毕业设计（论文）电化学工作站下位机软件的开发.doc

编号 毕 业 设 计（论文）题目 电化学工作站 下位机软件的开发 二级学院 计算机科学与工程 专 业 软件工程 班 级 110030801 学生姓名 罗振 学号 11003080117 指导教师 李刚 职称 教授 时 间 2014.05.01-2014.06.8 目录摘 要4Abstract51 引言61.1 课题背景与意义61.2 国内外电化学工作站发展与研究61.2.1 国外电化学工作站的发展与研究现状71.2.1 国内电化学工作站的发展与研究现状81.3 课题主要研究内容91.4 本章小结92 关键技术102.1 KEIL102.2 串口通讯102.3 多通道通信同步112.4 电化学方法132.3 本章小结153 电化学工作站原理163.1 电化学工作站概述163.2 软件、硬件的关系163.3 电化学工作站硬件概述173.4 电化学工作站软件概述193.5 本章小结204 需求分析214.1 系统需求分析214.1.1 上下位机通信224.1.2 数据的发送与接收224.1.3 参数设置234.1.4 电化学方法设置244.1.5 数据采集254.2 可行性分析264.3 本章小结275 电化学工作站下位机软件设计285.1 系统整体功能构架285.1 中断源设计295.2 上位机与下位机通信295.4 数据的发送与接收设计305.3 数模转换与模数转换305.5 主函数程序设计325.6 本章小结336 电化学工作站下位机实现346.1 软件环境346.2 上位机与下位机的通信实现346.3 多通道通信同步实现356.4 关键代码356.5 本章小结377 电化学工作站下位机测试387.1 单通道电化学工作站387.2 多通道电化学工作站397.3 本章小结42总结43致谢44参考文献45摘 要分析化学的目的通过物理化学性质的改变，对物质做定性或定量的分析。电化学工作站是一种利用电化学方法进行物质检测和分析及表征的仪器，它具有简单、快速、准确、灵敏度高等优点，一直在分析化学、科学研究、经济生产中占据着较为重要的地位。本论文在分析化学、电化学理论方法基础上，开发与现有电化学工作站硬件相配套的下位机软件。该软件系统可以很好的兼容现有的硬件系统，可以完成上位机与下位机的之间的通信功能，并根据上位机指令，进行指令接收、通道设置、电化学方法设置、参数设置、数据采集、数据发送，完成多种电化学方法如伏安法、电流时间法等电化学分析功能。该下位机软件用KEIL Vision作为开发环境，用C语言进行编写。分析现有硬件设备的基本构成，并根据现有硬件设备的基本功能和特性，完成功能需求的设计与实现。经过测试之后的实验结果表明，本下位机软件能与该电化学工作站的硬件系统进行很好的配合，并能够准确、方便、快速、自动地控制电化学传感器采集数据、发送数据，很好的实现了电化学工作站应有的功能。关键字：电化学工作站；下位机软件；控制；数据采集AbstractThe purpose of analytical chemistry by changing the physical and chemical properties of the substance qualitative or quantitative analysis. Electrochemical workstation is an electrochemical method of detection and analysis and material characterization instruments, it has a simple, rapid, accurate, high sensitivity, has been in analytical chemistry, science, economic production occupies a more important position.In this paper, analytical chemistry, electrochemistry theory, based on the existing electrochemical workstation hardware development and supporting the lower computer software. The software system can be well compatible with existing hardware systems, you can complete communication between the PC and the next