电化学-论文分享-NanoStat: An open source, fully wireless potentiostat

发现了一篇近期有关便携式电化学工作站相关方面的论文（2022），并且全部工作内容都是开源的，硬件电路图、PCB板、嵌入式代码以及网页代码、设备外壳所有资料全部无偿提供。根据作者提供的资料，在嘉立创打板测试了，测试结果只能说是入门级产品，性能还有待进一步提升。不过作者所做的工作还是十分具有参考意义的，能省去不少开发时间，对于初学者，也是一个不错的参考示例。其次作者对前人的工作总结也十分到位，也可以作为综述类文章进行阅读了解。

目前看淘宝咸鱼等网络平台也有直接做好的板子售卖，不过价格很贵。个人建议自己花时间好好读一读原文献，然后自己下单打板测试，对于后续的开发会有很大的帮助。这里记录一下学习过程。

外文参考网站：NanoStat: An open source, fully wireless potentiostat
论文以及相关的参考文献资料可以在本文章顶部下载，或者在本人主页资源中免费下载：link

文章目录

[电化学-论文分享-NanoStat: An open source, fully wireless potentiostat](#电化学-论文分享-NanoStat: An open source, fully wireless potentiostat)
- 摘要
- [1. 简介](#1. 简介)
- [2. 系统设计](#2. 系统设计)
- - [2.1 硬件设计](#2.1 硬件设计)
  - - [2.1.1 硬件总体结构](#2.1.1 硬件总体结构)
    - [2.1.2 PCB布局](#2.1.2 PCB布局)
  - [2.2 软件设计](#2.2 软件设计)
  - - [2.2.1 固件设计](#2.2.1 固件设计)
    - [2.2.2 网页设计](#2.2.2 网页设计)
    - [2.2.3 电化学的终端用户界面](#2.2.3 电化学的终端用户界面)
    - [2.2.4 系统管理](#2.2.4 系统管理)
- [3. 性能](#3. 性能)
- - [3.1 化学实验](#3.1 化学实验)
  - [3.2 结果：电化学分析](#3.2 结果：电化学分析)
  - [3.3 结果：噪声](#3.3 结果：噪声)
- [4. 论述](#4. 论述)
- - [4.1 现有技术](#4.1 现有技术)
  - [4.2 可扩展性和未来发展方向](#4.2 可扩展性和未来发展方向)
  - - [4.2.1 安全性](#4.2.1 安全性)
    - [4.2.2 进一步微型化](#4.2.2 进一步微型化)
    - [4.2.3 电源管理](#4.2.3 电源管理)
    - [4.2.4 板载分析](#4.2.4 板载分析)
    - [4.2.5 设备性能（分辨率、屏蔽效果）](#4.2.5 设备性能（分辨率、屏蔽效果）)
  - [4.3 开发一套面向开源的电化学软件套装](#4.3 开发一套面向开源的电化学软件套装)
- [5. 结论](#5. 结论)

摘要

作者推出了一款开源的无线型恒电位仪（名为"NanoStat"），适用于电化学、传感器、生物医学诊断以及纳米技术等领域。该设备基于仅有两块集成电路芯片 构建而成：一块是内置 WiFi 和文件/网络服务器硬件/软件的数字微控制器**(ESP32-PICO-D4)，另一块是模拟前端(LMP91000)**。这个多功能平台完全能够胜任现代电化学检测的所有项目，包括循环伏安法、方波伏安法、恒电位滴定法和常规脉冲伏安法。用户界面通过 HTTP 连接的网络浏览器实现。所有的代码（固件、HTML5、JavaScript）均由 NanoStat 自身托管，无需任何额外软件。其总体尺寸为 4×40×20 毫米，电池供电可运行 6 小时，并且在睡眠模式下可延长至数周或数月。作者预计该设备的应用范围非常广泛，从诊所中的生物医学传感，到无人值守"传感器节点"的远程监测，甚至可能用于在大型公共场所检测像 COVID 这样的空气传播病原体，而无需任何其他设备，只需一个网络浏览器即可在全球任何地方进行远程监测。最后，作者提议使用这套软件套件。作为一款完全开源、通用型、基于网络的电化学软件套件的基础（核心），它是从硬件层面抽象出来的，将其称为"OpenEChem"。

