駿龍科技推出最新MCUM355多功能電化學(xué)模塊產(chǎn)品

1.電化學(xué)傳感器的應(yīng)用電路

電化學(xué)傳感器是目前在工業(yè)領(lǐng)域最常用的傳感器類型之一，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于氣體探測、水質(zhì)檢測、生物分析、食品檢驗等產(chǎn)品中。這種傳感器利用了化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電流電壓的原理，能夠產(chǎn)生與被測物質(zhì)含量成比例的電信號。電化學(xué)傳感器一般由電極、反應(yīng)物等組成，是一種消耗型傳感器，因此，為了盡量延長其使用壽命，其內(nèi)部物質(zhì)與被探測物之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是非常少量且緩慢的，所以，電化學(xué)傳感器輸出的電信號是非常微弱的。在實際應(yīng)用中，工程師需要設(shè)計精密穩(wěn)定的電路，來驅(qū)動、調(diào)理和采集電化學(xué)傳感器。

為了使電化學(xué)傳感器工作，需要搭建的電路系統(tǒng)被稱為恒電位電路。以三端式電化學(xué)氣體傳感器為例，如圖1所示，需要搭建的電路包括偏置電壓源、電位保持、電流轉(zhuǎn)電壓、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，再送入MCU中進行數(shù)據(jù)處理。ADC電路之前的信號為TIA電路轉(zhuǎn)換的電壓信號，與氣體的濃度值成比例變化，根據(jù)傳感器的氧化或還原反應(yīng)，TIA電路轉(zhuǎn)換的電壓可能正向變化，也可能反向變化。整體電路的元器件包含了精密運放、精密電阻、高性能ADC等，每個部位的電路設(shè)計都有其理論支撐，對工程師的模擬信號電路知識儲備要求較高。

圖1 三端式電化學(xué)氣體傳感器調(diào)理電路

更重要的是，電化學(xué)傳感器對溫濕度敏感、響應(yīng)一致性不好、隨壽命變化衰減，這就導(dǎo)致電化學(xué)傳感器使用的門檻較高，生產(chǎn)調(diào)試的難度較大。本文將介紹一款在電化學(xué)應(yīng)用行業(yè)技術(shù)非常領(lǐng)先的模塊產(chǎn)品方案，由駿龍科技自主研發(fā)，能夠兼容幾乎任何領(lǐng)域、所有類型的電化學(xué)傳感器，非常容易集成和開發(fā)，讓各行各業(yè)的電化學(xué)傳感器使用者能快速實現(xiàn)自主產(chǎn)品的搭建與生產(chǎn)。

2.模塊級電化學(xué)電路方案

該電化學(xué)模塊方案的產(chǎn)品型號為MCUM355，是基于ADI公司的平臺級芯片ADUCM355開發(fā)而成。它集成了高性能模擬電路、溫濕度傳感器與處理器，預(yù)留了豐富的外圍接口，可以兼容氣體探測、水質(zhì)檢測、生物阻抗分析、血糖測量、食品分析等多種應(yīng)用。如圖2所示是MCUM355的實物圖，模塊為2*2cm尺寸的郵票孔模塊形式、通過串口交互數(shù)據(jù)，易于集成和使用。模塊采用3.3V供電，常規(guī)工作電流為5mA，在低功耗或休眠情況下消耗電流僅為幾uA。

圖2 MCUM355模塊產(chǎn)品實物圖

3.模塊的原理結(jié)構(gòu)

如圖3所示，MCUM355的板上包含1只ADUCM355芯片、1只LTC6078高阻運放、1只SHT31型號的溫濕度傳感器、以及一些必要的外圍被動器件。其中ADUCM355內(nèi)部的功能資源是十分全面的，它內(nèi)部包括的模擬電路有，2路低功耗恒電位電路、1路高帶寬恒電位電路、高性能的ADC電路、豐富的開關(guān)切換矩陣以及電源管理等，另外，它也是一顆具有26MHz工作主頻的Cortex-M3內(nèi)核的處理器，因此具備低功耗MCU的所有必備資源，例如各種運算資源、各種數(shù)據(jù)接口等。

圖3 MCUM355的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)

板上的LTC6078是ADI公司的一款高阻雙路運放，其中一路作為pH電極的接口電路，電壓信號直接送入ADUCM355內(nèi)的ADC功能通道，另一路則作為電導(dǎo)率電極的接口電路，將微弱電流轉(zhuǎn)換為電壓，再送入ADC通道。針對水質(zhì)檢測應(yīng)用，傳感器具體的連接方法可以參見后文內(nèi)容。