crew. And according to the host computer commands via the command receiver, channel settings, electrochemical method to set the sensor parameters, sensor data collection, data transmission, complete a variety of electrochemical methods such as voltammetry, electrochemical current time analysis method.The next bit machine with KEIL Vision software as a development environment, using C language to write. Understand the basic structure of existing hardware devices. And in accordance with the basic functions and features of existing hardware devices. Design and implementation of functional requirements is completed.After the test results show that the lower machine software can be a good fit with the electrochemical workstation hardware system, and the ability to accurately and easily, quickly and automatically controlled electrochemical sensors, collect data, send data, good achieve the function of the electrochemical workstation.Keywords: Electrochemical Workstation; Lower Machine Software; Control; Data Collection1 引言1.1 课题背景与意义科学仪器是科学研究和技术发展的物质基础，科学仪器的研发和自主知识产权涉及国民经济长远发展。在分析化学中，仪器分析的重要发展趋势之一是借助计算机使设备智能化和实现多台设备联用，同时采集数据、分析数据。在仪器分析中，借助于计算机进行高智能和设备联用是它的重要研究方向。计算机在分析化学中的广泛应用，提高了仪器的精度、灵敏度、稳定性和自动化程度。过去仪器中复杂繁琐的操作步骤，如工作状态参数的调整、调零、数据采集和存储，正越来越多地由计算机程序完成。目前国内使用的电化学工作站大多数依赖进口，导致理论研究领域受限、应用研究成本偏高。虽然电化学工作站工作的基本原理可在公开发表的刊物上获取，但是国外公司对于研发进行保密，这使得很难获得相应的开发技术。电化学工作站开发目前仍处于比较落后的状态，尤其是设备智能化和设备联用方面。自主开发电化学工作站将推动科学仪器研发，进而推动科学研究和技术发展，有利于国民经济中自主知识产权的高技术比重的提高。1.2 国内外电化学工作站发展与研究由计算机控制的电化学测试仪通常称为电化学工作站(Electrochemical Workstation)。尽管大多数电化学仪器本质上是模拟性质的，但是计算机在电化学数据的采集和分析中还是起着很大的作用。随着计算机以及相关的接口技术的发展，计算机在电化学仪器中得到了广泛的应用。在数据获取及记录方面，可通过模数转换器(A/D Converter)在固定时间间隔内将数据数字化后进行记录，并做出相应分析。电化学工作站的主要优点是实验的智能化，可以储存大量的数据，以复杂的自动化方式操作数据，以及将数据以更加方便的方式进行展示1。1.2.1 国外电化学工作站的发展与研究现状快速发展的电化学工作站是现代电子技术与电化学理论研究的产物，欧美先进国家电化学研究起步较早，并且凭借着自己先进的电子技术，使得其在电化学检测方面的研究在世界上也处于领先地位。目前荷兰、法国、美国等国家在电化学工作站的研究上投入了很大的人力、物力，在金属腐蚀与保护、电池检测，交流阻抗分析等诸多领域的应用取得了很多的成果2。电化学测试是将多学科知识紧密结合的一项实验技术，它在电化学基础研究、金属腐蚀和防护等诸多领域得到广泛的应用。