1. 简介

电化学技术将电学领域与化学领域相衔接，借助一套成熟、广泛且强大的工具包，对分析物的组成进行定量分析，用于传感和生物医学诊断等方面的应用。这些技术包括 DNA、RNA、蛋白质、适配体、肽、脂质、代谢物、小分子、微量金属，甚至包括诸如新冠病毒（COVID19 virion）这样的病毒粒子。其中最简单的技术仅需电阻测量，而最复杂的技术则利用信号处理以及电压和电流波形（如循环伏安法、方波伏安法、 chronoamperometry 和正常脉冲伏安法中使用的阶梯、脉冲等）的精确、协调的定时，结合超低噪声和超高增益的模拟电路，以提取有关感兴趣分析物的所有可能信息。

虽然典型的工具是台式独立仪器，价格从数千美元到数万美元不等，但文献中的最新趋势使用的是越来越小且越来越少组件的定制电路板。在极端情况下，所有的信号处理和数据存储都在云端处理，而恒电位仪只负责最底层的工作，数字化信号以未经处理的数字化电压形式广播出来，以便在有线或无线连接的 PC 或智能手机上基于定制软件进行基于网络的处理。这种情况通常被宣传为"可穿戴"电子产品，尽管电池仍是个问题，而且还需要一个具备信号处理能力、内存和存储容量的外部处理器，通常被含混地称为"云端"。控制机器要么是智能手机，要么是个人电脑。它被宣传为"云端"，是因为个人电脑/智能手机是直接连接到互联网的，但电化学传感器并非如此。虽然这项技术肯定有其用途和优势，但这有点误导人，因为如今所有的智能手机和个人电脑都是联网的，所以称电化学传感器与个人电脑或智能手机"云端连接"几乎是重复啰嗦。

此外，这种方法需要定制的、通常是专为异构架构的操作系统所设计的专用软件（例如 Windows、Linux、Android、iOS 等）。这种趋势是将传感芯片上的架构设置到尽可能低的级别，比如 8 位的 Atmega 或者最好是最小的 32 位 ARM（STM32）微控制器，同时配备最少的板载智能、最多只有几条信号的存储空间、没有互联网连接（只有蓝牙，这是一种点对点连接且需要定制软件）以及几乎没有提供文件服务或数据图形表示的能力。

许多或大多数此类解决方案都是专有技术、价格昂贵且为闭源式的。唯一采用开源技术的解决方案（稍后在本文中详细论述）要求用户自行采购零部件，并手动进行焊接或放置后再进行回流焊接，这需要耗费大量精力且需要具备特殊技能。手动挑选和放置容易出错，因为随着元件尺寸的缩小，这种操作的难度会增加，从而限制了微型化潜力。本文提出的替代方法是采用自动化挑选和放置机器，与人类双手相比，这些机器能够处理极其微小的表面贴装（SMD）元件，并采用自动化回流焊接技术，这种方式更经济实惠，可以从供应商处以低成本订购并制造，无需任何人工组装。这些电路板在交付给用户时就已准备好"即插即用"。最后，CAD 文件基于昂贵的、商业的、专有的软件，需要安装在台式电脑上进行设计更改。

