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1、摘 要电化学工作站是一种电化学体系的检测分析设备，广泛应用于电化学基础研究、电镀、金属腐蚀与防护、电解和电化学电源等诸多领域。现在市场上流行的电化学工作站主要采用下位机接口上位机的结构，通常采用AT89C52等低性能的下位机进行电信号的控制和采集，用上位机进行数据的显示和分析，下位机与上位机之间采用RS232接口进行通讯。如果采用速度快、功耗低、内存大的ARM系统作为下位机，采用USB数据接口进行通讯，可以大幅提高电化学工作站的性能。基于ARM系列的STM32芯片和USB 接口的电化学工作站的研制工作至今尚未见报道。我们采用STM32F103C8T6芯片作为电化学工作站的主控芯片，利用USB模
2、块与上位机进行数据传输，实现了一台电化学工作站样机。在上位机上采用VS2010 C+ MFC 实现了人机交互界面，可以用于Window 7操作系统。利用该样机，我们对食盐水进行了电解分析。实验结果表明该电化学工作站能精确控制输出电压和采集输入电压，达到了预期的目的。关键词：电化学工作站；ARM 系统；USB接口技术；VS2010 ABSTRACTElectro-chemical working station is a kind of analysis instrument for electro-chemical system, widely used in many field, such
3、 as electro-chemical basic research, electro-deposition, metal-corrosion and protection, electrolysis and chemical electro-power sources.The slaver-interface-master structure is usually applied to the commercial electro-chemical working stations, in which the low-performance slaver, such as AT89C52,
4、 is used for the control and acquisition of electrical signals, the major is used for the data display and analysis, RS232 interface is used for the communication between the slaver and the major.If a high-speed, low-loss, and large-memory ARM system is used as the slaver, USB interface is used for
5、communication, the performance of the electro-chemical working station will be greatly enhanced. The design and instrumentation of an electro-chemical working station based on ARM STM32 chip and USB interface has not been reported until now.We realized a sample instrument of an electro-chemical work
6、ing station, using the STM32F103C8T6 chip as the slaver, USB interface for data communication. The user interface software is programmed using VS2010 C+ MFC， which can be used in Windows 7 operating system. Using this sample instrument, we analyzed the electrolysis of NaCl water solution. The experi
7、mental results show that the sample instrument can control the output voltage and acquire the input voltage precisely, the expected purpose is achieved. Keywords: The electro-chemical working station; ARM system; USB technique; VS2010 目 录第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状11.3 本论文研究的内容、目的及意义1第二章 电化学工作站系统总体