随着电子信息技术的飞速发展，电化学测试仪器的研制经历了从分离元器件电路到大规模、高品质集成电路的发展过程3。仪器的外形尺寸越来越小，重量越来越轻，而仪器的性能(如响应时间、输入阻抗、电位/电流的控制精度等)相比以前有了大幅度的提高。更重要的是，随着近二十几年来计算机技术的快速发展和应用，电化学测试有了新的内涵。利用计算机技术控制整个电化学测试系统并使其协调运行，自动进行数据采集和数据处理的测试测量仪器越来越得到重视。随着计算机技术的高速发展，利用计算机、数字处理技术(单片机、ARM、DSP等数字处理芯片)进行多种电化学分析测试的电化学工作站也得到了较快的发展4，在金属腐蚀和保护等不同的应用领域分别有了不同的产品。最初，测试仪器采用单片机作为前端机，简单的与微机进行相连接。但是由于软件支持少、接口不兼容以及产品商业化等问题，人们将工作站进行了改进，于是形成了以微机为上位机、单片机为下位机的二级系统。单片机进行数据的采集与存储，微机进行数据的管理和分析处理，应运而生了许多面向不同的应用方向的电化学工作站。其中最典型的产品有美国Arbin公司的MSTAT系列的多电极恒电位仪/恒电流仪和美国Gamry公司的电化学工作站。MSTAT系列产品的每一个恒电位/恒电流通道有三种电流范围，多电极功能，每通道+12V电压，+1A电流输出，10步双极脉冲列，500纳秒脉冲的可选功能，每通道10kHz数据采集速率，具有Windows 2000操作系统，标准串行通讯，不需要额外的通讯卡，随机校准，带有循环伏安法测试软件。美国Gamry公司的电化学工作站的主要性能指标如下：最大电流3OmA/300mA/750mA，槽压12V/20V/12V，频谱范围10uHz一300kHz，扫描速率最高1200v/s，最小可检测电流10pA模块化多功能电化学工作站，代表产品为PAR273A电化学工作站，该产品采用不同的模块，在电化学腐蚀与保护、电池检测、交流阻抗测试时可以根据不同的需要选用不同的功能模块和电极，但是造价较高。通过以上分析，国外的电化学工作站起步比较早，技术领先，发展迅速但是价格较高，通常在10万美金左右。1.2.1 国内电化学工作站的发展与研究现状随着1980年到2000年计算机在国内的普及，电化学工作站的发展有了很大进步。20世纪90年代初期，中国科学技术大学与江苏电分析仪器厂合作开发和生产了我国自行研制的第一代电化学工作站，进入21世纪后我国电化学界出现了研制开发智能化、多功能、微机自动控制电化学综合分析测试系统的小高潮5.6.7。2008年，中国科学技术大学化学系研制的KD586微机电化学分析系统通过了成果鉴定，其主要性能己经达到了国际同类产品的先进水平8。同时，我国的科研工作者不断将多种电化学工作与实际研究工作相结合，例如将Mec-12A多功能电化学工作站与APPLE-11型工作站应用到电化学腐蚀中9，进行电位溶出和计时电位溶出实验，研制出超微电极电化学仪器等等。产品结构也不断复杂，如以单片机为前端机，结合HDV-7恒电位仪研制的微机化电化学测试系统，其电位分辨率可达0.lmV，输出放大信号10倍。到21世纪初，我国的电化学工作站不断完善，逐步走向成熟，如天津兰力科公司生产的LK98系列电化学工作站，该公司首先推出用于电化学分析的LK98A，恒电位范围为-4V到4V，电流为100mA，电流检测下限为200pA；随后与长春应用化学研究所研制的ECS2000电化学测试系统相结合又推出了LK98B电化学工作站，恒电位范围提高到-10V到10V。之后，随着电子技术的不断发展进步和软件开发力度的加大，又推出了LK98，可进行30多种不同的电化学与电分析测试，系统稳定、功能强大。另外，还有北京中腐防蚀工程技术有限公司的PS168系列电化学测量系统、江苏电分仪器厂的MEC-12B多功能微机电化学分析仪、郑州杜甫仪器厂的DF2002电化学工作站等，这都展现了我国电化学工作站走向了自动化、智能化。综合了国内外电化学工作站的研究现状，目前市场上电池检测设备有以下特点：国外电化学工作站通常成本较高，价格昂贵，不能被广大的国内市场接受；国内厂商生产的电化学测量仪器往往性能单一，只做恒电位仪，恒电流仪或阻抗测试一种功能，并且测量精度不高。1.3 课题主要研究内容本课题主要研究基于嵌入式电化学工作站的下位机软件的设计与实现，本文主要研究内容有以下几个方面：(1)嵌入式系统的基本工作原理和应用开发状况。嵌入式测控系统下位机的硬件组成、软件构架、上位机系统与下位机进行通讯的相关方法和技术。(2)电化学工作站的功能原理。介绍了几种电化学工作站的几种常规功能，进而分析并提出电化学工作站下位机软件的需求分析，初步设计出下位机软件的主体框架。(3)电化学方法的原理。