集束微电极系统数据采集装置

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.1990.01.013 北京科技大学学报 第1口卷第1场 Vo1.12No.1 1990年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan,1990 集束微电极系统数据采集装置 于朴王旷 张文奇 (表面科学与离蚀丁程系：) 摘要：在金属材料的腐蚀电化学研究中，了解材料表面醉态电化学响应与变化的 方法之·是测量表面解态的电势分布或阻抗分布，采用相应的数期采集系统是一种新的方 ● 法，着重介绍该系统的原理和结构。 关键词：腐蚀，电化学，电势分布，数期采集系扰 Design of Multi-Channel Data Collection Apparatus for Collected-Microelectrode(CME)System Yu Pu Wang Kuang Zhang Wengi ABSTRACT:In the research of corrosion electrochemical characteristics of alloys,the transient electrochemical responds on sample surface is important,es- pecially the potential distribution.One of the effective tool is collected-microele- ctrode method,which is newly developed,In this method,a multi-channel data co!!ccting system is necessary.In this paper,the structure and principle of the system is discussed. KEY WORDS:corrosion,electrochemical corrosion,potential distribution, collected-microclectrode system 在金属材料的腐蚀电化学研究中，有时需要了解材料表面瞬态的电化学响应与变化，从 而研究材料的腐蚀电化学过程。方法之一就是测量表面上瞬态的电势分布或阻抗分布，这要 求有相应的数据采集系统。为了满足集束微电极系统的工作要求，它必须具有多通道(400 路以上)，快速及小信号测量（：50mV)等几种功能，这是一般数据采集器所不能同附具 有的，为此研制了这种高速多通道数据采集系统〔1)。它的特性如下： 1988-03-12收稿 74

，口 钻此 卷冰 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 一 于 ， 。 集束微 电极 系统数据采集装置 于 朴 王 旷 张 文奇 表面 科学 与腐蚀 工 程 系 尸尸 摘 要 在 金 属材 料 的腐 蚀 电化 学 研究 中 ， 了解材料 表 面瞬 态 电化 学 响应 与变化 的 方 法 之 是 测 量表面 瞬态的 电势 分布 或阻 抗 分布 ， 采 用 相 应 的 数 据 采 集系统 是 一 种 新 的 方 法 ， 着重 介绍 该 系统 的原理 和 结构 。 关 健词 腐 蚀 ， 电化 学 ， 电势 分布 ， 数 抿 柔 您 系 统 ， 一 一 洲口 不犷 夕 路 夕 夕 不厂 力 ， 、 ， ， 犷 、 一 。 ， 、 少 · ， 卜 ， 一 丁 三 介 · ， 卜 一 。 。 、 。 ， · 、 ， 一 。 ， ， 一 、 · 了洲 在金属材 料 的 腐蚀 电化 学研 究 中 ， 有时需要 了 解 材料 表面 瞬态 的电化 学响应与 变化 ， 从 而 研 究材料 的 腐蚀 电化 学过 程 。 