基于管道、过滤器的电化学工作站的开发

论文摘要

电化学工作站是用于电化学体系检测和分析的科学仪器，在电化学研究领域起着重要作用。虽然国内外已经存在多种系列的成熟产品，但多数价格合理的产品性能欠佳，而中高端产品价格昂贵，更重要的是这些产品都无法实现与其他设备联用，因此进行电化学工作站的自主研发具有一定的意义。电化学工作站由上位机软件系统和下位机硬件设备组成，本文阐述了上位机软件系统的完整开发过程，设计了上位机与下位机的通信协议。整个软件系统被划分为业务逻辑层、GUI层和驱动程序层三大部分。其中，业务逻辑层采用了基于管道、过滤器的构架模式，提出了过滤器、控制器的概念，并由ANSI C以及windows系统中读写设备和进程管理的API函数实现，具有松耦合、较强的可扩展性和可维护性等特点；GUI层则采用了快速开发的模式，由C#的windows form工程实现，使用ZedGraph控件完成实时曲线的绘制，大大的降低了GUI的工作量，同时提出了一种基于二分的抽样方法来控制数据规模，以解决曲线绘制时的性能问题。软件系统的测试被划分为过滤器测试、离线测试以及联机测试三个阶段以保证软件质量；通过自主研发测试工具模拟下位机设备行为以实现离线测试、提高测试效率。目前，电化学工作站支持的实验方法包括循环伏安法（CV）、线性伏安法（LSV）、开路电位法（OCV）、计时安培法（CA）、计时库伦法（CC）、计时电位法（CP）、电流-时间曲线（ITC）、差分脉冲法（DPV）、常规脉冲法（NPV）和方波伏安法（SWV）。同时，该系统已成功应用于实际的电化学实验当中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外发展状况
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究意义
• 2. 电化学工作站的原理
• 2.1 电化学工作站的体系结构
• 2.2 电化学测量方法
• 2.3 三电极体系
• 2.4 下位机设备
• 2.5 上位机与下位机的通信协议
• 3. 基于管道、过滤器的上位机软件构架设计
• 3.1 基本概念
• 3.1.1 管道
• 3.1.2 过滤器
• 3.1.3 控制器
• 3.2 系统的总体构架
• 3.3 实验方法的设计：以差分脉冲伏安法（DPV）为例
• 3.3.1 DPV 的实验原理
• 3.3.2 DPV 的界面设计
• 3.3.3 DPV 的业务逻辑层设计
• 4. 上位机软件实现的相关技术
• 4.1 驱动程序的开发
• 4.2 业务逻辑层的相关技术
• 4.2.1 设备的读取操作
• 4.2.2 实验方法控制器
• 4.3 GUI 层的相关技术
• 4.3.1 数据的可视化方案
• 4.3.2 实时曲线的绘制
• 4.3.3 绘图性能的改进
• 5. 电化学工作站的测试与应用
• 5.1 过滤器的测试
• 5.2 离线的集成测试
• 5.3 联机测试
• 5.4 实际应用
• 6. 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间公开发表论文及著作情况