基于AVR微處理器XMEGAl28單片機的電解質分析儀

這里提出一款采用ATMEL公司推出的高性能XMEGAl28單片機為核心器件設計的由電池供電的便攜式電解質分析儀，可以滿足野外使用需求。

　　1 XMEGA簡介

　　XMEGA是8位AVR微處理器的強勁性能升級版本。XMEGA采用第二代picoPower技術，是唯一真正使用1.6 V工作電壓的閃存微控制器。該器件功耗超低，并具有快速12位模擬功能、1個DMA控制器、1個創新的事件系統，以及1個AES加密引擎，全部都無需占用CPU資源，能夠最大限度減少功耗和提高系統性能。XMEGAl28微控制器的閃存容量為128 Kb，采用100引腳的貼片封裝，工作電壓為1.6～3.6 V，32 MHz頻率下處理性能可達到32 MI/s。

　　由于XMEGAl28的內部豐富的資源和強勁的性能。使其非常適合應用于嵌入式系統。該便攜式電解質分析儀采用XMEGAl28作為核心微處理器，使得整個系統外圍器件大大減少，在降低成本的同時又提高了系統安全性、可靠性。XMEGAl28較大的程序存儲空間能夠滿足電解質分析儀的大量軟件代碼的存放。

　　2 系統硬件設計

　　該系統是以ATxmegal28Al微處理器為核心，外圍連接有顯示、按鍵、打印機、傳感器放大盒、電源、通訊等模塊，其硬件設計結構框圖如圖1所示。

　　顯示部分采用320x240通用的LCD，直接由ATxmega128Al總線驅動，為用戶提供更多直觀信息，也使操作更方便。嵌入式微型打印機采用迅普公司的微型熱敏打印機，便于野外現場輸出文檔型資料，也直接由ATxmegal28A1的總線驅動。

　　2.1 傳感器調理放大電路

　　該分析儀的樣品液經高分子膜傳感器測量后得到的電信號的幅度很小，在-250～250 mV之間，無法直接進行A/D轉換。因此，需要對這些模擬信號進行調理放大處理。在電路的設計上，為了與離子選擇電極的高內阻相匹配，采用CA3140集成運算放大器作為一級放大，二級放大采用高精度低漂移的HAl7741運算放大器。

　　如圖2所示，采用3個運算放大器組成的測量放大電路，前段有2個高輸入阻抗的CA3140構成差動輸入。后端的HAl7741實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。為了保證放大器的精度，負反饋電阻選擇高精度低溫漂的精密電阻，且電路閉環增益不太大。同時為防止電路板表面的漏電流，對電路板進行了局部鏤空。為了能在野外惡劣環境下工作，對電路板還進行了防潮處理和電子屏蔽。

　　電極信號有鉀、鈉、氯、鈣和pH共5路，分別經各自的放大電路后連接到ATxmegal28A1微處理器的A/D模塊端口。