方法之 一就 是测 量 表面上 瞬 态的 电势分布或 阻 抗 分布 ， 这 要 求 有相应 的数 据采 集 系统 。 为 了满足 集 束微 电极 系 统 的工作要 求 ， 它 必 须 具’ 多通 道 。 路 以 上 ， 快 速 及小 信 号测 量 悦 等 几 种 功 能 ， 这 是 一 般 数据采 集器 所 不能 同时具 有 的 ， 为此 研 制 了这种高速 多通 道数据 采 集系统 〔 ‘ 〕 。 ‘仑的特性 如 一「 ，口 一 一 收 稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．01．013

(1)分辨率：12位。 (2)最高采样频率：88kHz。 (3)精度：±0.1%。 (4)模拟量输入通道：408路，其中小信号（满量程±50mV)为404路，大信号（满量 程±5V)4路。 (5)工作方式：可用询问或中断方式进行。 1系统框图 图1是整个系统的框图。408路模拟量分 Ref inp- 别进人4块输入板，经放大后再由4块并联的 A/D板转换，进入计算机内存中。 contro 21 A/D 2电路副析 本数据采集系统的基本设计要求包括： gg IOWT LIOR (1)有至少400个待测模拟量信号通道， A/D Contro 图1BE一1型数据采集系统框图 这些模拟量是相对于某一参考模拟量A(图1) Fig.1 Flow-chart of BE-1 type 的一组差动信号。范围在±50nV之内。 data collecting apparatus (2)这400个小信号模拟量金全部测量一遍应在5ms以内，每遍之间的时间间隔可在0~5s 内选择，并可在采集开始之前设置。 (3)采集的信号直接放人计算机内存中。 2.1译码开关与放大部分 由于对408路模拟信号采取分为4组的办法采集，因而，每一组译码开关至少应负责102 路信号通道。图2是其中一组的电路图。 Input> Output# 100Q 图2信号输入与放大部分 Fig.2 Signal input and amplification parts 图中对第一块板，S:与S:均与2点连接，1入为参照信号A。对第2~4块板，S2与1点 连接，S2点信号作为它们的参照信号。放大倍数R1=2,R2相对S2点为-1；相对于P点为 2,R3为50或1/2。 75

‘ 、 分辨率 位 。 最高采 样频率 。 精 度 士 。 模拟 量 输 入 通 道 路 ， 其 中小 信号 满量程 士 。 。 为 路 ， 大信号 满量 程 土 路 。 工 作方 式 可 用 询 问或 中断方式 进 行 。 系 统 框 图 、 、 亡 ‘ 了 ， 浦气 ， 图 是整个 系 统 的框 图 。 路模拟 量分 别 进人 块输人板 ， 经放大后再 由 块 并联 的 了 板 转换 ， 进人计算机内存 中 。 电 路 析 。 。 。 本数据采集系 统 的基本设计要 求包括 有至 少 个待 测 模拟 量信号通 道 ， 这些模拟 量是相对于某一 参考 模拟 量 图 的一组差 动 信号 。 范 围在 士 ， 之 内 。 一 断巫 傲 日 然 玩止 气兰二 斗 门短 图 。 这 个 小 信号 模拟量全部测 量一 遍应 在 以内 ， 内选择 ， 并可 在采集开始之前 设置 。 采 集的信号直接放人计 算机内存 中 。 八 一 型 数据采 集系统－框图 一 一 每遍之 间的时间 间隔可 在 。 译 码 开 关 与放大部分 由于对 路 模拟信号采取分为 组的 办法采 集 ， 因而 ， 每一组 译码 开 关至 少应 负责 路 信号 通 道 。 图 是其 中一组 的 电路 图 。 飞 图 信号 输入 与放 大 部分 图 中对第 一块板 ， 与 均与 点连接 ， 人 为参照 信号 。 对第 一 块 板 ， 与 点 连接 ， 点 信号 作为 它 们 的参照 信号 。 放大倍数 ， 相 对 点 为 一 相 对于尸 点 为 ， 为 或

