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电化学工作站下位机软件的开发.rar

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    编号:20180914220603309    类型:共享资源    大小:2.95MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    电化学 工作站 下位 软件 开发
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    1编号 毕 业 设 计(论文)题目 电化学工作站 下位机软件的开发 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 罗振 学号 11003080117 指导教师 李刚 职称 教授 时 间 2014.05.01-2014.06.8 2目录摘 要 ................................................................4Abstract................................................................51 引言 ..................................................................61.1 课题背景与意义 .........................................................................................................................61.2 国内外电化学工作站发展与研究 .............................................................................................61.2.1 国外电化学工作站的发展与研究现状 .........................................................................71.2.1 国内电化学工作站的发展与研究现状 .........................................................................81.3 课题主要研究内容 .....................................................................................................................91.4 本章小结 .....................................................................................................................................92 关键技术 .............................................................102.1 KEIL...........................................................................................................................................102.2 串口通讯 ...................................................................................................................................102.3 多通道通信同步 .......................................................................................................................112.4 电化学方法 ...............................................................................................................................132.3 本章小结 ...................................................................................................................................153 电化学工作站原理 .....................................................163.1 电化学工作站概述 ...................................................................................................................163.2 软件、硬件的关系 ...................................................................................................................163.3 电化学工作站硬件概述 ...........................................................................................................173.4 电化学工作站软件概述 ...........................................................................................................193.5 本章小结 ...................................................................................................................................204 需求分析 .............................................................214.1 系统需求分析 ...........................................................................................................................214.1.1 上下位机通信 ...............................................................................................................224.1.2 数据的发送与接收 .......................................................................................................224.1.3 参数设置 .......................................................................................................................234.1.4 电化学方法设置 ...........................................................................................................244.1.5 数据采集 .......................................................................................................................254.2 可行性分析 ...............................................................................................................................264.3 本章小结 ...................................................................................................................................275 电化学工作站下位机软件设计 ...........................................285.1 系统整体功能构架 ...................................................................................................................285.1 中断源设计 ...............................................................................................................................2935.2 