基于USB接口的恒电量腐蚀监测仪设计

论文摘要

在工业化国家,金属腐蚀破坏所导致的经济损失占国民生产总值（GNP）的3%-5%,成功的腐蚀监测,带来的经济效益相当于投资成本的数十甚至上百倍,因此腐蚀监测被认为是实现文明生产的重要保证手段。实际工程中的金属腐蚀大部分均为电化学腐蚀,本文对各种电化学腐蚀检测方法进行分析与对比,得出恒电量方法是一种简单易行、快速灵敏、适用条件普遍的非破坏性的腐蚀检测方法。为了实现恒电量腐蚀监测的自动化测量,本课题研发了基于USB接口的恒电量腐蚀监测仪。主机通过USB总线控制恒电量模块,加载激励信号极化电极,同时自动采集极化电位到主机,并由主机软件进行数据平滑、软件滤波、曲线拟合后显示各电化学参数。本课题所完成的主要工作包括:1.对极化曲线法、交流阻抗法等多种腐蚀电化学检测方法比较,分析恒电量方法在腐蚀监测中的优势;对恒电量法进行理论分析,由等效电路理论推导出各种电化学参数;分析了复杂涂装金属腐蚀体系等四种等效模型电路,并对等效电路通过拉氏变换及其逆运算推导出恒电量激励条件下的响应方程式。2.完成恒电量腐蚀监测仪的恒电量模块和恒电量接口模块的设计。激励信号的加载采用精密电容器充放电方式,通过减小充电电容Cs和增加充电电压Vs的方法来减小时间常数Rs*Cs使激励信号的充电速度提高3倍以上;接口芯片采用Cypress公司的FX2芯片,该芯片端点FIFO和接口FIFO两者相结合,大大提高了USB2.0带宽的利用率,可实现数据的高速采集。3.完成接口芯片固件程序、USB设备驱动和主机监控程序的设计。监控程序控制整个检测过程,采用VC和MATLAB混合编程,结合了VC友好的界面效果与MATLAB强大的数值计算能力;除了硬件上的防干扰措施,本系统还提供了软件消除噪声的方法,首先采用五点三次平滑方法对采集数据进行数据平滑,再通过低通滤波器去除50HZ的市电和高频干扰,保证数据的收敛性和准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 腐蚀监测仪的发展概述
• 1.2.1 腐蚀检测方法介绍
• 1.2.2 智能腐蚀监测的发展
• 1.3 USB技术的优势与现状
• 1.3.1 USB技术优势
• 1.3.2 USB技术国内外现状
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第二章 恒电量技术的原理
• 2.1 激励信号的产生
• 2.2 恒电量法的理论分析
• 2.3 不同腐蚀体系对应的等效模型
• 2.3.1 溶液电阻可忽略的简单金属/溶液腐蚀体系
• 2.3.2 溶液电阻不可忽略的简单金属/溶液腐蚀体系
• 2.3.3 复杂涂装金属腐蚀体系
• 2.3.4 含有缓蚀剂的金属溶液腐蚀体系
• 2.4 本章小结
• 第三章 USB总线技术
• 3.1 USB系统的结构
• 3.1.1 USB主机
• 3.1.2 USB设备
• 3.1.3 USB的互连
• 3.2 USB的电气及机械特征
• 3.3 USB总线协议
• 3.4 USB设备枚举
• 3.5 USB设备描述符
• 3.6 USB标准设备请求
• 3.7 本章小结
• 第四章 恒电量腐蚀监测仪的系统设计
• 4.1 恒电量模块
• 4.1.1 电解池的选取
• 4.1.2 激励信号的产生
• 4.1.3 腐蚀电位补偿装置
• 4.1.4 阻抗变换和放大器
• 4.2 恒电量接口模块
• 4.2.1 接口控制芯片
• 4.2.2 模数转换器
• 4.2.3 数模转换器
• 4.2.4 USB接口硬件设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 恒电量腐蚀监测仪的软件设计
• 5.1 接口芯片固件设计
• 5.1.1 固件框架Fw.c
• 5.1.2 USB描述符表Dscr.a51
• 5.1.3 框架函数挂钩Periph.c
• 5.2 驱动程序设计
• 5.2.1 WDM 内核模式对象
• 5.2.2 驱动程序的组成
• 5.2.3 驱动程序的加载
• 5.3 应用程序设计
• 5.3.1 腐蚀监测仪的测量流程
• 5.3.2 数据的平滑
• 5.3.3 数字滤波去噪
• 5.3.4 最小二乘曲线拟合
• 5.3.5 腐蚀监测仪界面编程
• 5.4 恒电量法和盐雾实验在评定金属镀层耐蚀性的比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