1.電化學傳感器的應用電路

電化學傳感器是目前在工業(yè)領域最常用的傳感器類型之一，目前已經被廣泛應用于氣體探測、水質檢測、生物分析、食品檢驗等產品中。這種傳感器利用了化學反應轉換為電流電壓的原理，能夠產生與被測物質含量成比例的電信號。電化學傳感器一般由電極、反應物等組成，是一種消耗型傳感器，因此，為了盡量延長其使用壽命，其內部物質與被探測物之間發(fā)生的化學反應是非常少量且緩慢的，所以，電化學傳感器輸出的電信號是非常微弱的。在實際應用中，工程師需要設計精密穩(wěn)定的電路，來驅動、調理和采集電化學傳感器。

為了使電化學傳感器工作，需要搭建的電路系統(tǒng)被稱為恒電位電路。以三端式電化學氣體傳感器為例，如圖1所示，需要搭建的電路包括偏置電壓源、電位保持、電流轉電壓、濾波、模數轉換等，再送入MCU中進行數據處理。ADC電路之前的信號為TIA電路轉換的電壓信號，與氣體的濃度值成比例變化，根據傳感器的氧化或還原反應，TIA電路轉換的電壓可能正向變化，也可能反向變化。整體電路的元器件包含了精密運放、精密電阻、高性能ADC等，每個部位的電路設計都有其理論支撐，對工程師的模擬信號電路知識儲備要求較高。

圖1 三端式電化學氣體傳感器調理電路

更重要的是，電化學傳感器對溫濕度敏感、響應一致性不好、隨壽命變化衰減，這就導致電化學傳感器使用的門檻較高，生產調試的難度較大。本文將介紹一款在電化學應用行業(yè)技術非常領先的模塊產品方案，由駿龍科技自主研發(fā)，能夠兼容幾乎任何領域、所有類型的電化學傳感器，非常容易集成和開發(fā)，讓各行各業(yè)的電化學傳感器使用者能快速實現自主產品的搭建與生產。

2.模塊級電化學電路方案

該電化學模塊方案的產品型號為MCUM355，是基于ADI公司的平臺級芯片ADUCM355開發(fā)而成。它集成了高性能模擬電路、溫濕度傳感器與處理器，預留了豐富的外圍接口，可以兼容氣體探測、水質檢測、生物阻抗分析、血糖測量、食品分析等多種應用。如圖2所示是MCUM355的實物圖，模塊為2*2cm尺寸的郵票孔模塊形式、通過串口交互數據，易于集成和使用。模塊采用3.3V供電，常規(guī)工作電流為5mA，在低功耗或休眠情況下消耗電流僅為幾uA。

圖2 MCUM355模塊產品實物圖

3.模塊的原理結構

如圖3所示，MCUM355的板上包含1只ADUCM355芯片、1只LTC6078高阻運放、1只SHT31型號的溫濕度傳感器、以及一些必要的外圍被動器件。其中ADUCM355內部的功能資源是十分全面的，它內部包括的模擬電路有，2路低功耗恒電位電路、1路高帶寬恒電位電路、高性能的ADC電路、豐富的開關切換矩陣以及電源管理等，另外，它也是一顆具有26MHz工作主頻的Cortex-M3內核的處理器，因此具備低功耗MCU的所有必備資源，例如各種運算資源、各種數據接口等。

圖3 MCUM355的內部原理結構

板上的LTC6078是ADI公司的一款高阻雙路運放，其中一路作為pH電極的接口電路，電壓信號直接送入ADUCM355內的ADC功能通道，另一路則作為電導率電極的接口電路，將微弱電流轉換為電壓，再送入ADC通道。針對水質檢測應用，傳感器具體的連接方法可以參見后文內容。

板上的SHT31是一款精密溫濕度傳感器，在氣體探測場景中，溫濕度可以作為環(huán)境指標擴充和結果校正依據。此外，板上還設置了若干精密電阻，用于ADUCM355的內部模擬電路校正，以及作為水質測量過程的參照電阻。

在板上核心芯片ADUCM355的內部，包含了2路低功耗恒電位電路，它是電化學傳感器的核心配套功能電路，可以用于所有的電化學氣體傳感器，以及血糖、食品檢測電極等等。此外，還包含了1路高帶寬恒電位電路，它一般用于電化學阻抗譜（EIS）的測量。EIS測量在電池分析、生物特性分析等方面都有成熟應用，它除了可以用于輔助分析被測物質，最重要的是可以用于預測傳感器壽命情況。通過本模塊產品實現EIS測量功能，無需搭建復雜的電路結構。ADUCM355的其他功能模塊都是用于采集和控制的功能電路，芯片的內部功能十分豐富，具體發(fā)揮功能時是通過內部強大的開關矩陣，來切換模擬電路的連接方式，從而實現多種多樣的電路功能。

