一种八通道电化学阻抗谱压缩采集与嵌入式重构系统及方法

本发明涉及电化学检测、阻抗谱测量、嵌入式仪器、多通道传感与数据重构，尤其涉及一种八通道电化学阻抗谱压缩采集与嵌入式重构系统及方法。

背景技术：

1、电化学阻抗谱是一种常用的电化学检测方法。该方法通过在不同频率下向电化学体系施加小幅交流激励，并采集电流或电压响应，从而获得被测体系在不同频率点下的复阻抗信息。电化学阻抗谱能够反映电解质电阻、电极界面、电荷转移、双电层电容、扩散过程以及传感器界面状态，因此广泛用于电化学传感、材料分析、生物检测、腐蚀监测和便携式检测设备。

2、现有电化学阻抗谱检测通常需要在完整频率表下逐点扫描。例如，为了获得完整的 nyquist 曲线和 bode 曲线，需要在高频、中频和低频范围内采集大量频率点。当检测系统为单通道时，完整频率扫描的时间和数据量仍可接受；但当系统扩展至八通道甚至更多通道时，每个通道均执行完整频率扫描会导致采集时间显著增加、数据量增大、主控单元存储和通信负担加重，不利于便携式、多通道和实时化电化学阻抗检测系统的实现。

3、现有多通道电化学检测系统通常侧重于增加通道数量或提高单通道测量精度，但对于多通道电化学阻抗谱测量中的扫描时间长、频率点冗余度高、嵌入式处理负担重、上位机依赖强等问题缺少有效解决方案。部分系统虽然能够实现多通道阻抗数据采集，但仍然需要将原始数据上传至上位机进行离线分析，无法在嵌入式端直接输出完整频率表下的阻抗谱结果。

4、此外，单纯减少频率点会造成阻抗谱信息缺失，影响 nyquist 曲线、bode 幅值曲线和相位曲线的完整性。普通插值方法虽然能够根据少量频率点恢复曲线形态，但难以补偿硬件系统误差、通道差异和电化学体系变化带来的系统性偏差。

5、另一方面，在实际电化学传感器测试过程中，除了电化学阻抗谱之外，循环伏安、计时安培、差分脉冲伏安、方波伏安、线性扫描伏安和开路电位等方法也常用于电极活化、传感器状态评估、体系预处理、目标物浓度检测和辅助表征。若多通道电化学阻抗检测系统仅能执行单一 eis 模式，则难以满足完整传感器测试流程中的多模式检测需求。因此，亟需一种以多通道电化学阻抗谱压缩采集与嵌入式重构为核心，同时兼容其他电化学采集方式的便携式多通道电化学检测系统。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种八通道电化学阻抗谱压缩采集与嵌入式重构系统及方法，以解决现有多通道电化学阻抗谱检测中完整频率扫描耗时长、数据量大、通道扩展后采集效率低、上位机依赖强以及稀疏采样后阻抗谱信息不完整的问题。同时，本发明通过模式配置单元兼容其他电化学采集方式，使系统能够用于阻抗检测前后的电极活化、传感器状态检查、辅助表征和多模态电化学分析。

2、技术方案：一种八通道电化学阻抗谱压缩采集与嵌入式重构系统，包括：

3、主控单元，用于产生电化学阻抗谱测量控制指令、配置阻抗采集参数、调度多个电化学阻抗采集通道、读取复阻抗数据并执行嵌入式频谱重构；

4、多个电化学阻抗采集前端，分别对应多个电化学检测通道，用于在不同激励频率下完成电化学阻抗测量并输出对应频率点下的复阻抗数据；

5、电极接口单元，用于连接各电化学检测通道的工作电极、参比电极、对电极和/或感测电极；

6、通信接口单元，用于实现所述主控单元与所述多个电化学阻抗采集前端之间的数据通信；

7、通道控制单元，用于向各电化学阻抗采集前端提供片选信号、中断检测信号和复位控制信号；

8、存储单元，用于存储完整频率表、稀疏频率表、通道校准参数、频谱重构参数和电化学采集模式参数；

9、频谱重构单元，用于根据稀疏频率点下的复阻抗数据重构完整频率表下的电化学阻抗谱；

10、模式配置单元，用于配置电化学阻抗谱采集模式以及至少一种辅助电化学采集模式；

11、通信输出单元，用于将稀疏频率点下的测量数据、完整频率表下的重构阻抗谱和/或辅助电化学采集数据输出至外部设备；

12、其中，所述主控单元控制各电化学阻抗采集前端按照所述稀疏频率表采集对应通道的复阻抗数据，并基于嵌入式频谱重构算法将所述复阻抗数据重构为所述完整频率表下的电化学阻抗谱。