板上的SHT31是一款精密溫濕度傳感器，在氣體探測場景中，溫濕度可以作為環(huán)境指標(biāo)擴充和結(jié)果校正依據(jù)。此外，板上還設(shè)置了若干精密電阻，用于ADUCM355的內(nèi)部模擬電路校正，以及作為水質(zhì)測量過程的參照電阻。

在板上核心芯片ADUCM355的內(nèi)部，包含了2路低功耗恒電位電路，它是電化學(xué)傳感器的核心配套功能電路，可以用于所有的電化學(xué)氣體傳感器，以及血糖、食品檢測電極等等。此外，還包含了1路高帶寬恒電位電路，它一般用于電化學(xué)阻抗譜（EIS）的測量。EIS測量在電池分析、生物特性分析等方面都有成熟應(yīng)用，它除了可以用于輔助分析被測物質(zhì)，最重要的是可以用于預(yù)測傳感器壽命情況。通過本模塊產(chǎn)品實現(xiàn)EIS測量功能，無需搭建復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)。ADUCM355的其他功能模塊都是用于采集和控制的功能電路，芯片的內(nèi)部功能十分豐富，具體發(fā)揮功能時是通過內(nèi)部強大的開關(guān)矩陣，來切換模擬電路的連接方式，從而實現(xiàn)多種多樣的電路功能。

為節(jié)省接口數(shù)量，本模塊產(chǎn)品只開放了ADUCM355的一部分必要接口資源，如圖4所示為MCUM355產(chǎn)品的外部可用接口資源，如果對該芯片資源感興趣，可以到ADI官方網(wǎng)站ADUCM355的產(chǎn)品頁面下載資料進行詳細研究。模塊可以直接連接氣體傳感器、水質(zhì)傳感器等，接口資源的設(shè)計充分考慮了傳感器種類及其連接方式的特點。

圖4 MCUM355外部可用接口

4.應(yīng)用于氣體探測

當(dāng)使用多功能電化學(xué)模塊搭建氣體檢測應(yīng)用時，一般使用的是三端式電化學(xué)傳感器，其引腳可以分別直接連接到模塊的對應(yīng)接口，MCUM355共有兩組完全相同的電化學(xué)通道，可以連接兩只三端電化學(xué)氣體傳感器，如圖5所示。當(dāng)然，本模塊也支持兩端式氣體傳感器，例如氧氣傳感器，只需將其電流感應(yīng)電極連接到WE引腳，即只利用了模塊內(nèi)部的電流電壓轉(zhuǎn)換功能電路。此外，還有一種常用的氣體傳感器為PID或MOS原理，它輸出的是單端電壓信號，此時只需將該傳感器輸出引腳接入MCUM355模塊的AIN端。

圖5 氣體探測應(yīng)用的連接方案

圖6所示的是一套氣體探測應(yīng)用的功能演示套件實物圖，由駿龍科技設(shè)計研發(fā)。套件采用了2只電化學(xué)氣體傳感器和1只PID傳感器，測量氧氣、CO、TVOC三種氣體濃度指標(biāo)，是單個MCUM355模塊能夠支持的最多氣體傳感器數(shù)量。演示套件的顯示屏由單獨的MCU驅(qū)動和控制，與MCUM355模塊通過串口指令交互數(shù)據(jù)。套件顯示空氣溫度與濕度數(shù)據(jù)，來自于MCUM355板上的SHT31傳感器。氣體探測套件通過USB的5V供電，只需1顆輸出3.3V的LDO即可滿足全部供電需求。

圖6 氣體探測演示套件

5.應(yīng)用于水質(zhì)檢測

當(dāng)使用MCUM355模塊產(chǎn)品搭建水質(zhì)檢測應(yīng)用時，主要是基于單模塊實現(xiàn)水溫、pH值、ORP值、電導(dǎo)率4種參數(shù)的測量。傳感器連接方案如圖7所示，水溫傳感器連接電化學(xué)1通道，水溫傳感器的原理是熱電阻，這種方式利用的是其恒電位電路間接測量電阻值的原理。pH電極連接的是模塊上專用的通道，主要是由于其高阻輸出的特性，同時pH電極也能夠反映被測液體的ORP值。對于電導(dǎo)率電極，其陽極端連接模塊的電化學(xué)0通道，陰極端可連接電化學(xué)0通道或?qū)Ｓ酶咦柰ǖ?，這取決于被測液體的阻抗范圍，如果是低阻液體（導(dǎo)電性強），則可連接電化學(xué)0通道的WE0引腳，如果是高阻液體（導(dǎo)電性弱），則需要如圖7所示連接高阻接口。