為節(jié)省接口數量，本模塊產品只開放了ADUCM355的一部分必要接口資源，如圖4所示為MCUM355產品的外部可用接口資源，如果對該芯片資源感興趣，可以到ADI官方網站ADUCM355的產品頁面下載資料進行詳細研究。模塊可以直接連接氣體傳感器、水質傳感器等，接口資源的設計充分考慮了傳感器種類及其連接方式的特點。

圖4 MCUM355外部可用接口

4.應用于氣體探測

當使用多功能電化學模塊搭建氣體檢測應用時，一般使用的是三端式電化學傳感器，其引腳可以分別直接連接到模塊的對應接口，MCUM355共有兩組完全相同的電化學通道，可以連接兩只三端電化學氣體傳感器，如圖5所示。當然，本模塊也支持兩端式氣體傳感器，例如氧氣傳感器，只需將其電流感應電極連接到WE引腳，即只利用了模塊內部的電流電壓轉換功能電路。此外，還有一種常用的氣體傳感器為PID或MOS原理，它輸出的是單端電壓信號，此時只需將該傳感器輸出引腳接入MCUM355模塊的AIN端。

圖5 氣體探測應用的連接方案

圖6所示的是一套氣體探測應用的功能演示套件實物圖，由駿龍科技設計研發(fā)。套件采用了2只電化學氣體傳感器和1只PID傳感器，測量氧氣、CO、TVOC三種氣體濃度指標，是單個MCUM355模塊能夠支持的最多氣體傳感器數量。演示套件的顯示屏由單獨的MCU驅動和控制，與MCUM355模塊通過串口指令交互數據。套件顯示空氣溫度與濕度數據，來自于MCUM355板上的SHT31傳感器。氣體探測套件通過USB的5V供電，只需1顆輸出3.3V的LDO即可滿足全部供電需求。

圖6 氣體探測演示套件

5.應用于水質檢測

當使用MCUM355模塊產品搭建水質檢測應用時，主要是基于單模塊實現水溫、pH值、ORP值、電導率4種參數的測量。傳感器連接方案如圖7所示，水溫傳感器連接電化學1通道，水溫傳感器的原理是熱電阻，這種方式利用的是其恒電位電路間接測量電阻值的原理。pH電極連接的是模塊上專用的通道，主要是由于其高阻輸出的特性，同時pH電極也能夠反映被測液體的ORP值。對于電導率電極，其陽極端連接模塊的電化學0通道，陰極端可連接電化學0通道或專用高阻通道，這取決于被測液體的阻抗范圍，如果是低阻液體（導電性強），則可連接電化學0通道的WE0引腳，如果是高阻液體（導電性弱），則需要如圖7所示連接高阻接口。

圖8是水質應用的演示套件，其結構原理與氣體套件類似，由駿龍科技設計研發(fā)。水質應用可支持的傳感器類型不僅限于本文中提到的方案，任何電化學原理的水質電極傳感器都可以兼容，例如溶解氧傳感器等。

圖7 水質檢測應用的連接方案

圖8 水質檢測演示套件

6．交流阻抗測量與分析

交流阻抗測量也是電化學阻抗譜（EIS）測量，它是給電化學傳感器施加小幅度的正弦波信號，然后測量其電流響應，得到阻抗值。由于是交流阻抗，測量的結果值是具有相位角屬性的，即包含實部和虛部。在實際測量過程中，會給傳感器施加不同頻率的信號，得到一組阻抗數據，也就是形成阻抗譜。將阻抗譜繪制成坐標曲線，可以用于分析傳感器電極工況。一般情況下，隨著傳感器電極的老化，阻抗曲線會有明顯的偏移現象，如圖9所示。在實際應用中，EIS具有很實用的意義，例如，對氣體傳感器進行EIS分析，可以推測傳感器的剩余工作壽命，對水質電極進行EIS分析，可以得知電極表面是否被污損或腐蝕等。

圖9 EIS測量結果和曲線圖

實際上，EIS已經被廣泛應用于電池特性分析、腐蝕檢測等方向，相比以往的計時電流法、循環(huán)伏安法等電化學電極分析方法，EIS結果由于具有頻率成分，能夠表征的信息顯然會更加豐富，這使得EIS測量具有非常廣闊的應用發(fā)展空間。MCUM355模塊可以方便地實現EIS測量功能，在外接傳感器不動的情況下，模塊內部的開關矩陣電路將會把傳感器接入到高帶寬恒電位電路中，根據已內置的控制程序，全自動運行EIS測量過程，然后將阻抗譜結果直接輸出，如圖9所示。MCUM355的EIS測量最高支持的激勵信號頻率可達200kHz。

7.簡單易用的開發(fā)交互方式

MCUM355模塊預留了四線式SWD接口，用戶可以直接編輯調試控制代碼。同時，MCUM355默認的固件程序是支持串口指令交互的，工程師只需按照協議規(guī)則向模塊發(fā)送指令，即會得到反饋信息或測量結果。