13、进一步的，所述多个电化学阻抗采集前端的数量为至少八个，每个电化学阻抗采集前端对应一个电化学检测通道；或者，所述系统由多个八通道采集模块级联形成十六通道、三十二通道或更多通道的电化学检测系统；

14、所述电化学阻抗采集前端包括交流激励产生模块、响应信号采集模块、模数转换模块、阻抗计算模块和数字通信接口模块中的一种或多种，用于完成电化学阻抗谱测量并输出复阻抗数据；在一种实施方式中，所述电化学阻抗采集前端为 ad5941 模拟前端芯片，或者为能够完成交流激励产生、响应采集、阻抗计算和数字通信的等效电化学模拟前端芯片；

15、各电化学阻抗采集前端分别具有独立的片选信号、中断信号和复位信号，所述主控单元根据所述片选信号选择目标采集前端，根据所述中断信号读取对应通道的阻抗测量结果，并根据所述复位信号对对应通道进行独立复位；

16、所述通信接口单元包括多个数字通信接口，所述数字通信接口用于实现主控单元与电化学阻抗采集前端之间的参数配置和数据读取；在一种实施方式中，所述数字通信接口包括多个 spi 通信总线，每个 spi 通信总线连接一个或多个电化学阻抗采集前端，同一 spi 通信总线上的不同电化学阻抗采集前端通过独立片选信号进行选择；

17、所述通信输出单元包括 usb、uart、蓝牙、wifi 或其组合，用于输出各通道的稀疏阻抗数据、重构阻抗数据、阻抗幅值、相位、nyquist 曲线数据、bode 曲线数据和辅助电化学采集数据。

18、进一步的，所述稀疏频率表包括分布于高频段、中频段和低频段的多个频率点，所述完整频率表的频率点数量大于所述稀疏频率表的频率点数量；所述稀疏频率表包括 m个频率点，所述完整频率表包括 n 个频率点，其中 m

19、进一步的，所述复阻抗数据包括复阻抗实部和复阻抗虚部，所述频谱重构单元分别对复阻抗实部和复阻抗虚部进行重构，并进一步计算阻抗幅值和相位；所述频谱重构单元包括保形插值模块和残差校正模块，所述保形插值模块用于根据稀疏频率点下的复阻抗数据生成完整频率表下的初始阻抗谱，所述残差校正模块用于对所述初始阻抗谱进行系统误差补偿；所述保形插值模块在对数频率坐标下分别对复阻抗实部和复阻抗虚部进行分段三次 hermite 保形插值，得到完整频率表下的初始复阻抗谱；所述残差校正模块基于正则化线性残差模型、岭回归残差模型或其等效残差校正模型，对所述初始阻抗谱与完整频率表实测阻抗谱之间的系统性偏差进行补偿。

20、进一步的，所述存储单元还用于存储各通道的校准参数，所述主控单元根据所述校准参数对不同通道的增益误差、偏置误差、相位误差或残差补偿参数进行修正；所述模式配置单元被配置为支持循环伏安、计时安培、差分脉冲伏安、方波伏安、线性扫描伏安和开路电位中的一种或多种辅助电化学采集模式；

21、当系统处于电化学阻抗谱压缩采集模式时，主控单元按照稀疏频率表采集复阻抗数据并执行嵌入式频谱重构；当系统处于辅助电化学采集模式时，主控单元按照对应模式的电位波形、采样速率、偏置电位、扫描范围、脉冲参数或采样时序采集电流、电压或电位数据；