介绍常用的电化学方法，了解常用的电化学方法的电压施加方式，进而设计电化学方法的算法。(4)下位机软件的设计和实现。设计良好的下位机软件，系统能根据上位机指令，完成包括指令接收、方法设置、参数设置、数据发送，以及常用的电化学分析方法如伏安法、电流时间法等在硬件系统中的实现。1.4 本章小结本章主要介绍了课题的选题背景和意义，以及电化学工作站在国内外的发展现状，最后对本论文要做的工作进行了介绍。2 关键技术2.1 KEILKeil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。2.2 串口通讯串口通信是指外设和计算机之间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输数据比并行传输低。串口通信即串口按位发送和接收字节。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每一秒钟的位的个数。例如300波特表示每一秒钟发送300个位。通常电话线的波特率为14400、28800、36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信。数据位：这是一个衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值位，如何设置取决于你想传送的信息。停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1、1.5和2位。由于数据是传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。奇偶校验位：在串口通讯中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。2.3 多通道通信同步(1) 多通道地址识别在多通道的电化学工作站中，对于多通道的地址识别通常有两种方法，一种是软件方式，即软件的为每个通道都设置一个通道号，以此来分辨不同的通道。另一种就是硬件的方式来识别多通道。在本电化学工作站中，我们采用了硬件方式来识别多通道。硬件方式识别多通道可以不必花费大量的软件资源去检查每一个从串口输入端输入的串行信息字节。在AT89S8253微处理器中的第三种串口工作方式中，将寄存器SCON内的SM2位置1，可以开启串口的自动地址识别功能，该功能是增强型UART利用硬件逻辑实现自动地址搜索，从大量来自串口输入端RXD的串行信息流中识别出属于自己的特定地址字节。这样就不必花费大量软件资源去检查每一个从串口输入端输入的串行信息字节。使用自动地址识别功能时，主机通过呼叫一个特定的从机地址，来选择与之通信的一个或多个从机，然后进入通信过程。在串口中，有两个特殊的功能寄存器用来定义从机地址：从机地址寄存器SADDR和从机地址屏蔽寄存器SADEN，SADDR用于指定每一个从机的地址，SADEN用于定义SADDR内哪几位需要使用而哪几位是无关位。SADEN与SADDR逻辑“与”得出给定的地址，主机使用该地址对每一从机进行寻址。使用给定地址可以识别多个从机而排除另外的从机。在增强型串口中，每个从机有3个地址，当主机只呼叫一个指定地址时，所用的是从机的专用地址；当主机呼叫一组从机时，采用的是给定地址；当主机呼叫全体从机时，用的是广播地址。从机专用地址由SADDR寄存器指定。从机的给定地址由SADDR和SADEN两个寄存器内容“逻辑与”之后获得。SADEN内容是一个屏蔽字，用对应位置上的0来定义无关位，以便形成给定地址。广播地址由SADDR和SADEN内容“逻辑或”后获得。该电化学工作站的其中几个地址分配如下。表2-1 多通道地址通道1通道2通道3通道4SADDR11010001110100101101001111010100SADEN11111111111111111111111111111111给定地址11010001110100101101001111010100广播地址11111111111111111111111111111111当上位机发送地址为11010001时，则上位机呼叫的是通道1，当上位机发送的地址为11010010时，则上位机呼叫的是通道2。当上位机发送的地址是11111111时，则上位机呼叫的是全部通道。(2) 多通道的同步通信在该多通道的电化学工作站中，为了让每个通道在与上位机发送数据时能够互不干扰，我们在设计该电化学工作站时，采用了时间片轮转的方式来进行每一个通道的数据传输。定时器轮转即在定时器定时的时间内，把时间平均分成十六个时间片，当时间在第一个时间片上时，第一个通道开始发送数据。然后依次开始。时间片轮转的方法很好的解决了通道之间发送数据相互干扰的问题。