上位机与下位机通信 ...............................................................................................................295.4 数据的发送与接收设计 ...........................................................................................................305.3 数模转换与模数转换 ...............................................................................................................305.5 主函数程序设计 .......................................................................................................................325.6 本章小结 ...................................................................................................................................336 电化学工作站下位机实现 ...............................................346.1 软件环境 ...................................................................................................................................346.2 上位机与下位机的通信实现 ...................................................................................................346.3 多通道通信同步实现 ...............................................................................................................356.4 关键代码 ...................................................................................................................................356.5 本章小结 ...................................................................................................................................377 电化学工作站下位机测试 ...............................................387.1 单通道电化学工作站 ...............................................................................................................387.2 多通道电化学工作站 ...............................................................................................................397.3 本章小结 ...................................................................................................................................42总结 ...................................................................43致谢 ...................................................................44参考文献 ...............................................................454摘 要分析化学的目的通过物理化学性质的改变,对物质做定性或定量的分析。电化学工作站是一种利用电化学方法进行物质检测和分析及表征的仪器,它具有简单、快速、准确、灵敏度高等优点,一直在分析化学、科学研究、经济生产中占据着较为重要的地位。本论文在分析化学、电化学理论方法基础上,开发与现有电化学工作站硬件相配套的下位机软件。该软件系统可以很好的兼容现有的硬件系统,可以完成上位机与下位机的之间的通信功能,并根据上位机指令,进行指令接收、通道设置、电化学方法设置、参数设置、数据采集、数据发送,完成多种电化学方法如伏安法、电流时间法等电化学分析功能。该下位机软件用 KEIL μVision 作为开发环境,用 C 语言进行编写。分析现有硬件设备的基本构成,并根据现有硬件设备的基本功能和特性,完成功能需求的设计与实现。经过测试之后的实验结果表明,本下位机软件能与该电化学工作站的硬件系统进行很好的配合,并能够准确、方便、快速、自动地控制电化学传感器采集数据、发送数据,很好的实现了电化学工作站应有的功能。关键字:电化学工作站;下位机软件;控制;数据采集5AbstractThe purpose of analytical chemistry by changing the physical and chemical properties of the substance qualitative or quantitative analysis. Electrochemical workstation is an electrochemical method of detection and analysis and material characterization instruments, it has a simple, rapid, accurate, high sensitivity, has been in analytical chemistry, science, economic production occupies a more important position.In this paper, analytical chemistry, electrochemistry theory, based on the existing electrochemical workstation hardware development and supporting the lower computer software. The software system can be well compatible with existing hardware systems, you can complete communication between the PC and the next crew. And according to the host computer commands via the command receiver, channel settings, electrochemical method to set the sensor parameters, sensor data collection, data transmission, complete a variety of electrochemical methods such as voltammetry, electrochemical current time analysis method.The next bit machine with KEIL μVision software as a development environment, using C language to write. Understand the basic structure of existing hardware devices. And in accordance with the basic functions and features of existing hardware devices. Design and implementation of functional requirements is completed.After the test results show that the lower machine software can be a good fit with the electrochemical workstation hardware system, and the ability to accurately and easily, quickly and automatically controlled electrochemical sensors, collect data, send data, good achieve the function of the electrochemical workstation.Keywords: Electrochemical Workstation; Lower Machine Software; Control; Data Collection61 引言1.1 课题背景与意义科学仪器是科学研究和技术发展的物质基础,科学仪器的研发和自主知识产权涉及国民经济长远发展。