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，主要介绍了由澳门人巴黎人1797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。
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参考资料