但是因为十六个通道之间并不是用的同一个AT89S8253微处理器，而是用的十六个AT89S8253微处理器。因为每个AT89S8253微处理器的晶振存在误差，所以为了能够确定每个通道都能在属于它的时间片内进行数据传输，所以还需对单片机进行同步处理。在多通道电化学工作站发送数据的同步问题上，通过资料我了解到也有两个方法来解决。一个是软件的方式，另一个是硬件的方式。在本电化学工作站上，我们采用了硬件的方式来进行同步。我们在处理多通道数据传输同步时，根据定时器T2D 波特率发生器模式的原理，我们设计在当一次时间片轮转将完成时，即在第十六个通道完成数据传输时，引发T2定时器的外部中断，让该电化学工作站的各个通道进行同步。图2-1 定时器T2的波特率发生器模式2.4 电化学方法电化学方法是一种集简便、快速、准确、灵敏度高等优点于一身的分析检测及表征手段，一直在科研和生产中占据着较为重要的地位。分析化学的目的是通过物理化学性质的改变，对物质做定性或定量分析。作为科学家的眼睛，其目的要求能够准确、快速地采集数据，方便简捷地处理和分析数据。(1) 循环伏安法(CV)一种常用的电化学研究方法。该法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，电势范围是使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，并记录电流-电势曲线。根据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度，中间体、相界吸附或新相形成的可能性，以及偶联化学反应的性质等。常用来测量电极反应参数，判断其控制步骤和反应机理，并观察整个电势扫描范围内可发生哪些反应，及其性质如何。对于一个新的电化学体系，首选的研究方法往往就是循环伏安法，可称之为“电化学的谱图”。本法除了使用汞电极外，还可以用铂、金、玻璃碳、碳纤维微电极以及化学修饰电极等。图2-2 循环伏安法电势-时间曲线(2) 线性扫描伏安法（LSV）将线性电位扫描（电位与时间为线性关系）施加于电解池的工作电极和参比电极之间。工作电极是可极化的微电极，如滴汞电极、静汞电极或其他固体电极；而辅助电极和参比电极则具有相对大的表面积，是不可极化的。常用的电位扫描速率介于0.0010.1V/S。可单次扫描或多次扫描。根据电流-电位曲线测得的峰电流与被测物的浓度呈线性关系，可作定量分析，更适合于有吸附性物质的测定。图2-3 线性扫描伏安法电势-时间曲线(3) 阶梯波伏安法（SCV）阶梯波伏安法即将线性扫描电压分成阶梯递增或递减，每个阶梯的电压增量为Ea,在每个阶梯的后期（）采样电流值。图2-4 阶梯波伏安法电势-时间曲线2.3 本章小结本章主要描述了完成本论文电化学工作站的下位机软件所需要的技术，并对主要的相关技术进行了详细的概述和简介了常规的电化学方法原理。3 电化学工作站原理电化学工作站的开发体现了计算机在电化学应用方面的重要性，仪器的开发以化学原理为基础，借助化学仪器采集数据，用计算机分析，呈现给人们可视化数据，所以，仪器的开发离不开硬件设备的开发及计算机软件的开发。3.1 电化学工作站概述电化学工作站（Electrochemical workstation）是电化学测量系统的简称，是电化学研究和教学常用的测量设备。电化学工作站将这种测量系统组成一台整机，内含快速数字信号发生器、高速数据采集系统、电位电流信号滤波器、多级信号增益、IR降补偿电路以及恒电位仪、恒电流仪，可直接用于超微电极上的稳态电流测量。电化学工作站主要有2大类，单通道工作站和多通道工作站，区别在于多通道工作站可以同时进行多个样品测试，较单通道工作站有更高的测试效率，适合大规模研发测试需要，可以显著的加快研发速度。电化学工作站的应用广泛。（1）研究电化学机理；物质的定性定量分析；（2）常规电化学测试，包括电合成、电镀和电池性能评价。（3）功能和能源材料的机理和制备研究；（4）缓蚀剂、水质稳定剂、涂层以及阴极保护效率快速评价以及氢渗测试等；（5）金属材料在导电性介质（包括水/混凝土等环境）中的腐蚀电化学测试。3.2 软件、硬件的关系电化学工作站由软件系统、硬件设备构成的。硬件部分是连接计算机与三电极体系的中间部分，实现了信号的发生，电压的施加，返回的数据的采集等等。硬件设备主要是利用集成运算放大原理构成的。软件部分是一个电化学工作站的控制端，通过软件系统可以用来控制硬件设备的各种工作状态，对硬件设备采集到的数据进行处理，并呈现给人们可视化的结果。3.3 电化学工作站硬件概述硬件是仪器设备化中与传感器直接连接的部分，称为下位机，一般采用单片机或嵌入式系统，下位机的控制核心就是单片机或嵌入式系统。