activities which require a very accurate data. Among them, electro analytical chemistry is a kind of chemistry major that can get data which is accurate and useful for production experiment, through a series of measurements with sophisticated electronic measurement instruments, and electrochemical workstation is one of the important measurement instruments.This thesis describes and discusses a visual controllable software, which is based on Windows7, is developed with Visual studio 2010, MFC form framework included by C++ language. It contains functions like (1)The serial port equipment connecting and scanning : scanning and connecting serial devices which is accessed to the system; (2)Channel scanning and selecting : scanning channels owned by the equipment, for the users to choose;(3)Multi channels data sending: through the communication protocol and the identifier to bind channels with documents , for users to set method, parameters, and receive data; (4)Multi channel data reception and display: by identifying the channel data, display processed data on the screen; (5) UI interface layout: design a friendly form, layout, operation, which is easy for users to use; (6)Interaction between users and form: set the response action in the program, the software can respond to a user's motions; (7)Form splitting: according to the needs of use, split the form into 2 parts; (8)Data visual processing: transform the hexadecimal data into decimal data and make it display on the screen, (9)Parameter transforming and setting: transform parameters into lower-level data then send them.This thesis will describe this system’s program, data structure, runtime effect etc., from shallow to deep, from the surface to the inner.Keywords: electrochemical workstation, PC visual controllable software, control, data acquisition, MFC31 引言1.1 课题背景以及研究意义随着现代社会的计算机技术越来越成熟,计算机的处理能力越来越高速度越来越快,计算机技术,与各种生产活动越来越息息相关,通过计算机精密的测量,以及高速的计算能力,能对生产、科研等各方面造成极大的方便。电化学工作站主要用于研究电化学机理、生物技术、物质的定性定量分析、常规电化学测试、纳米科学研究、传感器研究、金属腐蚀研究、电池研究、电镀研究等不同方面 [1]。化学上关于电化学的应用,有电解池与电池之分。在某种能导电的溶液中,插入两根电极,从电极输入电能以使溶液发生反应的,是电解池;而通过溶液中的化学物质发生反应产生电能,并使电能从电极输出的,是电池。一般的化学反应都是在化学物质在宏观上进行接触并使之在某种环境(如特定的温度、气压等)下进行反应的,而电池和电解池的化学物质并没有在宏观上进行接触,而是在溶剂中溶解成电解质后,在电极所接入的一个连通的电路中进行反应的,这种化学反应成为电化学反应。而电分析化学,则是通过收集电化学反应所得出的数据,并进行分析,得出某个结论的一种化学活动。一般的电化学工作站组成有三部分:三电极体系、硬件、软件。三电极体系是通过电化学原理对作为电解质的物质进行分析,以了解其化学性质的仪器,通过电极对电解质进行电解,然后测量出相关的电压、电流量。三电极体系是电化学工作站的终端。硬件部分也成为下位机。下位机连接着计算机与三电极体系,能发生信号,或转换信号的类型,能进行数据集,等等。硬件部分主要利用集成运算放大原理构成。软件部分也称为上位机,是整个电化学工作站的控制端,给用户提供了可视化操作接口,可以对硬件进行控制,采集硬件发送的数据,对数据进行处理与存储,最终形成可视化的,易于理解的结果。近年来,国内外的电化学分析测试仪器在电池市场高速发展的趋势下,得到了蓬勃发展。多种不同系列的电化学分析测试仪器被多家公司研发、生产。4电池技术的快速发展,推动电化学分析仪器行业的发展,电化学工作站是检测仪器中高端深层次的一种综合检测分析仪器,它的发展正处于新的变革时期,无论从技术上还是从需求上来说。1.2 国外研究成果电化学工作站,是现代的计算机信息技术与电化学理论实践相结合后所产生的技术。对于欧美等国家,由于他们对电化学技术的研究起步比较早,而且在电子技术与计算机技术上相对于我们,拥有先天的技术优势,因此他们在此领域内一直领先于国内,即便是对于世界而言,在电化学检测研究上也处于较为领先的地位。