在分析化学中,仪器分析的重要发展趋势之一是借助计算机使设备智能化和实现多台设备联用,同时采集数据、分析数据。在仪器分析中,借助于计算机进行高智能和设备联用是它的重要研究方向。计算机在分析化学中的广泛应用,提高了仪器的精度、灵敏度、稳定性和自动化程度。过去仪器中复杂繁琐的操作步骤,如工作状态参数的调整、调零、数据采集和存储,正越来越多地由计算机程序完成。目前国内使用的电化学工作站大多数依赖进口,导致理论研究领域受限、应用研究成本偏高。虽然电化学工作站工作的基本原理可在公开发表的刊物上获取,但是国外公司对于研发进行保密,这使得很难获得相应的开发技术。电化学工作站开发目前仍处于比较落后的状态,尤其是设备智能化和设备联用方面。自主开发电化学工作站将推动科学仪器研发,进而推动科学研究和技术发展,有利于国民经济中自主知识产权的高技术比重的提高。1.2 国内外电化学工作站发展与研究由计算机控制的电化学测试仪通常称为电化学工作站(Electrochemical Workstation)。尽管大多数电化学仪器本质上是模拟性质的,但是计算机在电化学数据的采集和分析中还是起着很大的作用。随着计算机以及相关的接口技术的发展,计算机在电化学仪器中得到了广泛的应用。在数据获取及记录方面,可通过模数转换器(A/D Converter)在固定时间间隔内将数据数字化后进行记录,并做出相应分析。电化学工作站的主要优点是实验的智能化,可以储存大量的数据,以复杂的自动化方式操作数据,以及将数据以更加方便的方式进行展示 [1]。71.2.1 国外电化学工作站的发展与研究现状快速发展的电化学工作站是现代电子技术与电化学理论研究的产物,欧美先进国家电化学研究起步较早,并且凭借着自己先进的电子技术,使得其在电化学检测方面的研究在世界上也处于领先地位。目前荷兰、法国、美国等国家在电化学工作站的研究上投入了很大的人力、物力,在金属腐蚀与保护、电池检测,交流阻抗分析等诸多领域的应用取得了很多的成果 [2]。电化学测试是将多学科知识紧密结合的一项实验技术,它在电化学基础研究、金属腐蚀和防护等诸多领域得到广泛的应用。随着电子信息技术的飞速发展,电化学测试仪器的研制经历了从分离元器件电路到大规模、高品质集成电路的发展过程 [3]。仪器的外形尺寸越来越小,重量越来越轻,而仪器的性能(如响应时间、输入阻抗、电位/电流的控制精度等)相比以前有了大幅度的提高。更重要的是,随着近二十几年来计算机技术的快速发展和应用,电化学测试有了新的内涵。利用计算机技术控制整个电化学测试系统并使其协调运行,自动进行数据采集和数据处理的测试测量仪器越来越得到重视。随着计算机技术的高速发展,利用计算机、数字处理技术(单片机、ARM、DSP 等数字处理芯片)进行多种电化学分析测试的电化学工作站也得到了较快的发展 [4],在金属腐蚀和保护等不同的应用领域分别有了不同的产品。最初,测试仪器采用单片机作为前端机,简单的与微机进行相连接。但是由于软件支持少、接口不兼容以及产品商业化等问题,人们将工作站进行了改进,于是形成了以微机为上位机、单片机为下位机的二级系统。单片机进行数据的采集与存储,微机进行数据的管理和分析处理,应运而生了许多面向不同的应用方向的电化学工作站。其中最典型的产品有美国 Arbin 公司的 MSTAT 系列的多电极恒电位仪/恒电流仪和美国 Gamry 公司的电化学工作站。MSTAT 系列产品的每一个恒电位/恒电流通道有三种电流范围,多电极功能,每通道+12V 电压,+1A 电流输出,10 步双极脉冲列,500 纳秒脉冲的可选功能,每通道 10kHz 数据采集速率,具有 Windows 2000 操作系统,标准串行通讯,不需要额外的通讯卡,随机校准,带有循环伏安法测试软件。美国 Gamry 公司的电化学工作站的主要性能指标如下:最大电流3OmA/300mA/750mA,槽压 12V/20V/12V,频谱范围 10uHz 一 300kHz,扫描速率最高1200v/s,最小可检测电流 10pA 模块化多功能电化学工作站,代表产品为 PAR273A8电化学工作站,该产品采用不同的模块,在电化学腐蚀与保护、电池检测、交流阻抗测试时可以根据不同的需要选用不同的功能模块和电极,但是造价较高。通过以上分析,国外的电化学工作站起步比较早,技术领先,发展迅速但是价格较高,通常在 10 万美金左右。1.2.1 国内电化学工作站的发展与研究现状随着 1980 年到 2000 年计算机在国内的普及,电化学工作站的发展有了很大进步。20 世纪 90 年代初期,中国科学技术大学与江苏电分析仪器厂合作开发和生产了我国自行研制的第一代电化学工作站,进入 21 世纪后我国电化学界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 [5.6.7]。2008 年,中国科学技术大学化学系研制的 KD586 微机电化学分析系统通过了成果鉴定,其主要性能己经达到了国际同类产品的先进水平 [8]。同时,我国的科研工作者不断将多种电化学工作与实际研究工作相结合,例如将 Mec-12A 多功能电化学工作站与APPLE-11 型工作站应用到电化学腐蚀中 [9],进行电位溶出和计时电位溶出实验,研制出超微电极电化学仪器等等。产品结构也不断复杂,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,其电位分辨率可达 0.lmV,输出放大信号 10 倍。到 21 世纪初,我国的电化学工作站不断完善,逐步走向成熟,如天津兰力科公司生产的 LK98 系列电化学工作站,该公司首先推出用于电化学分析的 LK98A,恒电位范围为-4V 到 4V,电流为 100mA,电流检测下限为 200pA;随后与长春应用化学研究所研制的 ECS2000 电化学测试系统相结合又推出了 LK98B 电化学工作站,恒电位范围提高到-10V 到 10V。之后,随着电子技术的不断发展进步和软件开发力度的加大,又推出了 LK98Ⅱ,可进行 30 多种不同的电化学与电分析测试,系统稳定、功能强大。另外,还有北京中腐防蚀工程技术有限公司的 PS168 系列电化学测量系统、江苏电分仪器厂的 MEC-12B 多功能微机电化学分析仪、郑州杜甫仪器厂的 DF2002 电化学工作站等,这都展现了我国电化学工作站走向了自动化、智能化。综合了国内外电化学工作站的研究现状,目前市场上电池检测设备有以下特点:国外电化学工作站通常成本较高,价格昂贵,不能被广大的国内市场接受;国内厂9商生产的电化学测量仪器往往性能单一,只做恒电位仪,恒电流仪或阻抗测试一种功能,并且测量精度不高。1.3 课题主要研究内容本课题主要研究基于嵌入式电化学工作站的下位机软件的设计与实现,本文主要研究内容有以下几个方面:(1)嵌入式系统的基本工作原理和应用开发状况。嵌入式测控系统下位机的硬件组成、软件构架、上位机系统与下位机进行通讯的相关方法和技术。(2)电化学工作站的功能原理。介绍了几种电化学工作站的几种常规功能,进而分析并提出电化学工作站下位机软件的需求分析,初步设计出下位机软件的主体框架。(3)电化学方法的原理。介绍常用的电化学方法,了解常用的电化学方法的电压施加方式,进而设计电化学方法的算法。(4)下位机软件的设计和实现。设计良好的下位机软件,系统能根据上位机指令,完成包括指令接收、方法设置、参数设置、数据发送,以及常用的电化学分析方法如伏安法、电流时间法等在硬件系统中的实现。1.4 本章小结本章主要介绍了课题的选题背景和意义,以及电化学工作站在国内外的发展现状,最后对本论文要做的工作进行了介绍。102 关键技术2.1 KEILKeil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统,与汇编相比,C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。运行 Keil 软件需要 WIN98、NT、WIN2000、WINXP 等操作系统。如果你使用 C 语言编程,那么 Keil 几乎就是你的不二之选,即使不使用 C 语言而仅用汇编语言编程,其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。2.2 串口通讯串口通信是指外设和计算机之间,通过数据信号线、地线、控制线等,按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少,在远距离通信中可以节约通信成本,但其传输数据比并行传输低。串口通信即串口按位发送和接收字节。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口,这些参数必须匹配。波特率:这是一个衡量通信速度的参数。它表示每一秒钟的位的个数。例如300 波特表示每一秒钟发送 300 个位。通常电话线的波特率为14400、28800、36600。波特率可以远远大于这些值,但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信。数据位:这是一个衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包,实际的数据不会是 8 位的,标准的值位,如何设置取决于你想传送的信息。停止位:用于表示单个包的最后一位。典型的值为 1、1.5 和 2 位。由于数据是传输线上定时的,并且每一个设备有其自己的时钟,可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束,并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多,不同时钟同步的容忍程度越大,但是数据
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