由这一控制核心直接操作仪器的动作、实现测量参数、与上位机通信。在本电化学工作站中，我们的硬件部分采用了工业80C51系类单片机作为下位机核心，该单片机把AT89S8253芯片作为微处理器，Max5541作为电压施加器，ADS8505作为数据采集器。（1）AT89S8253微处理器概述AT89S8253是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有12K在系统可编程Flash 程序存储器和2K EEPROM数据存储器。AT89S8253使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。AT89S8253使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，AT89S8253使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，AT89S8253拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S8253为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S8253具有以下标准功能：12k字节Flash，2K EEPROM，256字节RAM，32 位I/O口线，可编程看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量4级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。图3-1 AT89S8253微处理器外形图图3-2 AT89S8253微处理器引脚图（2） Max5541数模转换器Max5541 DA转换器将离散的数字量转换为连接变换的模拟量。该Max5541数模器的引脚图如下图3-3 Max5541数模器的引脚图（3）ADS8505模数转换器模数转换(ADC)亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。该AD模数转换器的引脚图如下：图3-4 ADS8505模数转换器引脚图3.4 电化学工作站软件概述在电化学工作站中，软件部分分为两大部分，上位机软件和下位机软件。上位机软件通过发送指令控制下位机的工作，并将从下位机传输过来的数据进行处理和显示等等。下位机软件用来控制硬件设备的，定义硬件设备的功能和采集数据等等。在对上位机的设计上，本电化学工作站采用了面向对象系统分析与设计方法。设计的软件具有通用性、扩展性、重用性，在不同环境、不同设备下都可以应用，提高了软件的应用性。在上位机的实现上，采用C+语言进行编程。C+可以更有效的完成驱动程序的开发及windows编程，可以提供给用户可视化的操作界面。在对下位机的设计上，本电化学工作站采用了模块化编程的方式。首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。逐步求精的结果是得到一系列以功能块为单位的算法描述。以功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。模块化的目的是为了降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。在对下位机的实现上，因为该电化学工作站的以AT89S8253单片机为核心，所以对于该电化学工作站的下位机软件，我们采用了德国Keil Software公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统KEIL Vision，KEIL提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。在编程语言方面，我们采用了C语言进行编程。C语言既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件、三维、二维图形和动画，具体应用例如单片机以及嵌入式系统开发。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。3.5 本章小结本章给介绍该电化学工作站的组成结构，以及软件系统和硬件设备的详细介绍，并简单介绍了软件系统和硬件设备的功能。4 需求分析下位机软件在电化学工作站中占据着非常重要的地位。对于整个电化学工作站来说，硬件设备是整个电化学工作站存在的根本。而下位机软件刚好是硬件设备能够准确运作的前提。