【導讀】隨著"綠水青山"環保理念的深入推進，環境質量監測已成為國家基礎設施建設的重要環節，全國各地正在大規模部署空氣和水質檢測設備，用于追蹤和分析污染物的分布狀況及濃度變化。在這些檢測設備中，電化學傳感器作為核心檢測部件，其性能優劣直接決定著整個監測系統的準確性和可靠性。然而，電化學傳感器的應用一直面臨著信號極其微弱、個體一致性差以及容易受到環境干擾等技術瓶頸，被稱為電子設計領域最具挑戰性的技術之一。ADI公司針對這些痛點推出的高集成度電化學解決方案，為環境監測儀器提供了更加精準和穩定的檢測保障。國產化率顯著提高，本土領軍企業成功進入全球供應鏈前列，構建起從基礎元件到系統集成的完整產業競爭力體系。
概述
隨著"綠水青山"環保理念的深入推進，環境質量監測已成為國家基礎設施建設的重要環節，全國各地正在大規模部署空氣和水質檢測設備，用于追蹤和分析污染物的分布狀況及濃度變化。在這些檢測設備中，電化學傳感器作為核心檢測部件，其性能優劣直接決定著整個監測系統的準確性和可靠性。然而，電化學傳感器的應用一直面臨著信號極其微弱、個體一致性差以及容易受到環境干擾等技術瓶頸，被稱為電子設計領域最具挑戰性的技術之一。ADI公司針對這些痛點推出的高集成度電化學解決方案，為環境監測儀器提供了更加精準和穩定的檢測保障。
以電化學氣體傳感器為例，需要搭配偏置電壓源、電位保持、電流轉電壓、濾波、模數轉換等多個電路，再送入MCU中進行數據處理，再輸出最終測量結果（如下圖所示）。一般空氣質量監測儀器需要搭配許多個電化學傳感器，那么將需要規模龐大的電路。
圖1 傳統的電化學氣體傳感器應用電路
ADI集成電化學解決方案ADUCM355
目前ADI推出的電化學解決方案，將以上功能全部集成在單芯片中，它就是ADUCM355。該芯片是一款Cortex-M3內核的MCU，集成了先進的電化學模擬前端電路。ADUCM355具備兩套完整的電化學模擬前端電路和一套用于交流阻抗測量的模擬前端電路，并搭配12位DAC與16位ADC、靈活的開關矩陣、以及強大的數字預處理功能。芯片內部模擬電路的參數可以直接通過編程配置，用于兼容各種特性的傳感器。在氣體探測應用中，它能夠支持兩路電化學氣體傳感器，如下圖所示：
圖2 ADUCM355應用于電化學氣體傳感器
在水質檢測應用中，用于測量PH、電導率、ORP等指標的傳感器也屬于電化學傳感器，本方案也同樣適用。ADUCM355的交流阻抗測量功能可以用于診斷電化學傳感器的復阻抗，為壽命預測與數據矯正提供依據，同時其阻抗測量功能也可以延伸應用于生物阻抗測量產品中。
基于ADUCM355方案的模塊級產品MCUM355
為了方便中小客戶使用此方案快速搭建氣體、水質監測產品，我們駿龍科技公司開發了基于ADUCM355方案的模塊級產品MCUM355。
圖 3 MCUM355實物圖及其接口資源
其技術參數如下：
MCUM355模塊集成了高性能模擬電路、溫濕度傳感器與處理器，其豐富的外圍接口可以同時兼容氣體探測、水質檢測、阻抗譜繪制、以及血糖測量等多種應用。產品采用郵票孔模塊形式、直接輸出串口數據，易于中小客戶集成和使用。如下圖所示，模塊只需極少的外圍電路，即可搭建成氣體或水質檢測方案平臺。
圖4 (a) 使用MCUM355快速搭建的氣體和水質檢測平臺
圖4 (b) 使用MCUM355快速搭建的氣體和水質檢測平臺
MCUM355模塊支持Master和Slave兩種工作模式，在Master模式下，用戶可自行對模塊進行編程開發。在Slave模式下，用戶搭配自選MCU，通過串口交互指令配置模塊參數，并直接讀取傳感器數據。以Slave模式舉例，該模塊具有以下三種典型應該用。
氣體探測功能：
最多可接入兩只電化學氣體傳感器，同時輸出兩組數據，由客戶MCU通過串口指令配置模擬電路參數、并讀取傳感器數據，并且可以結合輸出的模塊自帶溫濕度數據進行最終結果的校正和標定。1路模擬電壓通道可以接入MOS或PID氣體傳感器。
水質檢測功能：
可以連接1只PH電極和1只電導率電極或ORP電極，由客戶MCU通過串口讀取PH值和電導率值，并結合水溫等參數進行校正和標定。1路模擬電壓通道可以接入水溫傳感器等。
阻抗譜繪制功能：
對被測目標施加不同頻率的正弦波激勵信號，掃描計算復阻抗參數，由客戶MCU通過串口讀取頻率點與對應復阻抗結果，進行傳感器壽命預測、輸出校正等。
MCUM355模塊的測試結果
CO 氣體傳感器的測試結果：
選用傳感器型號為Honeywell的4-CO-500。試驗中將傳感器放置在封閉氣室內，通入配比好的各種標準濃度氣體，每隔5分鐘變換濃度，如藍色線所示。程序經過標定處理后，輸出結果如紅色線所示，可以觀察到在每個濃度周期時間內，傳感器經歷響應時間后，最終測量結果能夠達到正確濃度值。
圖5 CO氣體探測的試驗結果
水質pH值的測試結果：
選用pH電極型號為雷磁的E-201G型pH復合電極。試驗中將pH電極反復在pH=4、pH=6.86、pH=9.18的酸性、中性、堿性緩沖液間轉移，轉移中注意用中性緩沖液沖洗電極。結果表明，經過標定后，模塊輸出的pH數據能夠正確反映被測溶液的pH值。
圖6 pH值測量的試驗結果
阻抗譜掃描的試驗結果：
被測傳感器是上述氣體檢測試驗中的CO傳感器。CO傳感器使用高濃度氣體環境在65℃高溫環境下加速老化了24h、48h、72h。阻抗譜掃描頻率范圍是1k~200kHz，輸出結果復阻抗曲線（如下圖所示），可以觀察到，隨著傳感器老化程度加深，阻抗有明顯的偏移趨勢。傳感器的老化會帶來響應電流的降低，因此，如果我們將傳感器阻抗數據作為校正參照數據，可以有效補償傳感器老化造成的儀器測量結果誤差。
圖7 阻抗譜掃描的試驗結果
總結
ADI的高性能電化學模擬前端方案顯著提高了電化學產品電路的集成度，利用交流阻抗譜預測傳感器壽命，為環境監測領域提供了優質前沿的解決方案。上述的MCUM355電化學模塊依托ADI的電化學方案ADUCM355，由我們駿龍科技公司的研發團隊完成開發。目前有標準型號，同時也支持定制開發，讓您節約系統開發時間、降低設計難度、節約開發成本。假如您對此方案或者模塊感興趣，請與駿龍科技當地的辦事處聯系，或發送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細的技術解答。
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