基于USB接口的电化学沉积仪器数据采集系统的研究

0 引 言

　　智能仪器自动化程度的提高为科学研究提供了十分方便的实验手段。电化学沉积仪器是由PC机控制的全自动的恒电位仪、恒电流仪及恒电位脉冲试验仪的集合体。相对于手动的设备而言更为先进，功能更强大，试验精度更高。具体工作时，仪器按照用户设定的实验类型执行具体的试验，同时采集系统实时的电压和电流信号。采集到的信号，由仪器内置的微处理器解析后，转换为数字信号反馈到上位机(PC机)。上位机的仪器数据处理软件，具有强大的解析功能，可以对原始数据进行各种分析，得到研究体系的详细信息。

　　在PC机控制的系统中，常采用通用串行总线(USB)进行通信。因为基于USB总线的数据采集系统具有安装方便、可靠性高、数据不易丢失、抗干扰能力强、便于数据传输和处理等优点，它已经逐渐成为现代数据传输的主要趋势。随着USB应用的日益广泛，ATmel，Intel，ScanLogic，Cypress和Phillps等芯片厂商都推出了嵌入MCU的USB控制器。这些微控制器功能强，构成系统的电路简单，调试方便，电磁兼容性好。

　　因此，本文设计的电化学沉积智能试验仪器的数据采集系统采用了ATmel公司最新推出的处理器MCUAT90USB1287。该MCU内置有符合USB 2．0规范的接口。在该系统中，MCU承担着数据采集和USB数据通信的双重任务。

　　1 USB采集系统的设计

　　1．1 电化学沉积试验仪工作原理

　　该仪器设置了三种实验方式：恒电位、恒电流以及脉冲电位试验。恒电位试验，即工作电极的电位(相对于参比电极)保持恒定，而电流可能发生变化的试验类型。恒电流试验就是通过工作电极的电流保持不变，而其电位可能发生变化的试验类型。脉冲电位试验要求工作电极的电位是以某一形式的脉冲存在，具体通过改变其脉冲幅度和占空比实现。

　　电化学沉积仪器控制与采集方框图如图1所示。

　　当控制计算机对仪器实验类型和参数值进行预置时，AVR单片机把设定的类型和预置的数值送到液晶显示器显示，同时作为电流源或者电压源的设定值通过D／A转换输出，并作为参考信号提供给控制电路。当用户选择恒流实验时，I-V转换模块把从检测电路得到的工作电极的电流值转换成其相应的电压信号，该信号和D／A转换器输出的电压控制信号构成电压偏差，由PID控制器将按其比例、积分、微分运算后，通过线性组合构成控制量，从而达到通过负载的电流恒定的目的。当选择恒电位试验时，从D／A输出的电压信号和检测电路部分得到的电压信号构成的偏差量，经过PID控制器使输出信号加在参比电极和工作电极之间，通过PID控制器对参数的调整使两者之间的电压恒定。当进行脉冲实验的时候，单片机通过调整输出脉冲波形经过PID控制器输出给负载。与此同时，不同试验方式下工作电极中的电流、电压及脉冲电压信号经A／D采样之后由USB接口发往上位机进行显示。

　　1．2 电化学沉积试验仪数据采集硬件组成

　　电化学沉积试验仪器的数据采集硬件包括：采集电压信号的A／D转换器，控制试验设定值的PID控制器，提供PID控制器信号输入的16位D／A转换器，带有USB模块的MCIJ以及PC控制终端等，如图2所示。

　　该采集系统的采集信号包括阴极电位和电流信号采集。电流信号的采集通过采集检测电阻两端的电压信号得到。当进行恒电位和脉冲电位试验时，A／D转换器可以通过采集参比电极和工作电极的电势差获得电压信号。类似地，当进行恒电流试验时，电流信号是通过I-V跨阻放大器得到的。

　　AD7794比传统的高分辨率转换器更能抑制噪声干扰。它的数字滤波器可抑制电源电压上的宽带噪声，并去除来自模拟输入和参考输入的噪声。在该仪器系统中，需要测量的电压和电流信号的电路接法如图3所示。利用AIN1采集参比电极和阴极之间的电压信号，利用AIN2通道采集溶液体系的电流信号。Rf是跨导电阻，对于电流信号的检测是通过I-V变换电路来实现的。

　　使用高分辨率ADC时，电源和地的去耦设计是至关重要的。为此供电电源VDD应采用电容旁路技术，采用O.1μF的旁路电容并以尽可能短的路径连接各相应的电源和地，这样可旁路掉高频成分。同时，还应并联1个10／μF的钽电容旁路低频成分。所有的逻辑芯片均应通过O.1μF陶瓷电容来退耦。

　　2 软件系统的设计

　　该电化学沉积试验仪器的软件可分为三部分，固件程序、驱动程序和终端应用程序。

　　2．1 固件程序

　　该USB数据采集系统固件所完成的任务主要有以下两项：

　　(1)响应主机USB请求，获得系统配置，实现电化学沉积仪器与主机之间的即插即用功能；

　　(2)以100次／s的采样频率对信号进行采样，并把采样得到的电压或者电流信号传送给USB主机。