多功能电化学模块（下）— 模块应用开发案例
由两篇文章构成的《多功能电化学模块》系列专辑，主要介绍了由骏龙科技公司自主研发的多功能电化学模块的功能与原理、应用开发案例等。
本文为下篇，将展示多功能电化学模块在气体探测、水质检测方面的应用方案，详述其EIS测量功能以及串口交互开发方法。关于模块产品的功能和原理、电化学传感器知识以及如何搭建功能应用等知识，可参考《多功能电化学模块(上) — 模块功能与原理》。
一、气体探测应用
当使用多功能电化学模块搭建气体检测应用时，一般使用的是三端式电化学传感器，其引脚可以分别直接连接到模块的对应接口，MCUM355共有两组完全相同的电化学通道，可以连接两只三端电化学气体传感器，如下图（图1）所示。当然，本模块也支持两端式气体传感器，例如氧气传感器，只需将其电流感应电极连接到WE引脚，即只利用了模块内部的电流电压转换功能电路。此外，还有一种常用的气体传感器为PID或MOS原理，它输出的是单端电压信号，此时只需将该传感器输出引脚接入MCUM355模块的AIN端。
下图（图2）所示的是一套气体探测应用的功能演示套件实物图。套件采用了2只电化学气体传感器和1只PID传感器，测量氧气、CO、TVOC三种气体浓度指标，是单个MCUM355模块能够支持的最多气体传感器数量。演示套件的显示屏由单独的MCU驱动和控制，与MCUM355模块通过串口指令交互数据。套件显示空气温度与湿度数据，来自于MCUM355板上的SHT31传感器。气体探测套件通过USB的5V供电，只需1颗输出3.3V的LDO即可满足全部供电需求。
二、水质检测应用
当使用MCUM355模块产品搭建水质检测应用时，主要是基于单模块实现水温、pH值、ORP值、电导率4种参数的测量。
传感器连接方案如下图（图3）所示，水温传感器连接电化学1通道，水温传感器的原理是热电阻，这种方式利用的是其恒电位电路间接测量电阻值的原理。pH电极连接的是模块上专用的通道，主要是由于其高阻输出的特性，同时pH电极也能够反映被测液体的ORP值。对于电导率电极，其阳极端连接模块的电化学0通道，阴极端可连接电化学0通道或专用高阻通道，这取决于被测液体的阻抗范围，如果是低阻液体（导电性强），则可连接电化学0通道的WE0引脚，如果是高阻液体（导电性弱），则需要如下图所示连接高阻接口。
下图（图4）是水质应用的演示套件，其结构原理与气体套件类似。水质应用可支持的传感器类型不只局限于本文中提到的方案，任何电化学原理的水质电极传感器都可以兼容，例如溶解氧传感器等。
三、交流阻抗测量与分析
交流阻抗测量也是电化学阻抗谱（EIS）测量，它是给电化学传感器施加小幅度的正弦波信号，然后测量其电流响应，得到阻抗值。由于是交流阻抗，测量的结果值是具有相位角属性的，即包含实部和虚部。在实际测量过程中，会给传感器施加不同频率的信号，得到一组阻抗数据，也就是形成阻抗谱。将阻抗谱绘制成坐标曲线，可以用于分析传感器电极工况。一般情况下，随着传感器电极的老化，阻抗曲线会有明显的偏移现象，如下图（图5）所示。在实际应用中，EIS具有很实用的意义，例如，对气体传感器进行EIS分析，可以推测传感器的剩余工作寿命，对水质电极进行EIS分析，可以得知电极表面是否被污损或腐蚀等。
实际上，EIS已经被广泛应用于电池特性分析、腐蚀检测等方向，相比以往的计时电流法、循环伏安法等电化学电极分析方法，EIS结果由于具有频率成分，能够表征的信息显然会更加丰富，这使得EIS测量具有非常广阔的应用发展空间。MCUM355模块可以方便地实现EIS测量功能，在外接传感器不动的情况下，模块内部的开关矩阵电路将会把传感器接入到高带宽恒电位电路中，根据已内置的控制程序，全自动运行EIS测量过程，然后将阻抗谱结果直接输出，如图5所示。MCUM355的EIS测量最高支持的激励信号频率可达200kHz。
四、简单易用的开发交互方式
