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仪器设备化包括设备联用的实时性保证和设备间信道、设备的控制和数据采集等复杂业务逻辑的实现,是电化学研究中的重要技术手段。本文讨论仪器设备化在电化学仪器开发中的工程方法,涉及电极制备、下位机开发、上位机与下位机传输协议、上位机框架及分析设计实现技术,并以聚苯胺膜导电性测量动力学为设备方法的应用实例。
基于虚拟设备,介绍了设备整体结构中电极、上位机、下位机、协议的动机和责任。回顾了应用于电化学原位膜导电性测量中的电极制备和设备方法,介绍了在电化学原位膜导电性测量中用于实现电位调制的恒电位仪及其核心器件集成运算放大器的工作原理、三电极体系的基本原理。
下位机部分以电化学原位膜导电性测量为例,总结以控制单元为核心,电压调制、电流测量和导电性测量等几个部分协调工作的流程。
通信协议部分介绍物理接口的选择,提出了三种协议的实现方案,以电化学工作站系统为例给出上位机命令、下位机数据、电压调制的编码方案和故障诊断实例。
在上位机的工程方法中,给出了基于迭代增量开发、面向对象和设计模式的开发方法,提出了管道-过滤器为体系的上位机框架,以电化学工作站为例讨论了设备控制方法的实现技术。数据可视化、数据处理、数据留存和实验重现也在上位机中进行了讨论。介绍了我们开发编解码器、进制转换工具、数据处理、信号发生和过滤、离线开发、版本控制、数据选取等调试工具和应用于多种设备的通用库。
最后,以电化学原位膜导电性测量为例,基于自行开发的仪器设备,讨论了其实验测量过程的实现,并分析了其膜导电性变化的反应动力学过程。
综上所述,本文基于电化学设备开发,讨论仪器设备化中的一般性的工程方法,提出了通用的上位机开发方案和体系结构,总结工程实例中的应用经验,并给出了电化学原位膜导电性及反应动力学测量作为设备的应用实例。