所以本章根据常规电化学工作站的基本功能来对下位机软件进行详细的需求分析。4.1 系统需求分析根据硬件设备特性和基本电化学工作站的基本功能要求，本论文的电化学工作站的下位机软件需要和上位机之间通信，并接收上位机指令，控制传感器进行工作。并将下位机传感器检测到的数据返回给上位机，让上位机进行数据处理。整个电化学工作站的框图如下：图4-1 电化学工作站框图因此，需求分析因从以下几个方面进行讨论：上下位机的通信：用串口通信的方式，让上位机与下位机之间可以进行数据交流。多通道通信：本电化学工作站属于一个多通道的电化学工作站，即需要一个上位机可以同时控制多个下位机进行工作。参数设置：对传感器进行参数设置，控制传感器工作。电化学方法设置：根据常规的电化学方法原理，进行电化学方法进行设置。数据采集：利用传感器施加电压后，对传感器进行电压检测，将检测到的数据进行采集，以便发送到上位机。数据的发送与接收：接收上位机指令，将下位机传感器检测到的数据发送到上位机。4.1.1 上下位机通信本论文的电化学工作站要实现上下位机的通信，让上下位机能够进行交互。该功能的活动图如下：图4-2 上下位机通信活动图首先需要确定上下位机的通信方式。构建上下位机的通信协议，初始化通信设备保证上下位机的通信速率以确定上位机发送的数据能与上位机通信的数据不会有丢失。4.1.2 数据的发送与接收在电化学工作站的上位机与下位机通信正常的情况下，进行数据的接收与发送。该功能活动图如下：图4-3 数据的发送与接收活动图首先确定上下位通信正常，利用串口中断服务程序下位机开始接收指令，让下位机进行运行，将传感器检测到的数据在利用串口中断服务程序向上位机发送。4.1.3 参数设置在保证上位机与下位机之间通信正常的情况下，为了确定传感器能够按照我们需要的方式进行工作，我们通常需要对传感器进行设置。该功能活动图如下：图4-4 传感器设置活动图传感器设置是在上下位机通信下，上位机对下位机进行发送指令，根据通信协议对传感器进行设置。4.1.4 电化学方法设置在确定电化学工作站在上位机与下位机的正常通信下，接收上位机的控制指令，下位机按照接收到的指令对电化学方法进行控制。该功能活动图如下：图4-5 电化学方法设置活动图传感器设置是在上下位机通信下，上位机对下位机进行发送指令，根据通信协议对电化学方法进行设置。4.1.5 数据采集确定上位机与下位机正常交流，上位机发送指令，控制传感器设置和电化学方法设置，下位机开始正常运行，传感器开始采集数据。该功能活动图如下：图4-6 传感器数据采集活动图传感器设置是在上下位机通信下，上位机对下位机进行发送指令，根据通信协议对电化学方法进行设置，对传感器进行设置，让下位机进行运行。传感器开始进行数据采集。4.2 可行性分析由于本课题的研究方向与自身的专业方向不完全相同，有一定的跨越性。本课题的下位机软件系统是一个基于硬件的嵌入式系统。它既需要软件知识，也需要一定的硬件设备知识。所以对我来说本课题的软件存在一定的难度。我们从下面几个方面来进行可行性分析。（1）技术可行性本课题的下位机软件系统是一个基于硬件的嵌入式系统。从软件的组织关系上，本下位机软件有一定的复杂的程度。具有相对的繁琐性和不确定性。从整个软件系统的技术构成来看，对于本下位机软件，其基本功能是接收上位机的指令，并按照上位机的指令来控制下位机硬件的运行。然后将下位机传感器检测到的数据放送到上位机进行数据处理。因此本下位机软件需要一定的硬件设备基础知识。并且在开发过程中，我们使用适用于单片机以及嵌入式系统开发的C语言进行开发，使用KEIL Vision作为系统的开发工具，该开发工具是德国Keil Software公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。通过指导老师的指导，我开始学习本电化学工作站的硬件设备知识，并结合自身软件工程的软件知识。能够基本满足本课题的技术要求。所以对于本系统，技术上是可行的。（2）经济可行性本课题的电化学工作站所需的硬件设备已经需求方提供。并不需要硬件成本。对于下位机软件的开发软件而言，KEIL Vision是免费的开发环境，也不需要购买开发软件。开发成员所具有的知识只需要简单学习便可参与开发，并不需要长时间的培训与额外学习，人工成本适中。从硬件设备、开发环境、开发人员的几个方面来看，本项目并不需要昂贵的开发成本。因此它在经济上可行的。（3）法律可行性该系统属于自主开发系统，知识产权由需求方与开发方共同拥有，双方订有技术保密的契约并共同遵守，因此不存在法律纠纷问题，在法律上是可行的。从上述可行性分析，可以看出本系统开发可行，且在经济、技术研究上的利益是值得投资的。