圖8是水質(zhì)應(yīng)用的演示套件，其結(jié)構(gòu)原理與氣體套件類似，由駿龍科技設(shè)計研發(fā)。水質(zhì)應(yīng)用可支持的傳感器類型不僅限于本文中提到的方案，任何電化學(xué)原理的水質(zhì)電極傳感器都可以兼容，例如溶解氧傳感器等。

圖7 水質(zhì)檢測應(yīng)用的連接方案

圖8 水質(zhì)檢測演示套件

6．交流阻抗測量與分析

交流阻抗測量也是電化學(xué)阻抗譜（EIS）測量，它是給電化學(xué)傳感器施加小幅度的正弦波信號，然后測量其電流響應(yīng)，得到阻抗值。由于是交流阻抗，測量的結(jié)果值是具有相位角屬性的，即包含實部和虛部。在實際測量過程中，會給傳感器施加不同頻率的信號，得到一組阻抗數(shù)據(jù)，也就是形成阻抗譜。將阻抗譜繪制成坐標(biāo)曲線，可以用于分析傳感器電極工況。一般情況下，隨著傳感器電極的老化，阻抗曲線會有明顯的偏移現(xiàn)象，如圖9所示。在實際應(yīng)用中，EIS具有很實用的意義，例如，對氣體傳感器進行EIS分析，可以推測傳感器的剩余工作壽命，對水質(zhì)電極進行EIS分析，可以得知電極表面是否被污損或腐蝕等。

圖9 EIS測量結(jié)果和曲線圖

實際上，EIS已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電池特性分析、腐蝕檢測等方向，相比以往的計時電流法、循環(huán)伏安法等電化學(xué)電極分析方法，EIS結(jié)果由于具有頻率成分，能夠表征的信息顯然會更加豐富，這使得EIS測量具有非常廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間。MCUM355模塊可以方便地實現(xiàn)EIS測量功能，在外接傳感器不動的情況下，模塊內(nèi)部的開關(guān)矩陣電路將會把傳感器接入到高帶寬恒電位電路中，根據(jù)已內(nèi)置的控制程序，全自動運行EIS測量過程，然后將阻抗譜結(jié)果直接輸出，如圖9所示。MCUM355的EIS測量最高支持的激勵信號頻率可達200kHz。

7.簡單易用的開發(fā)交互方式

MCUM355模塊預(yù)留了四線式SWD接口，用戶可以直接編輯調(diào)試控制代碼。同時，MCUM355默認(rèn)的固件程序是支持串口指令交互的，工程師只需按照協(xié)議規(guī)則向模塊發(fā)送指令，即會得到反饋信息或測量結(jié)果。

MCUM355模塊在上電后即通過串口向用戶發(fā)送信息，以氣體探測應(yīng)用舉例，模塊首先發(fā)來的是兩個電化學(xué)傳感器通道的基本配置信息，而后發(fā)來兩個通道測量的傳感器電流轉(zhuǎn)換為電壓的結(jié)果，默認(rèn)情況下是每秒鐘更新一次傳感器數(shù)據(jù)，如圖10所示。用戶可以使用該電壓數(shù)據(jù)換算為氣體濃度值。需要注意的是，在轉(zhuǎn)換過程中用戶還需要利用標(biāo)定、溫度補償矯正等軟件算法，才能進一步提高最終測量濃度值的準(zhǔn)確性。這是由于電化學(xué)傳感器對環(huán)境溫度濕度非常敏感，并且其輸出特性也并非理想的線性。

圖10 氣體探測應(yīng)用中模塊的工作數(shù)據(jù)

首先，用戶可以通過輸入串口指令對模塊恒電位電路的5項主要參數(shù)進行配置，如圖11所示為單個恒電位電路的功能結(jié)構(gòu)模型，可配置的參數(shù)包括Vbias、Vzero、Rload、Rtia和Rfilter，其中，Vbias和Vzero是通過DAC功能電路產(chǎn)生的電壓，決定著電化學(xué)傳感器接入電路的電壓偏置情況和測量基線，Rload負(fù)載電阻與傳感器本身特性相關(guān)，Rtia決定電流轉(zhuǎn)電壓電路的放大倍數(shù)，而Rfilter則能夠改變信號的響應(yīng)速度，此處三個電阻本質(zhì)上是精確的數(shù)字電位器。