这见每组使用了8选1的501执拟开关，共11个(14×8=112路)，分为上7与下7两 个部分。用-个503负责上7'与下T的选择并负贵切换放大倍数。通道号山PC机接I板上 产：后.先hLS737锁，再由LS138译码后，经缓冲器7416与7417送入4501中。 为允分利用A/D的满刻度分辨率，±50mV以内的小信号在进入A/D板前需放大100倍。 这里采用两级放人（×2，×50)的办法。优点是避免了放人倍数高而对芯片的高性能要 求，另外也有利于加快响应时间。 2.2A/D转换部分 在A/D板上，采用4组12位芯片AD574ADJ,这是-一种逐位比较型A/D转换器【」，它 的优点是精度比较高，图3是其中一组的示意图。 图3仅示出4路中之一。模拟量由1进人。它的转换时间为40s左右。每片AD574由 两个6D触发器作一次数据锁存，形成48个 (6×8)输出数据。由控做板给出的IOW与IOR 1 命令读写数据。IOW启动转换后约40“s后开 08 始执行IOR命令。 31. 4151 D。 0D0w1 15w 中+1 474 ,161 AU574 平5平 H1012 4 为4西7四或亚亚 图3A/D转换部分电路 图4控制板示在图 Fig.3 A/D conversion circuit,I is Fig.4 Circuit of A/D controlling for analog signal input plate 2.3控制板 控制板放入计算机(IBM PC/XT)机箱中。其原理图见图4。它的工作主要包括：将 A/D转换后的8组6D数据按图5的方式重新纽合成6纽8D数据，这样将右利于充分利用扑 算机内存，提高斥贮效事，增加存贮量，然后将它们分时传给PC机总线：给出译码开部 分的通道地址；交棘给出IOW与IOR控制命令；顶置遍数卝数器与点计数器等。 A/D转换后的48个数据分别输入到Ua~ Ug6个8D锁作器(LS374)中，由3-8码器 New writ中 :4给出的y。~y脉神信号控制它们，使它 G￥ 们每次只有-一个导通。这样，在每一次写(W)命 令后，形成6个读命令(R)。它们经U2(（8总 线收发器)按-一定顺序进人PC机数据总线中 (D。~D,),由于每次48个数据由4块 图5采集与转换过程的流水线都料 AD板上产生的，而且组合的方式又有所改变 Fig.5 Circulation flow-chart of data (见图5)，因而在数据总线与D。~D；一起 collection and A/D 76

这 叹每组 使 用 了 选 的 模拟 开 关 ， 共 迁个 路 ， 分为上 与下 两 尸 个部 分 。 用 一个 注 负责上 与 下 的选择 并 负责切 换 放 大倍数 。 通 道号 山 机 接 板上 产 了卜后 ， 先 由 锁 存 ， 再 由 一 译码 后 ， 经 缓 冲 器 与 通 送人 中 。 为充 分利 用 的满 亥 度分辨率 ， 士 以 内的小 信 一 号在 进入 ，‘ 板 前需放 大 。 。 倍 。 这 里 采用 两级 放大 ， 的办 法 。 优 点 是避 免 了放 大 倍 数 高 而 对 芯片的 高性 能 要 求 ， 另 外 也有利 于 加快 响应 时 间 。 转换部分 在 板 上 ， 采用 组 位 芯 片 ， 这 是 一种 逐位 比 较 型 转 换 器 ” 】 ， 它 的 优 点是 精 度 比较 高 ， 图 是其 中一组 的示 意图 。 图 仅 示 出 路 中之 一 。 模拟 量 由 进 人 。 ‘白的转换时 间为 。 户 左 右 。 每 片 由 两 个 触发 器 作 一 次数 据 锁 存 ， 形 成 个 输 出数 据 。 由控 制板给 出的 与 命 令 读 写数 据 。 启动转换后约纽。