基于USB接口的電化學(xué)沉積儀器數據采集系統的研究

1 USB采集系統的設計
1．1 電化學(xué)沉積試驗儀工作原理
該儀器設置了三種實(shí)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(lèi)型。恒電流試驗就是通過(guò)工作電極的電流保持不變，而其電位可能發(fā)生變化的試驗類(lèi)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(guò)改變其脈沖幅度和占空比實(shí)現。
電化學(xué)沉積儀器控制與采集方框圖如圖1所示。

當控制計算機對儀器實(shí)驗類(lèi)型和參數值進(jìn)行預置時(shí)，AVR單片機把設定的類(lèi)型和預置的數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定值通過(guò)D／A轉換輸出，并作為參考信號提供給控制電路。當用戶(hù)選擇恒流實(shí)驗時(shí)，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(guò)線(xiàn)性組合構成控制量，從而達到通過(guò)負載的電流恒定的目的。當選擇恒電位試驗時(shí)，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(jīng)過(guò)PID控制器使輸出信號加在參比電極和工作電極之間，通過(guò)PID控制器對參數的調整使兩者之間的電壓恒定。當進(jìn)行脈沖實(shí)驗的時(shí)候，單片機通過(guò)調整輸出脈沖波形經(jīng)過(guò)PID控制器輸出給負載。與此同時(shí)，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(jīng)A／D采樣之后由USB接口發(fā)往上位機進(jìn)行顯示。
1．2 電化學(xué)沉積試驗儀數據采集硬件組成
電化學(xué)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。

該采集系統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(guò)采集檢測電阻兩端的電壓信號得到。當進(jìn)行恒電位和脈沖電位試驗時(shí)，A／D轉換器可以通過(guò)采集參比電極和工作電極的電勢差獲得電壓信號。類(lèi)似地，當進(jìn)行恒電流試驗時(shí)，電流信號是通過(guò)I-V跨阻放大器得到的。
AD7794比傳統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(lái)自模擬輸入和參考輸入的噪聲。在該儀器系統中，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(guò)I-V變換電路來(lái)實(shí)現的。

使用高分辨率ADC時(shí)，電源和地的去耦設計是至關(guān)重要的。為此供電電源VDD應采用電容旁路技術(shù)，采用O.1μF的旁路電容并以盡可能短的路徑連接各相應的電源和地，這樣可旁路掉高頻成分。同時(shí)，還應并聯(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通過(guò)O.1μF陶瓷電容來(lái)退耦。

2 軟件系統的設計
該電化學(xué)沉積試驗儀器的軟件可分為三部分，固件程序、驅動(dòng)程序和終端應用程序。
2．1 固件程序
該USB數據采集系統固件所完成的任務(wù)主要有以下兩項：
(1)響應主機USB請求，獲得系統配置，實(shí)現電化學(xué)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(jìn)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(jiàn)圖4。