在这项工作中（图 1），作者展示了针对恒电位仪（"NanoStat"）的完整开源硬件和软件设计，其具备以下特点：1）能够通过自身微控制器托管的网页展示所有结果；2）可通过互联网从世界任何地方通过网络浏览器进行连接；3）除了电压调节器、电池管理以及 USB IC 之外，仅包含 2 个关键集成电路（IC）以及少量分立元件：（a）一个带有内置 WiFi、内存和信号处理功能的单个微控制器，具备完整的文件系统；（b）一个单芯片模拟前端。整个系统安装在一个 20×40 毫米的板上，电池供电模式下可在活动模式下运行 6 小时，甚至在睡眠模式下运行时间更长。因此，这是世界上体积最小的（支持网络服务器功能的）恒电位仪。成本极低，在少量组装且无需焊接的情况下，完全组装的成本低于 25 美元。CAD 设计也通过一个免费的基于网络的 CAD 程序提供，可在世界任何地方通过仅需网络浏览器即可访问。

作者预计这一应用的规模将会非常庞大，涵盖从临床中的生物医学传感，到无人值守"传感器节点"的远程监测，甚至可能包括在大型公共空间中无需任何其他设备就能感知诸如新冠病毒之类的空气传播病原体的传感应用。此外，任何预算适中的实验室，包括车库自制实验室、K-12 教育机构以及需要以最少的时间和资金投入进行复杂电化学分析的现代大学实验室，都能从这项工作中受益。最后，我们提议将这套软件套件作为未来开源通用电化学套件的核心。类似于 Linux 是现代个人电脑的开源操作系统（脱离硬件抽象），我们提议一个电化学的开源项目（同样脱离硬件抽象），并基于我们在本文中首次呈现的基于网络的基础工作，我们将其称为"OpenEChem"。

2. 系统设计

在本节中，作者将介绍整体设计。硬件和软件源代码均可在 S.I. 网站以及 GitHub 仓库（网址为 https://github.com/PeterJBurke/Nanostat）上获取。

2.1 硬件设计

2.1.1 硬件总体结构

硬件架构（图 2）基于两个核心集成电路（IC）：ESP32（Espressif Systems 公司）IC 集成了 WiFi、520 KiB 的静态随机存取存储器（SRAM）、8 位数模转换器（DAC）、12 位模数转换器（ADC）以及双核 32 位处理器，其工作频率为 240 MHz。我们使用的是 SOC 版本（ESP32-PICO-D4），它集成了晶体振荡器和 4 MByte 的集成 SPI 闪存存储器。请注意，这是本项工作的关键技术，因为它在处理能力和连接性方面比之前的基于微控制器的恒电位仪有了数量级的提升。（请参阅本文稍后"先前技术"部分的讨论）

模拟前端（AFE）采用的是 Analog Devices 公司的 LMP91000，它集成了一个模拟电位计装置，能够通过单一正电源供电实现双极性（两种电位）电池操作。LMP91000 与 ESP32 之间的数字（I2C）总线控制着恒电位装置的内部增益设置及其他配置。板载电路还包括一个用于 USB 接口的芯片（如果采用全无线操作则无需此芯片），以及一个用于电池管理的芯片，通过 USB 连接器为电池充电，类似于手机充电器的功能。板载一个 LED 提供电源状态指示，另外还有一个 LED 每次采集数据点时闪烁一次。下图展示了电路板的渲染图。不同的组件数量为 29 个；总共有 42 个组件。