脚 后 开 始抓气行 命令 。 。 翰 呀驴 。 户 ， 一匀韶 衍暇毖 砚三 】 ， 孤川 日 丁异 真华寸 一 图 转换 部分 电路 图 控 制板 示 意图 。 控制板 控 制板放 入计 算机 机箱 ‘卜 。 其 原理 图见 图 。 它 的 工 作主要 包括 将 转换后 的 组 数据按 图 的 方式重新组 合 成 组 数 据 ， 这 样将 有利于 充 分利 用计 算机 内 序 ， 提 高 贮 效 率 ， 增 加存 贮 量 ， 然 后将它 们 分时传 给 机 总线 给 出译码 开 关部 分 的 通 道地 址 交 替给 出 ‘ 控 制命 令 预 咒遍数计数 器 一 与点计数 器等 。 转换 后 的 个数据 分别 输人 到 “ 个 锁 存器 「 ，， 由 一 译码 器 。 给 出的 夕 。 一 。 脉 冲信号 控 制它 们 ， 使 它 们 奸次 只 有 一 个导 通 。 这样 ， 在 傣一 次写 命 令 后 ， 形成 个读命令 。 它 们 经 总 线收 发 器 按 一定顺 序进 人 机 数据 总 线 中 。 一 ， 由 于 每 次 个 数 据 由 块 板 上产 生 的 ， 而 且组 合 的 方 式 又 有所 改 变 见图 ， 因 而 在数 据总 线 中 与 。 一 一 起 坪罗 羔阴 妇 附 、书’ 吕 ‘ 毕 ’ 一 西也 图 采 集 与转 换 过程 的 流水 线 枢 图 一

还必须有板选信号。它们由U。~U1产生(A。~Aa)。 y。~y:脉冲同时还构成了一个分时系统，控制点计数器与遍计数器。点由U24(y)计数， U2s与U26在每个写周期加1计数，到达预定点数后(104)，送脉冲至U1与U16,使遍数预 置计数器U14与U15加1，当到达预置遍数后，由U16打开控制端到U?(正沿触发器)触发， U1送出遍中断信号。 点计数器U25与U2还控制U2,产生通道地址号，送入模拟开关中。 了提高采集与转换速度的一些方法 3.1缩短过程 本系统的AD器件是AD574‘3),为慢速器件，一次转换时间为404s。由子测量的模拟 量为小信号（满量程±50mV),因此如按照一次完全采集过程计笋，时间将大大馒于10s, .1 因为它至少包括以下各过程： 小信号建立（包括放大时的过渡时间与响应时间，~40s)十A/D转换(~40μs)十6 个8D的存入(~404s)。 为改变这种情况，尽可能利用AD板的速度，故采用了4路AD并行转换的办法，并对信 号建立、AD转换与存入等过程采用一种“流水线”作业方式（见图5），它的工作过程是： ①空写1（非要测的模拟量）(0) ②改变通道号1，信号输入 ③读(R)空写1之前一次的A/D转换结果(-1)④锁存空写1的A/D数据(0) ⑤写2（真值1），转换通道1的信号(1)⑥改变通道号2 ⑦读空写1的A/D转换结果(0) ⑧锁存写2的A/D(1) ⑨写3（真值2），转换通道号2的信号(2)⑩改变通道号3 ①读写2的A/D转换结果(1) 也就是说，大约经过了10步，第一个待测的模似量(1)才被读人内存中。然而，尽管每 一个小读写周期内并不是处理同一批数据，但从时间上则大大地缩短了，使每一次转换时间 由1204s左右降至404s。 3.2分时系统 提高采集速度的另一方面是PC机的读写时间，PC机每热行一条指令的时间大约为7~ 8s,如果读写操作与采集的一兰控制指令均由PC机发出，则至少需执行10条以上指令（即 至少80,4s完成一个读写周期)。为此，把大部分指令交由控制板执行，PC机只执行读(R)写 (W)指令，并且把1写6读(1W6R)变为1WsR。这样PC机每完成一个周期又可以节约8个 指令的时间，使总的平均周期降为40s左右，就完全可以与AD转换速度(404s)配合。 除此1W3R以外，其它的控制指令只能都由控制板发出。它包括通道地址、IOR与IOW、 遍计数器、点计数器等。它们通过板上的分时系统给出，此系统由。~y。JO时序脉冲变 换组合而成。y。~ys除进行1T6R外，还分别负责： y1:控制点计数器，同时形成通道号，两个y1的间隔时间是号的稳定时问。 y2:控制遍数计数器进位。 77