22、所述辅助电化学采集模式用于电极活化、传感器状态检查、电化学体系预处理、阻抗检测前后辅助表征、目标物浓度检测或多模态电化学分析。

23、本发明还提供一种八通道电化学阻抗谱压缩采集与嵌入式重构方法，应用于上述的系统，包括：

24、（1）建立完整频率表和稀疏频率表，其中所述稀疏频率表的频率点数量小于所述完整频率表的频率点数量；

25、（2）初始化主控单元、通信接口单元和多个电化学阻抗采集前端；

26、（3）主控单元选择当前电化学检测通道，并按照稀疏频率表依次设置电化学阻抗测量频率；

27、（4）获取当前通道在稀疏频率点下的复阻抗数据；

28、（5）判断当前通道的稀疏频率点是否采集完成，若未完成，则继续采集下一稀疏频率点；若完成，则切换至下一通道；

29、（6）判断多个通道是否均完成稀疏频率点采集，若未完成，则继续调度未完成通道；若完成，则进入嵌入式频谱重构；

30、（7）对各通道稀疏频率点下的复阻抗数据进行频率对齐、异常点判断和数据预处理；

31、（8）基于保形插值方法，根据稀疏频率点下的复阻抗数据生成完整频率表下的初始阻抗谱；

32、（9）基于残差校正模型对所述初始阻抗谱进行补偿，得到完整频率表下的重构阻抗谱；

33、（10）输出各通道的重构复阻抗谱、阻抗幅值、相位、nyquist 曲线数据和 bode 曲线数据。

34、进一步的，步骤（8）中所述保形插值方法在对数频率坐标下分别对复阻抗实部和复阻抗虚部进行插值，步骤（9）中所述残差校正模型输出完整频率表下的复阻抗实部残差和复阻抗虚部残差，并将所述残差叠加至初始阻抗谱得到重构阻抗谱。

35、进一步的，所述方法还包括辅助电化学采集步骤：主控单元根据外部指令或预设检测流程，在电化学阻抗谱压缩采集模式与循环伏安、计时安培、差分脉冲伏安、方波伏安、线性扫描伏安或开路电位采集模式之间切换；

36、在所述辅助电化学采集模式下，主控单元向电化学阻抗采集前端下发电位波形、采样速率、偏置电位、扫描电位范围、脉冲幅值、脉冲宽度或采样时序中的一种或多种配置参数，并采集相应的电流、电压或电位数据。

37、本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有程序，所述程序被所述处理器执行时实现上述的方法。

38、本发明还提供一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被处理器执行时实现上述的方法。

39、有益效果：

40、1、本发明通过稀疏频率表进行电化学阻抗谱测量，仅采集完整频率表中的部分关键频率点，能够显著减少多通道 eis 的频率扫描点数和采集时间。

41、2、本发明将频谱重构算法部署在主控单元中，能够在嵌入式端由稀疏频率点复阻抗数据重构完整频率表下的阻抗谱，降低对上位机离线计算的依赖。

42、3、本发明采用保形插值与残差校正相结合的频谱重构方法，既能够保持阻抗谱曲线的基本形态，又能够补偿采集前端、通道差异和电化学体系带来的系统性偏差。

43、4、本发明采用多个电化学阻抗采集前端构成八通道检测系统，并通过独立片选、中断和复位信号实现通道级控制，有利于提高多通道系统的稳定性和可维护性。

44、5、本发明能够输出完整频率表下的复阻抗、阻抗幅值、相位、nyquist 曲线和bode 曲线数据，适用于便携式多通道电化学检测、生物传感、汗液检测和传感器阵列测试等应用场景。

45、6、本发明通过模式配置单元兼容循环伏安、计时安培、差分脉冲伏安、方波伏安、线性扫描伏安和开路电位等辅助电化学采集模式，能够在同一硬件系统中完成传感器预处理、状态检查、阻抗检测和其他电化学表征，提高系统的功能扩展能力。

46、7、本发明的系统架构可以作为基础采集模块，通过多个八通道模块级联扩展至更多通道，为后续三十二通道或更高通道数的电化学阻抗检测系统提供基础。