早在上世纪的 50 年代,Delahay 已经系统地从理论上研究讨论了在研究电化学过程动力学时可以使用交流刺激的方法。其后的 60 年代初,Sluyters(荷兰物理化学家)通过实验,成功实现了如何将交流阻抗谱方法应用于电化学过程研究,开始了电化学阻抗谱领域的新研究。目前许多欧美发达国家,在先天技术优势的条件下,投入极大的人力物力去研究电化学工作站技术,在金属腐蚀与保护、电池检测、交流阻抗分析等领域取得了诸多成果。电化学测试广泛在电镀、电化学基础研究、电解、金属腐蚀与防护、电化学电源和电分析化学等等的众多领域广有应用。随着电子技术以及信息技术的迅速发展,与近年来计算机越来越高的运算能力,及计算机软件技术的快速发展和应用,电化学工作站开始引入计算机技术。计算机技术用于对测试系统进行控制和协调,采集和处理实验数据。刚开始时,由于技术结合不成熟,测试仪器采用单片机作为前端,与微机的连接过于简单,于是乎造成了这种单片机控制的简单连接的电化学测试系统的诸多问题:单片机所支持的软件太少以至于对操作人员的要求过高,人员成本不菲;工作站系统的接口结构复杂,无法用于一般的计算机接口,需要特别制作,无法普遍使用,造成设备成本高、可移植性差。因此,人们对工作站进行了改进,形成了以微机为上位机作为系统控制端、单片机为现场站的二级系统。单片机对数据进行采集与存储之类的底层操作,微机对数据进行管理与分析之类的上层操作,并以此作为基础,根据不同应用需求的各种各样的电化学工作站依次5衍生而出,形成了电化学工作特有的技术市场。电化学分析领域中有着多种的测试方法,但其中也有比较常用的方法,常用的主要方法分别有:恒电位、恒电流、线性扫描、脉冲、方波、交流技术、阻抗测试等等,对于相同的实验材料以及实验环境,使用多种不同的测试方法进行实验,便可以获得较为全面的实验数据。随着计算机技术的高速发展,结合计算机与单片机而使用多种测试方法的电化学工作站得到了较快的发展,在金属腐蚀保护、超级电容测量、电池检测、电镀和金属提炼等不同的应用领域分别有了不同的产品。1.3 国内研究成果1980 到 1990 年计算机在国内的普及,大大加快了电化学工作站的发展,20 世纪 80 年代初,江苏电分析仪器厂与中国科学技术大学合作开发出我国第一代自主研发的电化学工作站,在 20 世纪 90 年代出现了研制开发智能化、多功能、微机自动控制电化学综合分析测试系统的小高潮。1997 年,中国科学技术大学化学系研制出 KD586 微机电化学分析系统,经过试验测试与成果鉴定,其性能已经与国际先进技术水平持平。同时,国内科研人员将多种电化学工作与实际研究工作相结合,如将 MEC.12A 多功能电化学工作站与 APPLE.II型工作站应用于电化学腐蚀领域中,研制出超微电极电化学仪器等。产品技术与结构也越来越复杂高端,如以单片机为前端机,结合 HDV-7 恒电位仪研制的微机化电化学测试系统,电位分辨率可达 0.1mV,输出放大信号 10 倍。进一步出现了以单片机为现场站,以微机为上位机的二级系统,大大提高了系统的可移植性。到了 20 世纪 90 年代末,国内电化学工作站技术不断完善,逐步走向成熟,走向了自动化、智能化。交流阻抗测试是电化学测量中有效的工具,国外的交流阻抗测量系统虽然比较成熟但是价格昂贵,国内的科研工作者一直在致力于这方面的研究,如张小武发明了采用拉普拉斯变换的交流阻抗测量系统(0.01kHz 到 10kHz),董泽华等基于高速数据采集并采用计算机拟合研制了频域法的阻抗测量。但仍然落后于欧美先进厂商的同类产品,进一步提高频率测量范围和准确度、缩短在低频的测量时间和改进仪器设备将成为今后国内电化学仪器研发的重点。 [2]61.4 课题主要工作本论文旨在从电化学工作站的工作原理、简单的仪器说明开始,一步一步的从下位机软件的简单介绍,上下位机的通讯协议、数据交互等,然后着重介绍并说明所开发的上位机控制软件的系统结构,关键性问题,以及开发思路等,最终完整地将整个电化学工作站的软件系统呈现出来,以记录并介绍出开发项目的工作成果。在电化学工作站的开发任务中,本论文着重描述上位机软件的一些功能性与视觉性的模块进行开发,如获取串口所连接的设备,并在窗口中显示;绘制方法设置窗口,将参数进行换算;与下位机进行通信,包括发送信号、参数等,并接收下位机的返回数据,将至换算为可读取数据,并将至可视化;各个不同窗口的视觉性布局,使用户获得舒适的视觉体验;某些特殊窗口需要进行动态的控件显示与布局;各个菜单项、工具栏、按钮等控件的布局,以及与之相应的消息相应函数等;某些特殊控件的动态变化,如图标、文字标题等动态变化。72 需求分析本课题研究的是能够响应生物化学量,并按一定规律将其转换成电信号输出的,名为电化学工作站的装置的上位机控制软件的开发。该装置主要用于研究电化学机理、物质的定性定量分析,而本系统是基于嵌入式电化学工作站,要求编写上位机控制软件系统,包括指令发送、常用的电化学分析方法如伏安法、溶出法、电流时间法、电压时间法等的方法设置、上述各种方法的参数设置,以及数据接收、存储、处理、可视化、交互式帮助等工作,对于生物化学的各种不同的化学测量实验提供精确而有效的实验数据,以有助于将实验成功进行并完成,然后将有效的实验成果推广到大规模的生产活动。除核心的通讯、数据等功能外,还有一些次要的界面、UI 方面的功能,如窗口的自动化缩放、动态创建新窗口,窗口按钮、编辑框等各种控件的布局,以及对于 Windows 自带的功能性程序链接等,会在接下来的部分一一介绍。2.1 系统需求概述由于本人主要负责的部分为上位机软件开发,因此着重说明上位机的开发目标。有关于上位机的开发目标以及关键性问题如下:(1)串口连接:串口信息的读取,串口的连接,以及串口通信的初始化。(2)通道连接:扫描机器可用的通道,并将其以可视化方式显示与用户界面,同时使用户可以选择可用通道。(3)多通道通讯:在选取好通道之后,每个子窗口需要分别于相应的通道进行通讯,上位机应能对下位机传输测量数据,能对下位机的测量方法进行操控;能接受下位机所返回的数据。(4)多通道数据显示:需要在程序中根据所选择的通道,动态新建文档与视图,并让程序自动判别所选用通道,使之在相应的视图上进行示波绘图。(5)友好的 UI 界面:上位机是对于工作站的表层,包括友好易懂的用户 UI界面,可以引导用户便捷地通过 Windows 操作系统,用鼠标、键盘进行操作。(6)窗体与用户的互动:上位机软件中,有时候需要与用户的操作进行互动,即消息的相应、动态的改变窗口及窗口上的空间的状态,如图标,文字,大小,
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