还必须 有板选 信号 。 它 们 由 。 一 ，。 产生 。 。 。 。 一 夕 。 脉 冲 同 时还 构成 了一个分时系 统 ， 控制 点计数器 与遍计数 器 。 点 由 夕 计数 ， 与 。 在 每 个写 周 期加 计数 ， 到达预 定点数后 ， 送脉 神至 ， 与 ， 使遍数预 置计数器 ‘ 与 加 ， 当到 达 预置遍数 后 ， 由 。 打开控制端到 正沿触发 器 触发 ， ， 送 出遍 中断信号 。 点 计数 器 。 与 。 还 控 制 产生 通 道地 址号 ， 送入 模拟开关 中 。 提高采集与转换速度 的 一些方法 。 缩短 过 程 本系统 的 人 器 件 是 〔 “ 〕 ， 为慢速 器 件 ， 一 次转换 时 间为 娜 。 由于测量的 模 拟 量为小 信号 满 量 程 土 ， 因此如 按照 一 次完全采 集过 程 计 算 ， 时 间将大大慢于 理。 那 ， 因 为 它至 少 包 括 以 下 各过 程 小 信号建 立 包括放大 时 的过 渡时间与 响应时间 ， 一 沁 十 转换 一 。 沁 个 的 存入 群 。 为 改 变这种情况 ， 尽可 能 利 用 板 的速度 ， 故采 用 了 路 少个行转换的办 法 ， 并对 信 号建 立 、 人了 转换与 弃人 等过 程采 用 一种 “ 流 水 线 ” 作业 方式 见 图 ， 它 的工作过 程 是 空写 非要 测 的 模拟量 ② 改 变通 道号 ， 信号输 入 读 空写 之前 一次 的人 转换结果 一 ④ 锁 存空 写 的 数据 写 真 值 ， 转换通 道 的 信号 〔 ⑥ 改 变通 道号 读空写 的 转换结果 ⑧ 锁 存写 的 写 真值 ， 转换通道号 的 信号 ⑩ 改变通 道号 读写 的 转换结果 ⑨⑦⑤⑧①三 也就 是说 ， 大约经过 了 步 ， 第一个待 测的模拟量 才被 读人 内存 中 。 然 而 ， 尽 管每 一个小读写周 期内并不 是处 理 同一批数据 ， 但从 时 间上则 大大地 缩 短 了 ， 使每一次转换时 间 由 声 左 右降至 产 。 。 分 时 系 统 提高采 集速度的 另一方面是 机 的读写 时 间 ， 机 每执 行 一 条指令 的 时 间大约 为 即 ， 如 果读 写 噪作与 采集的 一些控 制指令均 由 机发 出 ， 则 至 少需 执行 条以 上指令 即 至 少 声 完 成 一个 读 写周 期 。 为此 ， 把大部分 指令交由控 制板执 行 ， 机 只 执行读 写 指令 ， 并且把 写 读 变为 。 这样 机 每完 成一 个周 期又可 以节约 个 指令 的时 间 ， 使总 的 平均周 期降 为 仰 左 右 ， 就完全可 以与 转换速度 ， 配 合 。 除此 以 外 ， 其它的控制 指令只 能 都由控 制板发 出 。 ‘己包 括通 道地 址 、 与 、 遍计数器 、 点 计数 器等 。 它 们通过板 上的分时系统 给出 ， 此 系统 由夕 。 一 夕 。 了 时序脉 冲 变 换 组 合 而成 。 。 除进行 外 ， 还 分别 负责 少 ， 控制点计数器 ， 同时形 成通 道号 ， 两 个 ，的 间隔时间是 信号 的稳定 时 间 。 控 制遍数 计数 器 进位