8、设计32.1 引言32.2 电化学工作站的原理32.3 电化学工作站下位机的系统结构52.4 本章小结7第三章 下位机的硬件设计83.1 引言83.2 各模块电路的设计83.2.1 USB接口设计83.2.2 数模转换电路设计93.2.3 频率计电路设计103.2.4 模数转换电路设计113.2.5 脉宽调制电路设计113.2.6 ARM最小系统电路设计123.2.7 电源电路设计143.3 本章小结15第四章 USB接口技术164.1 引言164.2 USB接口技术简介164.3 HID类的特点184.4 USB的实现方法204.4.1 ARM系统的USB实现方法204.4.2 C+的USB
9、实现方法214.5 本章小结22第五章 下位机程序设计235.1 引言235.2 KEIL开发环境介绍235.3 USB库介绍255.4 下位机各模块程序介绍255.4.1 USB接口程序设计255.4.2 模数转换模块程序设计265.4.3 数模转换模块程序设计285.4.4 频率计模块程序设计285.4.5 脉宽调制模块程序设计295.5 本章小结29第六章 上位机程序设计306.1 引言306.2 VS2010开发环境简介306.3 上位机程序的实现方法316.4 本章小结33第七章 总结347.1 实验及结果总结347.2 本论文研究完成的工作357.3 存在的问题及未来的展望35结束
10、语36参考文献37附录39外文资料45中文翻译53 天津工业大学本科毕业论文第一章 绪 论1.1 研究背景电化学工作站是电化学测量系统的简称，是电化学研究和教学中重要的测量设备，主要用于控制和监测电化学池中的电极的电位和电流的变化。电化学工作站在电化学机理、物质的定性定量分析、缓蚀剂评价、化学传感器、电池和电镀研究等领域有重要的应用。因此，研发功能强大、高性能、具有友好界面的电化学工作站具有广阔的前景。1.2 国内外研究现状早在20世纪50年代，电化学的测试技术就在国外得到发展。国内在20世纪八、九十年代才开始设计、制作电化学工作站1。20世纪80年代,江苏电分析仪器厂与中国科学技术大学合作研
11、制和生产了我国的第一代电化学工作站 2；2007年，哈尔滨理工大学的关星采用DSP作为处理器制作了一台电化学工作站，使用RS232转以太网接口完成DSP与PC机的数据通讯3；但由于通讯接口是232转以太网接口，所以通讯速率受到RS232协议的限制，通讯速率较低,大多是几十Kb/S；2009年，西安理工大学的杨晶晶研制的电化学工作站采用ARM7作为处理器，功耗更低，但ARM7的速度、功耗、性能远不如STM32系列的芯片。；2011年，第二炮兵工程学院的杨晶晶、罗正文、刘岩、慕晓刚采用AT89C52单片机研制的电化学工作站，采用RS232接口传输数据4。AT89C52是8位低性能单片机，已不能满足
12、现代的实验科研的任务要求。1.3 本论文研究的内容、目的及意义现在商品化的电化学工作站大多基于8位低性能单片机，少数使用DSP作为主控制器，ARM的STM32系列单片机是较新的高性能32位微处理器，使用ARM系统作为主控系统能极大的提升电化学工作站的性能，使用USB技术进行数据传输能进一步提升电化学工作站的性能，目前对于基于ARM系统的基于USB技术的电化学工作站的研究还较少。STM32系列的单片机具有速度快、功耗低、内存大等优点。本论文的内容主要有3个方面：第一点，在下位机的控制电路方面，我们用较新的32位高性能ARM微处理器代替大多数使用的8位低性能单片机。本论文使用的是意法半导体公司的微
13、处理器STM32F103C8T6，这是32位的处理器，使用Cortex -M3内核，主频可以达到72MHz，64K的flash，20K的SRAM，片内资源丰富，包含多种常用的芯片通信接口，12位的AD，1us转换时间（多达16个输入通道），综合性能相比于8位单片机提升不少。芯片的丰富的片内资源使得控制电路的相关电路简洁，复杂程度减小，这样可以提高整个系统的可靠性，同时也简化了电路的设计。对于使用DSP的电化学工作站，使用ARM微处理器代替DSP可以减少成本、降低研发难度，把相应的复杂的数字信号处理的内容由计算机完成，使电化学工作站的模块工作合理，提升整体的性能。第二点，我们使用USB技术代替R
14、S232串口进行数据传输。本论文使用USB2.0接口，使用USB1.1版本的协议，最大传输速率12M/S，比传统的RS232串口的传输速度大。USB即插即用的功能使得电化学工作站的使用方便，USB数据传输的机制使我们的电化学工作站的数据传输可靠性提高。RS232变得不再流行，但是USB在微型计算机的应用变得流行，这使得在实验室中搭建大的电化学工作站的相关测试系统变得方便。第三点，我们使用VS2010环境编译生成上位机软件。VS2010是目前最流行的Windows平台应用程序开发环境。支持开发面向Windows 7的应用程序。使用Windows 7系统的微型计算机增多，传统的编译环境如VC+是不
15、支持Windows 7的，能提供支持Windows 7系统的软件变得重要。本论文研究的意义是：使用意法半导体公司的32位高性能ARM芯片STM32F103C8T6作为的主控制器，极大地提升了电化学工作站的性能；使用USB技术进行数据传输使得下位机与PC上位机的数据传输变得快速，USB即插即用的特点使得电化学工作站的使用更方便；上位机的编译使用的是VS2010编译环境，使得生成的软件能较好的兼容流行的Win7操作系统。第二章 电化学工作站系统总体设计2.1 引言电化学工作站是一种技术综合性较强的设备，完成一台完整的电化学工作站的设计需要电子技术、计算机技术、EDA技术、电化学等多种技术及学科。本章将主要介绍电化学工作站的工作原理和系统的结构。2.2 电化学工作站的原理电化学是研究两类导体形成的带电界面现
