多功能电化学模块（上）— 模块功能与原理
由骏龙科技公司最新推出的《多功能电化学模块》系列专辑由两篇文章构成，主要介绍了电化学模块的功能与原理，以及模块应用开发案例。
本文《多功能电化学模块(上) — 模块功能与原理》为大家讲解电化学传感器知识以及如何搭建功能应用，并介绍了模块产品的功能和原理。在下一篇《多功能电化学模块(下) — 模块应用开发案例》一文中，将会展示气体探测、水质检测应用方案，详述其EIS测量功能以及串口交互开发方法。
一、电化学传感器基本知识
电化学传感器是目前在工业领域最常用的传感器类型之一，已经被广泛应用于气体探测、水质检测、生物分析、食品检验等产品中，如下图（图1）所示。这种传感器利用了化学反应转换为电流电压的原理，能够产生与被测物质含量成比例的电信号。电化学传感器一般由电极、反应物等组成，是一种消耗型传感器，因此，为了尽量延长其使用寿命，其内部物质与被探测物之间发生的化学反应是非常少量且缓慢的，所以，电化学传感器输出的电信号是非常微弱的。在实际应用中，工程师需要设计精密稳定的电路，来驱动、调理和采集电化学传感器。
但电化学传感器对温湿度比较敏感、响应一致性不好、随寿命变化衰减，这就导致电化学传感器使用的门槛较高，生产调试的难度较大。
二、传感器驱动和调理电路
为了使电化学传感器工作，需要搭建的电路系统被称为恒电位电路。以三端式电化学气体传感器为例，如下图（图2）所示。需要搭建的电路包括偏置电压源、电位保持、电流转电压、滤波、模数转换等，再送入MCU中进行数据处理。ADC电路之前的信号为TIA电路转换的电压信号，与气体的浓度值成比例变化，根据传感器的氧化或还原反应，TIA电路转换的电压可能正向变化，也可能反向变化。整体电路的元器件包含了精密运放、精密电阻、高性能ADC等，每个部位的电路设计都有其理论支撑，对工程师的模拟信号电路知识储备要求较高。
本文将介绍一款在电化学应用行业技术非常领先的模块产品方案—MCUM355，由骏龙科技公司自主研发，一款能够兼容几乎任何领域、所有类型的电化学传感器，非常容易集成和开发，让各行各业的电化学传感器使用者能快速实现自主产品的搭建与生产。
三、MCUM355电化学电路方案
MCUM355是基于ADI公司的平台级芯片ADUCM355开发而成。它集成了高性能模拟电路、温湿度传感器与处理器，预留了丰富的外围接口，可以兼容气体探测、水质检测、生物阻抗分析、血糖测量、食品分析等多种应用。
MCUM355主要特点：
- 模块为2*2cm尺寸的邮票孔模块形式、通过串口交互数据，易于集成和使用。
- 模块采用3.3V供电，常规工作电流为5mA，在低功耗或休眠情况下消耗电流仅为几uA。
四、MCUM355模块的原理结构
如下图（图4）所示，MCUM355的板上包含1只ADUCM355芯片、1只LTC6078高阻运放、1只SHT31型号的温湿度传感器、以及一些必要的外围被动器件。其中ADUCM355内部的功能资源是十分全面的，它内部包括的模拟电路：2路低功耗恒电位电路、1路高带宽恒电位电路、高性能的ADC电路、丰富的开关切换矩阵以及电源管理等，另外，它也是一颗具有26MHz工作主频的Cortex-M3内核的处理器，因此具备低功耗MCU的所有必备资源，例如各种运算资源、各种数据接口等。
板上的LTC6078
LTC6078 是ADI公司的一款高阻双路运放，其中一路作为pH电极的接口电路，电压信号直接送入ADUCM355内的ADC功能通道，另一路则作为电导率电极的接口电路，将微弱电流转换为电压，再送入ADC通道。针对水质检测应用，传感器具体的连接方法可以参见《多功能电化学模块(下) — 模块应用开发案例》一文。
板上的SHT31
SHT31是一款精密温湿度传感器，在气体探测场景中，温湿度可以作为环境指标扩充和结果校正依据。此外，板上还设置了若干精密电阻，用于ADUCM355的内部模拟电路校正，以及作为水质测量过程的参照电阻。
板上核心芯片ADUCM355的内部结构
包含了2路低功耗恒电位电路，它是电化学传感器的核心配套功能电路，可以用于所有的电化学气体传感器，以及血糖、食品检测电极等等。此外，还包含了1路高带宽恒电位电路，它一般用于电化学阻抗谱（EIS）的测量。EIS测量在电池分析、生物特性分析等方面都有成熟应用，它除了可以用于辅助分析被测物质，最重要的是可以用于预测传感器寿命情况。通过本模块产品实现EIS测量功能，无需搭建复杂的电路结构。
ADUCM355的其他功能模块
都是应用于采集和控制的功能电路，芯片的内部功能十分丰富，具体发挥功能时是通过内部强大的开关矩阵，来切换模拟电路的连接方式，从而实现多种多样的电路功能。
为节省接口数量，本模块产品只开放了ADUCM355的一部分必要接口资源，如下图（图5）所示为MCUM355产品的外部可用接口资源，如果对该芯片资源感兴趣，可以到ADI官方网站ADUCM355的产品页面下载资料进行详细研究。模块可以直接连接气体传感器、水质传感器等，接口资源的设计充分考虑了传感器种类及其连接方式的特点。
五、总结
上文主要介绍了电化学传感器在各个领域的应用，及其电路搭建方法和原理。电化学传感器运行所需要的功能电路，包括恒电位电路及后级采集系统，都对工程师有较高的技术要求。本文提出的多功能电化学模块，以高集成度的方式，帮助您快速搭建各种电化学产品。如果您对该模块感兴趣，可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更深入的讲解与介绍。
参考资料