圖11 可配置的恒電位電路參數(shù)

配置參數(shù)是通過一組16進制代碼發(fā)送給MCUM355模塊的，如圖12所示，為該協(xié)議的示例及其具體說明，其主體包含的內(nèi)容就是上述5個參數(shù)的設(shè)定值。前文中提到，MCUM355模塊中具備兩組相同的低功耗恒電位電路，因此指令中也包含了目標(biāo)通道的序號。在協(xié)議內(nèi)容中，5個參數(shù)的不同代碼分別代表了相對應(yīng)的配置值，具體的配置說明可以參見MCUM355模塊產(chǎn)品配套的用戶使用指南文檔。

圖12 配置參數(shù)指令代碼示例及說明

在用戶發(fā)送配置參數(shù)指令后，MCUM355將反饋剛剛更新的配置信息，并暫停運行，提示用戶需要給模塊重新復(fù)位，如圖13所示。此時配置信息已經(jīng)被存入模塊的內(nèi)置Flash空間中，模塊需要重新運行程序代碼，然后讀取Flash中的最新配置信息，并控制內(nèi)部電路達到新的參數(shù)，然后開始運行測量程序。

圖13 向模塊發(fā)送配置參數(shù)指令后的反饋

MCUM355模塊運行在測量模式的情況下，用戶可以隨時向其發(fā)送模式轉(zhuǎn)換指令，如圖14所示，用戶發(fā)送指令將模塊轉(zhuǎn)換為EIS測量模式，此時模塊將會立即開始兩個電化學(xué)通道的EIS測量過程，默認(rèn)程序固件中，EIS測量的頻率點從100Hz分布至200kHz，單通道測量全程耗時大約15s。在EIS測量模式下，模塊將持續(xù)地交替進行兩個通道傳感器的測量過程，直至用戶向模塊發(fā)送指令返回至正常測量模式。一般情況下，建議用戶在短時間內(nèi)最好只對電化學(xué)傳感器做一輪EIS測量，由于測量過程是采用小幅度的正弦波信號對傳感器進行擾動，電極上會交替發(fā)生氧化和還原兩種相反的過程，短時間內(nèi)，不會影響電化學(xué)傳感器的工作狀態(tài)。如果較長時間施加EIS交流擾動信號，有可能會使傳感器內(nèi)部反應(yīng)紊亂，使傳感器出現(xiàn)輸出飽和等異常現(xiàn)象，需要等待很長時間其才能恢復(fù)正常。

當(dāng)然，某些應(yīng)用中（如生物阻抗分析），電極需要持續(xù)進行EIS測量過程，從而得到被測數(shù)據(jù)進行分析，這種情況下，客戶可以直接利用圖14所示輸出的EIS結(jié)果。

圖14 模塊運行在EIS測量模式

8.總結(jié)

本文介紹了型號為MCUM355的多功能電化學(xué)模塊，基于ADI公司的平臺級芯片ADUCM355開發(fā)而來，能夠用于氣體探測、水質(zhì)檢測、生物分析和食品檢驗等領(lǐng)域，具有集成度高、超低功耗的特點。針對于氣體和水質(zhì)應(yīng)用，本文具體說明了MCUM355與傳感器的連接方法、工作原理等，用戶可以將其應(yīng)用于自己的設(shè)計中，以及過渡至其他電化學(xué)傳感器應(yīng)用。MCUM355模塊采用串口方式進行指令和數(shù)據(jù)交互，容易開發(fā)和使用，能夠幫助用戶快速搭建電化學(xué)產(chǎn)品。通過內(nèi)置的EIS測量功能，可以實現(xiàn)傳感器壽命預(yù)測、電極分析等更深層次的應(yīng)用，進一步拓展該模塊的可應(yīng)用領(lǐng)域。對于更豐富的電化學(xué)功能應(yīng)用，駿龍科技的技術(shù)人員可以協(xié)助客戶完成模塊內(nèi)置功能軟件的定制開發(fā)。

參考文獻

［1］ 駿龍科技MCUM355產(chǎn)品簡介：https://www.cytech.com/knowledge/technical-articles/cytech-engineer/adi-highly-integrated-solution-gas-and-water-quality

［2］ ADUCM355產(chǎn)品頁面：https://www.analog.com/cn/products/aducm355.html

作者

Boris Wang

Field Application Engineer

Macnica Cytech Ltd.