y:触发标志触发器，并由它对点计数器清零。 y4:将标志触发器清零。 图6是控制板上一·些位置上的脉冲时间示意图，具体代号意义参见图4，由图中可见， 每个R命令的后沿起作用，它与前沿的半个周期之差使锁在器提前打开，使PC机能可靠地 读联数据。 IOR- rinminnnnwn 1 y. 图6控制板上部分脉冲时间图 Fig.6 Pulse and time figure of control plate 4软件功能 本系统的软件是由编译BASIC与8088汇编语言写成。它可以人机对话方式直接操作。 它的几种主要功能有： (1)以数据块为单位采集与存盘它以询问方式采集数据，由于PC机内存为640kB,除去 必要的软件占用空间外，可用于数据存放的空间在480kB左右，系统以88kHz的频率采集数 据并放入内存中。按64k一组，可达7组(448kB)。由于每两个12位数据只占用3个内存单 位，因而每一组内可达105遍（每遍416点，数据量416×105=43680个，占内存1.5×43680 =65.520kB)。采集的遍数可在采集开始前键人（最高735遍），到达预定遍数后停止采集等 待下一步的命令。 采集到的数据可以从任何一点开始显示，可以把某一编号的点全部显示出，也可以把某 一遍的数据全部显示出。显示可以在任何时刻停止。 (2)数据的取舍如不想保留采集到的数据，则当再次采集时，旧数据自然冲掉，如想 保留采到的数据，则当启动存盘软件时，数据以顺序文件方式由内存转入硬盘中。 5结 论 (1)用数个A/D分组的方法可以实现超多通道数据采集系统的构成。 (2)多通道、小信号测量与要求快速测量（采样）之间的矛盾可以通过系统内部合理的 分时系统来解决。数据的分解紧凑式传送也有利于提高速度。 参考文献 1F朴，北京科技大学博上学位论文，1988年： 2张如洲著。微型计算机数据采集与处理，北京工业学院出版社，197年 3美国德克萨斯仪器公司TTL,集成电路特性应用于册，1984年 78

夕 。 触发 标 志触发器 ， 并由它 对点计数器 清零 。 夕 ‘ 将标 志触发 器 清零 。 图 是控 制 板上 一 些位置上的脉 冲时 间示 意图 ， 具体代 号 意义 参 见图 ， 由 图中可 见 ， 每个 命令的后沿起 作用 读联数据 。 ， 它与 前沿 的半个周 期之 差 使锁 存器 提前 打 开 ， 使 机能可靠地 黑 比曰岛 ︺尸七 一‘ 卜卜， 一 一一 一一一爪 一一一 一一门 一妇一一一曰－ 一 州匕厂 一 入为儿艺凡凡 图 控制板 上 部分 脉冲时 间 图 厂 软 件 功 能 本系统 的软 件 是 由编 译 与 它 的几种 主 要功 能有 汇编 语言 写 成 。 它可 以 人机 对 话方 式直接 操 作 。 以数据块 为单位采 集与 存盘 它以 询问方 式采 集数据 必 要的软 件 占用 空间外 ， 可 用于数据 存 放 的空 间在 魂 左 右 ， ， 由于 机 内存 为 ， 除 去 系统 以 的频率采 集数 据 并放入 内 存中 。 按 一组 ， 可达 组 。 由于 每两 个 位数 据只 占用 个内存单 一 位 因而 每 一组 内可 达 遍 每遍 点 ， 数据量 个 ， 占内存 。 采 集的 遍数可 在采 集开始 前键人 最 高 遍 ， 到 达预定遍数 后 停止采 集等 待下一步 的命令 。 采 集到 的数据可 以从 任何 一点开 始显示 ， 可 以把 某一编 号的 点全 部显 示 出 ， 也可 以把某 一 遍 的数 据全 部显示 出 。 显示可 以在 任何 时刻 停止 数据 的取舍 如 不想保留采集到 的数 据 ， 则 当再次采 集时 ， 旧数据 自然 冲掉 ， 如 想 保 留采 到 的数据 ， 则当启 动 存盘 软 件时 ， 数 据 以顺 序文 件方式 由内 存转入 硬 盘 中 。 结 论 用数个 分组 的 方法可 以实 现超 多通 道数据采 集系统 的 构 成 。 多通道 、 小 信号测量与 要求快速测 量 采 样 之间 的矛盾可 以 通 过 系统 内 部 合理 的 分 时 系统 来解 决 。 数 据 的 分解 紧决式传送 也有利 于 提高速 度 。 参 考 文 献 一 “ 朴 ， 匕京科技大 学 博 士学 位论 文 ， 年 张如 洲著 微 型计 算机数据采 集与处 理 ， 北 京 工业学院 出版社 ， 年 美 国德克萨斯 仪器公 司 集 成电路特性应 用手册 ， 年