适用于气体与水质检测的ADI高集成度电化学方案
概述
随着绿水青山概念的持续深化，环境质量监测成为近几年国家重点推进的基础设施项目，需要部署大量的空气和水质检测仪器，收集和追溯环境中污染物的分布和浓度。电化学传感器是环境监测仪器中最广泛使用的核心部件，性能能否充分发挥回直接影响着仪器的准确度。电化学传感器的使用是电子设计领域最具挑战性的技术之一，其响应信号微弱、一致性差、干扰因素多。
以电化学气体传感器为例，需要搭配偏置电压源、电位保持、电流转电压、滤波、模数转换等多个电路，再送入MCU中进行数据处理，再输出最终测量结果（如下图所示）。一般空气质量监测仪器需要搭配许多个电化学传感器，那么将需要规模庞大的电路。
ADI集成电化学解决方案
ADUCM355
目前ADI推出的电化学解决方案，将以上功能全部集成在单芯片中，它就是ADUCM355。该芯片是一款Cortex-M3内核的MCU，集成了先进的电化学模拟前端电路。ADUCM355具备两套完整的电化学模拟前端电路和一套用于交流阻抗测量的模拟前端电路，并搭配12位DAC与16位ADC、灵活的开关矩阵、以及强大的数字预处理功能。芯片内部模拟电路的参数可以直接通过编程配置，用于兼容各种特性的传感器。在气体探测应用中，它能够支持两路电化学气体传感器，如下图所示：
在水质检测应用中，用于测量PH、电导率、ORP等指标的传感器也属于电化学传感器，本方案也同样适用。ADUCM355的交流阻抗测量功能可以用于诊断电化学传感器的复阻抗，为寿命预测与数据矫正提供依据，同时其阻抗测量功能也可以延伸应用于生物阻抗测量产品中。
基于ADUCM355方案的
模块级产品MCUM355
为了方便中小客户使用此方案快速搭建气体、水质监测产品，我们骏龙科技公司开发了基于ADUCM355方案的模块级产品MCUM355。
其技术参数如下：
| 基本参数 | 硬件资源 | ||
|---|---|---|---|
| 模块尺寸 | 20mm*20mm*2.5mm | 主控芯片 | ADUCM355 (ADI) |
| 供电接口 | 3.3V@100mA (峰值) | 高阻运放 | LTC6078 (ADI) |
| 通信接口 | 3.3V TTL串口 / 波特率115200 | 温湿度传感 | SHT31 (Sensirion) |
| 功能接口 | 电化学传感器(阻抗测量)*2/PH计*1/电导率(ORP)*1/模拟电压*1 | 阻抗谱范围 | 1kHz~200kHz / 默认11档步进 |
| 其他接口 | SWD调试接口 | 电导率范围 | 200kΩ~100MΩ (对应阻值) |
MCUM355模块集成了高性能模拟电路、温湿度传感器与处理器，其丰富的外围接口可以同时兼容气体探测、水质检测、阻抗谱绘制、以及血糖测量等多种应用。产品采用邮票孔模块形式、直接输出串口数据，易于中小客户集成和使用。如下图所示，模块只需极少的外围电路，即可搭建成气体或水质检测方案平台。
MCUM355模块支持Master和Slave两种工作模式，在Master模式下，用户可自行对模块进行编程开发。在Slave模式下，用户搭配自选MCU，通过串口交互指令配置模块参数，并直接读取传感器数据。以Slave模式举例，该模块具有以下三种典型应该用。
- 气体探测功能：
最多可接入两只电化学气体传感器，同时输出两组数据，由客户MCU通过串口指令配置模拟电路参数、并读取传感器数据，并且可以结合输出的模块自带温湿度数据进行最终结果的校正和标定。1路模拟电压通道可以接入MOS或PID气体传感器。
- 水质检测功能：
可以连接1只PH电极和1只电导率电极或ORP电极，由客户MCU通过串口读取PH值和电导率值，并结合水温等参数进行校正和标定。1路模拟电压通道可以接入水温传感器等。
- 阻抗谱绘制功能：
对被测目标施加不同频率的正弦波激励信号，扫描计算复阻抗参数，由客户MCU通过串口读取频率点与对应复阻抗结果，进行传感器寿命预测、输出校正等。
MCUM355模块的测试结果
CO 气体传感器的测试结果：
选用传感器型号为Honeywell的4-CO-500。试验中将传感器放置在封闭气室内，通入配比好的各种标准浓度气体，每隔5分钟变换浓度，如蓝色线所示。程序经过标定处理后，输出结果如红色线所示，可以观察到在每个浓度周期时间内，传感器经历响应时间后，最终测量结果能够达到正确浓度值。
水质pH值的测试结果：
选用pH电极型号为雷磁的E-201G型pH复合电极。试验中将pH电极反复在pH=4、pH=6.86、pH=9.18的酸性、中性、碱性缓冲液间转移，转移中注意用中性缓冲液冲洗电极。结果表明，经过标定后，模块输出的pH数据能够正确反映被测溶液的pH值。
阻抗谱扫描的试验结果：
被测传感器是上述气体检测试验中的CO传感器。CO传感器使用高浓度气体环境在65℃高温环境下加速老化了24h、48h、72h。阻抗谱扫描频率范围是1k~200kHz，输出结果复阻抗曲线（如下图所示），可以观察到，随着传感器老化程度加深，阻抗有明显的偏移趋势。传感器的老化会带来响应电流的降低，因此，如果我们将传感器阻抗数据作为校正参照数据，可以有效补偿传感器老化造成的仪器测量结果误差。
总结
ADI的高性能电化学模拟前端方案显著提高了电化学产品电路的集成度，利用交流阻抗谱预测传感器寿命，为环境监测领域提供了优质前沿的解决方案。上述的MCUM355电化学模块依托ADI的电化学方案ADUCM355，由我们骏龙科技公司的研发团队完成开发。目前有标准型号，同时也支持定制开发，让您节约系统开发时间、降低设计难度、节约开发成本。假如您对此方案或者模块感兴趣，请点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们愿意为您提供更深入的讲解与介绍。