MCUM355模塊在上電后即通過串口向用戶發(fā)送信息，以氣體探測應用舉例，模塊首先發(fā)來的是兩個電化學傳感器通道的基本配置信息，而后發(fā)來兩個通道測量的傳感器電流轉換為電壓的結果，默認情況下是每秒鐘更新一次傳感器數據，如圖10所示。用戶可以使用該電壓數據換算為氣體濃度值。需要注意的是，在轉換過程中用戶還需要利用標定、溫度補償矯正等軟件算法，才能進一步提高最終測量濃度值的準確性。這是由于電化學傳感器對環(huán)境溫度濕度非常敏感，并且其輸出特性也并非理想的線性。

圖10 氣體探測應用中模塊的工作數據

首先，用戶可以通過輸入串口指令對模塊恒電位電路的5項主要參數進行配置，如圖11所示為單個恒電位電路的功能結構模型，可配置的參數包括Vbias、Vzero、Rload、Rtia和Rfilter，其中，Vbias和Vzero是通過DAC功能電路產生的電壓，決定著電化學傳感器接入電路的電壓偏置情況和測量基線，Rload負載電阻與傳感器本身特性相關，Rtia決定電流轉電壓電路的放大倍數，而Rfilter則能夠改變信號的響應速度，此處三個電阻本質上是精確的數字電位器。

圖11 可配置的恒電位電路參數

配置參數是通過一組16進制代碼發(fā)送給MCUM355模塊的，如圖12所示，為該協議的示例及其具體說明，其主體包含的內容就是上述5個參數的設定值。前文中提到，MCUM355模塊中具備兩組相同的低功耗恒電位電路，因此指令中也包含了目標通道的序號。在協議內容中，5個參數的不同代碼分別代表了相對應的配置值，具體的配置說明可以參見MCUM355模塊產品配套的用戶使用指南文檔。

圖12 配置參數指令代碼示例及說明

在用戶發(fā)送配置參數指令后，MCUM355將反饋剛剛更新的配置信息，并暫停運行，提示用戶需要給模塊重新復位，如圖13所示。此時配置信息已經被存入模塊的內置Flash空間中，模塊需要重新運行程序代碼，然后讀取Flash中的最新配置信息，并控制內部電路達到新的參數，然后開始運行測量程序。

圖13 向模塊發(fā)送配置參數指令后的反饋

MCUM355模塊運行在測量模式的情況下，用戶可以隨時向其發(fā)送模式轉換指令，如圖14所示，用戶發(fā)送指令將模塊轉換為EIS測量模式，此時模塊將會立即開始兩個電化學通道的EIS測量過程，默認程序固件中，EIS測量的頻率點從100Hz分布至200kHz，單通道測量全程耗時大約15s。在EIS測量模式下，模塊將持續(xù)地交替進行兩個通道傳感器的測量過程，直至用戶向模塊發(fā)送指令返回至正常測量模式。一般情況下，建議用戶在短時間內最好只對電化學傳感器做一輪EIS測量，由于測量過程是采用小幅度的正弦波信號對傳感器進行擾動，電極上會交替發(fā)生氧化和還原兩種相反的過程，短時間內，不會影響電化學傳感器的工作狀態(tài)。如果較長時間施加EIS交流擾動信號，有可能會使傳感器內部反應紊亂，使傳感器出現輸出飽和等異?，F象，需要等待很長時間其才能恢復正常。

當然，某些應用中（如生物阻抗分析），電極需要持續(xù)進行EIS測量過程，從而得到被測數據進行分析，這種情況下，客戶可以直接利用圖14所示輸出的EIS結果。

圖14 模塊運行在EIS測量模式

8.總結

本文介紹了型號為MCUM355的多功能電化學模塊，基于ADI公司的平臺級芯片ADUCM355開發(fā)而來，能夠用于氣體探測、水質檢測、生物分析和食品檢驗等領域，具有集成度高、超低功耗的特點。針對于氣體和水質應用，本文具體說明了MCUM355與傳感器的連接方法、工作原理等，用戶可以將其應用于自己的設計中，以及過渡至其他電化學傳感器應用。MCUM355模塊采用串口方式進行指令和數據交互，容易開發(fā)和使用，能夠幫助用戶快速搭建電化學產品。通過內置的EIS測量功能，可以實現傳感器壽命預測、電極分析等更深層次的應用，進一步拓展該模塊的可應用領域。對于更豐富的電化學功能應用，駿龍科技的技術人員可以協助客戶完成模塊內置功能軟件的定制開發(fā)。

參考文獻

［1］ 駿龍科技MCUM355產品簡介：https://www.cytech.com/knowledge/technical-articles/cytech-engineer/adi-highly-integrated-solution-gas-and-water-quality

［2］ ADUCM355產品頁面：https://www.analog.com/cn/products/aducm355.html

作者

Boris Wang

Field Application Engineer

Macnica Cytech Ltd.