概述

隨著綠水青山概念的持續(xù)深化，環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測成為近幾年國家重點推進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施項目，需要部署大量的空氣和水質(zhì)檢測儀器，收集和追溯環(huán)境中污染物的分布和濃度。電化學(xué)傳感器是環(huán)境監(jiān)測儀器中最廣泛使用的核心部件，性能能否充分發(fā)揮回直接影響著儀器的準(zhǔn)確度。電化學(xué)傳感器的使用是電子設(shè)計領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)之一，其響應(yīng)信號微弱、一致性差、干擾因素多。

以電化學(xué)氣體傳感器為例，需要搭配偏置電壓源、電位保持、電流轉(zhuǎn)電壓、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等多個電路，再送入MCU中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再輸出最終測量結(jié)果（如下圖所示）。一般空氣質(zhì)量監(jiān)測儀器需要搭配許多個電化學(xué)傳感器，那么將需要規(guī)模龐大的電路。

圖1 傳統(tǒng)的電化學(xué)氣體傳感器應(yīng)用電路

ADI集成電化學(xué)解決方案ADUCM355

目前ADI推出的電化學(xué)解決方案，將以上功能全部集成在單芯片中，它就是ADUCM355。該芯片是一款Cortex-M3內(nèi)核的MCU，集成了先進(jìn)的電化學(xué)模擬前端電路。ADUCM355具備兩套完整的電化學(xué)模擬前端電路和一套用于交流阻抗測量的模擬前端電路，并搭配12位DAC與16位ADC、靈活的開關(guān)矩陣、以及強(qiáng)大的數(shù)字預(yù)處理功能。芯片內(nèi)部模擬電路的參數(shù)可以直接通過編程配置，用于兼容各種特性的傳感器。在氣體探測應(yīng)用中，它能夠支持兩路電化學(xué)氣體傳感器，如下圖所示：

圖2 ADUCM355應(yīng)用于電化學(xué)氣體傳感器

在水質(zhì)檢測應(yīng)用中，用于測量PH、電導(dǎo)率、ORP等指標(biāo)的傳感器也屬于電化學(xué)傳感器，本方案也同樣適用。ADUCM355的交流阻抗測量功能可以用于診斷電化學(xué)傳感器的復(fù)阻抗，為壽命預(yù)測與數(shù)據(jù)矯正提供依據(jù)，同時其阻抗測量功能也可以延伸應(yīng)用于生物阻抗測量產(chǎn)品中。

基于ADUCM355方案的模塊級產(chǎn)品MCUM355

為了方便中小客戶使用此方案快速搭建氣體、水質(zhì)監(jiān)測產(chǎn)品，我們駿龍科技公司開發(fā)了基于ADUCM355方案的模塊級產(chǎn)品MCUM355。

圖 3 MCUM355實物圖及其接口資源

其技術(shù)參數(shù)如下：

MCUM355模塊集成了高性能模擬電路、溫濕度傳感器與處理器，其豐富的外圍接口可以同時兼容氣體探測、水質(zhì)檢測、阻抗譜繪制、以及血糖測量等多種應(yīng)用。產(chǎn)品采用郵票孔模塊形式、直接輸出串口數(shù)據(jù)，易于中小客戶集成和使用。如下圖所示，模塊只需極少的外圍電路，即可搭建成氣體或水質(zhì)檢測方案平臺。

圖4 (a) 使用MCUM355快速搭建的氣體和水質(zhì)檢測平臺

圖4 (b) 使用MCUM355快速搭建的氣體和水質(zhì)檢測平臺

MCUM355模塊支持Master和Slave兩種工作模式，在Master模式下，用戶可自行對模塊進(jìn)行編程開發(fā)。在Slave模式下，用戶搭配自選MCU，通過串口交互指令配置模塊參數(shù)，并直接讀取傳感器數(shù)據(jù)。以Slave模式舉例，該模塊具有以下三種典型應(yīng)該用。