4.3 本章小结本章在依据电化学工作站原理的情况下，对该下位机进行需求分析，并根据现有资源进行可行性分析。5 电化学工作站下位机软件设计在开发基于微处理器的嵌入式系统时，软件的编写对系统的运行效率和可靠性起着至关重要的作用。因此在编写下位机程序是，必须要结合硬件电路来设计程序。对于本项目，我们根据由厂家提供的硬件设备和硬件电路图，结合所有功能模块的工作流程，对系统的软件来进行设计。5.1 系统整体功能构架本论文的电化学工作站的下位机软件需要和上位机之间通信，并接收上位机指令，控制传感器进行工作。并将下位机传感器检测到的数据返回给上位机，让上位机进行数据处理。根据需求分析可以得出本电化学工作站的功能结构。本电化学工作站的功能结构图如下：图5-1 下位机软件功能结构图上下位机的通信：用串口通信的方式，让上位机与下位机之间可以进行数据交流。多通道通信：本电化学工作站属于一个多通道的电化学工作站，即需要一个上位机可以同时控制多个下位机进行工作。参数设置：对传感器进行参数设置，控制传感器工作。电化学方法设置：根据常规的电化学方法原理，进行电化学方法进行设置。数据采集：利用传感器施加电压后，对传感器进行电压检测，将检测到的数据进行采集，以便发送到上位机。数据的发送与接收：接收上位机指令，将下位机传感器检测到的数据发送到上位机。5.1 中断源设计该下位机软件一共用到了4个中断，具体中断源与该中断的具体功能如下表：表5-1 中断源与具体功能中断名具体功能串口中断接收上位机的指令和数据，上传传感器检测到的数据给上位机。定时器0控制电压的施加和电流的检测时间间隔定时器1控制定时向上位机发数据定时器2利用T2中断实现发送同步5.2 上位机与下位机通信通信协议：通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的数据通信系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。(1) 上位机传输给下位机的协议设计如下：表5-2 上位机向下传输的数据格式数据1数据2数据3数据4数据5数据6数据72 Byte2 Byte2 Byte2 Byte2 Byte2 Byte60 Byte数据1：地址帧，在多通道工作站中有多台下位机运行，为每一台下位机设置编号。数据2：方法帧，表示选择的电化学方法。数据3：控制帧，表示下位机的状态。数据4：方法类控制符，总共有第一次运行状态，静止状态，运行状态几种状态。数据5：数据长度，表示上位机发送到下位机的电化学方法参数的长度。数据6：开关状态，表示各个开关的状态。数据7：电化学方法参数。(2) 下位机传输给上位机的协议设计如下：表5-2 下位机发送给上位机的数据格式数据1数据2数据32 Byte2 Byte2 Byte数据1：下位机施加给传感器的电压数据2：传感器检测回来的电压数据3：多通道电化学工作站的通道号。5.4 数据的发送与接收设计在本电化学工作站中，我们利用串口中断服务程序来进行上下位机之间的数据发送与接收。串口中断服务程序流程图如下：图5-2 数据的发送与接收流程图当RI=0时，开始接收中断，开始接收上位机的数据，判断从上位机接收的参数，进行相关的操作。数据接收完毕，默认进入检查状态，给上位机发送应答信号。当TI=0时，开始发送中断，把从下位机从传感器检测到的数据发送给上位机，数据发送完毕之后，清除数据标志。5.3 数模转换与模数转换（1）数模转换数模转换即将离散的数字量转换为连接变换的模拟量，该电化学工作站采用了Max5541 DA转换器。Max5541 DA转换器具有把离散的数字量转换为连接变换的模拟量的功能，在本电化学工作站中，我们利用Max5541 DA转换器把上位机发送到下位机的数据量转换成物理变量，即我们利用Max5541 DA转换器来施加电压。下图为Max5541 DA转换器的数模转换流程图。图5-3 数模转换流程图（2）模数转换模数转换(ADC)亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。该电化学工作站采用了ADS8505作为AD模数转换器。ADS8505模数转换器是具有连续的模拟量通过取样转换成离散的数字量的功能，在本电化学工作站中，我们利用ADS8505模数转换器将下位机从传感器中检测到的电压转换成为数字变量发送到上位机，以便上位机进行数字处理。下图为ADS8505模数转换器模数转换的流程图。图5-4 模数转换流程图5.5 主函数程序设计在该电化学工作站中，主程序主要进行接收上位机的控制指令来控制下位机的运行。该主程序的流程图如下：图5-5 主程序流程图设计在电化学工作的硬件设备完成初始化后，开始接收上位机发送给下位机的控制指令，控制下位机进