Portabler elektrochemischer Analysator
End-to-End-Entwicklung einer STM32F303-basierten elektrochemischen Messplattform – von Mixed-Signal-Hardware und PCB-Design über Echtzeit-Firmware und Signalverarbeitung bis zur PC-Software.
- Komplettes Sensor-to-Software-Messsystem: Analog-Frontend, PCB, Embedded Firmware und C#-Anwendung
- STM32F303 mit Timer-/DMA-gesteuerter DAC-Signalerzeugung und synchronisierter ADC-Erfassung
- Potentiostat, Transimpedanzverstärker, bipolare DAC-Signalaufbereitung und differenzielle ADC-Signalkette
- Implementierung von EIS, CV und LSV sowie experimentelle Entwicklung von SWV
- Experimentelle Validierung gegenüber PalmSens und Laborgeräten zur Impedanzanalyse
Projektübersicht
Eine kompakte elektrochemische Messplattform, entwickelt im Rahmen meines M.Sc. Embedded Systems an der Technischen Universität Chemnitz.
Ziel war die Entwicklung eines kostengünstigen Messgeräts auf Basis eines einzelnen STM32F303 ARM Cortex-M4, das elektrochemische Anregungssignale erzeugt, eine Drei-Elektroden-Zelle regelt, deren Spannungs- und Stromantwort erfasst, die Messdaten verarbeitet und die Ergebnisse über eine PC-Anwendung darstellt.
Das Projekt umfasste die vollständige Entwicklungskette:
Analog-Frontend → PCB → Embedded Firmware → Signalverarbeitung → Kommunikation → PC-Software → experimentelle Validierung
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System
Der STM32F303 bildet den digitalen Kern des Systems. Seine internen DACs erzeugen das Anregungssignal sowie Offset bzw. Rampensignal, während synchronisierte ADC-Kanäle die Rückführung von Zellspannung und Strom erfassen.
Das kundenspezifisch entwickelte Analog-Frontend umfasst die Regelung des Drei-Elektroden-Potentiostaten, die Strommessung über einen Transimpedanzverstärker, die bipolare Aufbereitung der unipolaren DAC-Ausgänge des Mikrocontrollers, differenzielle ADC-Signalaufbereitung, wählbare Strommessbereiche und gepufferte Analogreferenzen.
Über USART ist das Embedded System mit einer C#-Desktop-Anwendung zur Konfiguration, Visualisierung und Datenspeicherung verbunden.
Hardware
Meine Arbeit umfasste die vollständige Messsignalkette von der Signalerzeugung bis zur ADC-Erfassung.
Die Hardware kombiniert Präzisions-Operationsverstärker zur Pegelverschiebung und Summierung der DAC-Signale, den Potentiostat-Regelkreis, einen Transimpedanzverstärker zur Strommessung im Mikroampere-Bereich sowie differenzielle ADC-Treiber.
Bei der Auslegung mussten Verstärkung, Bandbreite, Stabilität, Rauschen und die Grenzen der integrierten MCU-Wandler gegeneinander abgewogen werden.
Die Schaltung wurde von Simulation und Breadboard-Aufbau über die Schaltplanentwicklung bis zu einer eigenen zweilagigen Leiterplatte umgesetzt. Eine separate Stromversorgungsplatine erzeugt die für das Mixed-Signal-System benötigten analogen und digitalen Versorgungsspannungen, darunter ±5 V, ±2,5 V, 3,3 V digital und 3,3 V analog.
Firmware & Signalverarbeitung
Die Firmware nutzt die STM32-Peripherie als synchronisiertes System zur Signalerzeugung und Datenerfassung.
Hardware-Timer und DMA koordinieren DAC-Aktualisierung und ADC-Abtastung, anstatt zeitkritische Abläufe über Software-Loops zu realisieren. Dadurch werden CPU-Last und Timing-Jitter reduziert und eine deterministische Datenerfassung ermöglicht.
Für EIS berechnet die Embedded-Signalverarbeitung unter anderem Impedanzbetrag, Phase sowie Real- und Imaginärteil, bevor die Ergebnisse an den PC übertragen werden.
Der implementierte Frequenzbereich für die EIS-Anregung reichte von etwa 0,1 Hz bis 100 kHz.
PC-Software
Zusätzlich entwickelte ich die PC-seitige Software in C#. Sie umfasst serielle Kommunikation, Messkonfiguration, Parametereingabe, Testausführung, Visualisierung und Speicherung der Ergebnisse.
Messverfahren
Die gemeinsame Hardware- und Firmwareplattform wurde für mehrere elektrochemische Verfahren entwickelt:
- Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
- Zyklische Voltammetrie (CV)
- Linear Sweep Voltammetry (LSV)
- Square Wave Voltammetry (SWV) – Signalerzeugung und Datenerfassung wurden experimentell untersucht; die vollständige Auswertung wurde innerhalb des Projektzeitraums nicht abgeschlossen.
Validierung
Der Prototyp wurde zunächst mit passiven Dummy-Zellen und anschließend mit realen elektrochemischen Zellen getestet.
Die Messergebnisse wurden mit kommerzieller Referenzmesstechnik verglichen, darunter PalmSens-Potentiostaten und Laborgeräte zur Impedanzanalyse.
Die Validierung umfasste Bode- und Nyquist-Auswertungen für EIS sowie CV- und LSV-Vergleiche mit elektrochemischen Testlösungen. Damit wurde nicht nur die Funktion einzelner Baugruppen, sondern die vollständige Messkette bewertet.
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Nachgewiesene Kompetenzen
Embedded Systems: STM32F303, ARM Cortex-M4, Embedded C, Timer, DMA, ADC, DAC, USART
Analog- und Messtechnik: Potentiostat-Design, Transimpedanzverstärker, Op-Amp-Signalaufbereitung, differenzielle ADC-Schnittstellen, Spannungsreferenzen, Messung kleiner Ströme
Hardwareentwicklung: Simulation, Schaltungsentwicklung, zweilagiges PCB-Layout, Stromversorgungsdesign, Prototyping und Fehlersuche am Prüfplatz
Software: C#, serielle Kommunikation, Messkonfiguration, Visualisierung und Datenverarbeitung
Verifikation: Oszilloskop-Debugging, Charakterisierung mit Dummy-Zellen, elektrochemische Versuche, Bode-/Nyquist-Analyse und Vergleich mit kommerzieller Messtechnik