MCUM355模块预留了四线式SWD接口，用户可以直接编辑调试控制代码。同时，MCUM355默认的固件程序是支持串口指令交互的，工程师只需按照协议规则向模块发送指令，即会得到反馈信息或测量结果。 MCUM355模块在上电后即通过串口向用户发送信息，以气体探测应用举例，模块首先发来的是两个电化学传感器通道的基本配置信息，而后发来两个通道测量的传感器电流转换为电压的结果，默认情况下是每秒钟更新一次传感器数据，如下图（图6）所示。
用户可以使用该电压数据换算为气体浓度值。需要注意的是，在转换过程中用户还需要利用标定、温度补偿矫正等软件算法，才能进一步提高最终测量浓度值的准确性。这是由于电化学传感器对环境温度湿度非常敏感，并且其输出特性也并非理想的线性。
首先，用户可以通过输入串口指令对模块恒电位电路的5项主要参数进行配置，如下图（图7）所示为单个恒电位电路的功能结构模型，可配置的参数包括Vbias、Vzero、Rload、Rtia和Rfilter，其中，Vbias和Vzero是通过DAC功能电路产生的电压，决定着电化学传感器接入电路的电压偏置情况和测量基线，Rload负载电阻与传感器本身特性相关，Rtia决定电流转电压电路的放大倍数，而Rfilter则能够改变信号的响应速度，此处三个电阻本质上是精确的数字电位器。
配置参数是通过一组16进制代码发送给MCUM355模块的，如下图（图8）所示，为该协议的示例及其具体说明，其主体包含的内容就是上述5个参数的设定值。前文中提到，MCUM355模块中具备两组相同的低功耗恒电位电路，因此指令中也包含了目标通道的序号。在协议内容中，5个参数的不同代码分别代表了相对应的配置值，具体的配置说明可以参见MCUM355模块产品配套的用户使用指南文档。
在用户发送配置参数指令后，MCUM355将反馈刚刚更新的配置信息，并暂停运行，提示用户需要给模块重新复位，如下图（图9）所示。此时配置信息已经被存入模块的内置Flash空间中，模块需要重新运行程序代码，然后读取Flash中的最新配置信息，并控制内部电路达到新的参数，然后开始运行测量程序。
MCUM355模块运行在测量模式的情况下，用户可以随时向其发送模式转换指令，如下图（图10）所示，用户发送指令将模块转换为EIS测量模式，此时模块将会立即开始两个电化学通道的EIS测量过程，默认程序固件中，EIS测量的频率点从100Hz分布至200kHz，单通道测量全程耗时大约15s。在EIS测量模式下，模块将持续地交替进行两个通道传感器的测量过程，直至用户向模块发送指令返回至正常测量模式。
一般情况下，建议用户在短时间内最好只对电化学传感器做一轮EIS测量，由于测量过程是采用小幅度的正弦波信号对传感器进行扰动，电极上会交替发生氧化和还原两种相反的过程，短时间内，不会影响电化学传感器的工作状态。如果较长时间施加EIS交流扰动信号，有可能会使传感器内部反应紊乱，使传感器出现输出饱和等异常现象，需要等待很长时间其才能恢复正常。当然，某些应用中（如生物阻抗分析），电极需要持续进行EIS测量过程，从而得到被测数据进行分析，这种情况下，客户可以直接利用下图（图10）所示输出的EIS结果。
五、总结
本文介绍了型号为MCUM355的多功能电化学模块，基于ADI公司的平台级芯片ADUCM355开发而成，能够用于气体探测、水质检测、生物分析和食品检验等领域，具有集成度高、超低功耗的特点。针对于气体和水质应用，本文具体说明了MCUM355与传感器的连接方法、工作原理等，用户可以将其应用于自己的设计中，以及过渡至其他电化学传感器应用。MCUM355模块采用串口方式进行指令和数据交互，容易开发和使用，能够帮助用户快速搭建电化学产品。通过内置的EIS测量功能，可以实现传感器寿命预测、电极分析等更深层次的应用，进一步拓展该模块的可应用领域。
对于更丰富的电化学功能应用，骏龙科技公司的技术人员可以协助客户完成模块内置功能软件的定制开发，如果需要了解详情、获取更多详细技术资料，请点击下方「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