-氣體探測功能：

最多可接入兩只電化學(xué)氣體傳感器，同時輸出兩組數(shù)據(jù)，由客戶MCU通過串口指令配置模擬電路參數(shù)、并讀取傳感器數(shù)據(jù)，并且可以結(jié)合輸出的模塊自帶溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行最終結(jié)果的校正和標(biāo)定。1路模擬電壓通道可以接入MOS或PID氣體傳感器。

-水質(zhì)檢測功能：

可以連接1只PH電極和1只電導(dǎo)率電極或ORP電極，由客戶MCU通過串口讀取PH值和電導(dǎo)率值，并結(jié)合水溫等參數(shù)進(jìn)行校正和標(biāo)定。1路模擬電壓通道可以接入水溫傳感器等。

-阻抗譜繪制功能：

對被測目標(biāo)施加不同頻率的正弦波激勵信號，掃描計算復(fù)阻抗參數(shù)，由客戶MCU通過串口讀取頻率點與對應(yīng)復(fù)阻抗結(jié)果，進(jìn)行傳感器壽命預(yù)測、輸出校正等。

MCUM355模塊的測試結(jié)果

CO 氣體傳感器的測試結(jié)果：

選用傳感器型號為Honeywell的4-CO-500。試驗中將傳感器放置在封閉氣室內(nèi)，通入配比好的各種標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體，每隔5分鐘變換濃度，如藍(lán)色線所示。程序經(jīng)過標(biāo)定處理后，輸出結(jié)果如紅色線所示，可以觀察到在每個濃度周期時間內(nèi)，傳感器經(jīng)歷響應(yīng)時間后，最終測量結(jié)果能夠達(dá)到正確濃度值。

圖5 CO氣體探測的試驗結(jié)果

水質(zhì)pH值的測試結(jié)果：

選用pH電極型號為雷磁的E-201G型pH復(fù)合電極。試驗中將pH電極反復(fù)在pH=4、pH=6.86、pH=9.18的酸性、中性、堿性緩沖液間轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移中注意用中性緩沖液沖洗電極。結(jié)果表明，經(jīng)過標(biāo)定后，模塊輸出的pH數(shù)據(jù)能夠正確反映被測溶液的pH值。

圖6 pH值測量的試驗結(jié)果

阻抗譜掃描的試驗結(jié)果：

被測傳感器是上述氣體檢測試驗中的CO傳感器。CO傳感器使用高濃度氣體環(huán)境在65℃高溫環(huán)境下加速老化了24h、48h、72h。阻抗譜掃描頻率范圍是1k~200kHz，輸出結(jié)果復(fù)阻抗曲線（如下圖所示），可以觀察到，隨著傳感器老化程度加深，阻抗有明顯的偏移趨勢。傳感器的老化會帶來響應(yīng)電流的降低，因此，如果我們將傳感器阻抗數(shù)據(jù)作為校正參照數(shù)據(jù)，可以有效補(bǔ)償傳感器老化造成的儀器測量結(jié)果誤差。

圖7 阻抗譜掃描的試驗結(jié)果

總結(jié)

ADI的高性能電化學(xué)模擬前端方案顯著提高了電化學(xué)產(chǎn)品電路的集成度，利用交流阻抗譜預(yù)測傳感器壽命，為環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域提供了優(yōu)質(zhì)前沿的解決方案。上述的MCUM355電化學(xué)模塊依托ADI的電化學(xué)方案ADUCM355，由我們駿龍科技公司的研發(fā)團(tuán)隊完成開發(fā)。目前有標(biāo)準(zhǔn)型號，同時也支持定制開發(fā)，讓您節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)時間、降低設(shè)計難度、節(jié)約開發(fā)成本。假如您對此方案或者模塊感興趣，請與駿龍科技當(dāng)?shù)氐霓k事處聯(lián)系，或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)解答。

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參考資料：

ADUCM355模擬微控制器