2.1.2 PCB布局

该 CAD 文件是通过名为 EasyEDA（https://easyeda.com/editor）的基于网络的 CAD 程序设计而成的。EasyEDA 不仅提供了可在全球任何地方使用的网络功能，还拥有一个集成的零部件库，可供制造商进行组装，同时还能实时获取库存状态信息，这在现代芯片短缺的时代显得愈发重要。CAD文件、Gerber文件、物料清单以及点胶和放置指令都存放在在线存储库（https://github.com/PeterJBurke/Nanostat）中。这些对于任何用户来说都足以让他们从自己偏好的供应商那里获得电路板的制造服务。在这个项目中，选择了供应商 JLCPCB（https://jlcpcb.com），原因是他们的交货时间快（从下单到交货不到两周），拥有实时的供应链信息以了解零件的库存情况，而且成本低（一个完全组装且所有零件都已焊接到位的电路板费用低于 25 美元，包括国际快递服务）。然而，这个项目适用于任何供应商，也就是说它是供应商无关的。(就是国内的嘉立创，作者提供的资料可以直接在嘉立创中打开下单PCB，无需修改任何文件)
PC板 PC板采用FR4材质，铜箔走线厚度为0.5盎司，共4层（其中中间两层为接地层和电源层），旨在增强接地效果、减少 Vcc 波动并提高屏蔽性能。
外壳尽管对于硬件正常运行并非必要，但 3D 打印外壳的设计（包括有电池和无电池两种情况）已在补充信息文件中给出。
电池任意尺寸（在 x、y 和 z 方向上）的锂聚合物（LiPo）电池均可用于任何应用。对于此系统，我们建议将 x-y 方向的尺寸与电路板尺寸相匹配，z 方向可以是 1 至数毫米。例如，型号 402,040 为 4×40×20 毫米，仅需几美元，容量为 280 毫安时，足以支持超过 6 小时的运行（图 3）。还可以通过使用更大容量的电池（例如 Voltasystems V25 6400 毫安时 USB 持续供电电池），通过 USB 供电，价格仅需数十美元，其容量为 6400 毫安时，即超过 50 小时的持续运行。

2.2 软件设计

该软件包含用于运行微处理器的 C++ 代码以及用于网络服务器/用户界面（UI）的 HTML5/JavaScript 代码。使用 Microsoft Visual Studio Code 作为集成开发环境（IDE），并借助 PlatformIO 插件，该插件与 github 仓库（https://github.com/PeterJBurke/Nanostat）同步，以便于开发和基于网络进行部署。C++ 代码约有 4000 行。HTML5/JavaScript 代码约有 1000 行。

2.2.1 固件设计

与软件开发中常见的惯例一样，在此项目中作者大量依赖已集成的现有库。所使用的库如下：

linneslab/LMP91000 version 1.0.0;

me-no-dev/AsyncTCP version 1.1.1;

ottowinter/ESPAsyncWebServer-esphome version 1.2.7;

bblanchon/ArduinoJson version 6.17.3;

links2004/WebSockets version 2.3.6;

bbx10/DNSServer version 1.1.0.

LMP91000 的软件库已经发展得相当成熟，最初由 Github 用户 icatcu（2014 年）和 jorgenro1（2015 年）开发，最近在 Hoilett 等人的研究中得到了进一步完善。此外，还有几个用于网络托管和文件传输的库。由于 ESP32 在底层运行的是 FreeRTOS 操作系统，并且由于其双核 CPU 架构，因此可以同时实现 WiFi 连接、恒电位仪的控制以及电化学操作。这在任何其他无线连接的电化学系统中都是前所未有的（见下文的"现有技术"部分）。

这种架构的主要问题在于分辨率所对应的位数有限，以及模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的非线性特性。对于有限的位数而言，模拟前端（AFE）会将模拟"驱动"信号放大或缩小 2% 至 24%，因此在最小单位层面，实际的位分辨率要小得多。对于 3.3V 电源和 8 位而言，分辨率是 12mV。但当缩小到 2% 时，在最小单位层面实际上就是 0.1mV。

模数转换器（ADC）的非线性和偏移情况远非理想状态（见补充信息）。为此目的，开发了一个校准程序。用户将 RE/CE 短接好，将 WE 掉电，然后运行一次校准程序。固件会计算出效应斜率和偏移量，并将其存储在板载闪存中，在每次后续运行中都会调用这些数据。（有关校准技术的描述，请参见 SI）注意收到测试板烧录软件后，需要进行一次校准操作，不然测试数据的波动会很大

2.2.2 网页设计

HTML5、JavaScript 和 CSS（层叠样式表）与 Bootstrap 框架以及 Plottly 绘图包一起使用，用于在桌面和移动浏览器上构建直观、实时且适合移动端的用户界面。数据以二进制形式通过客户端与服务器之间打开的 WebSocket 连接传输至浏览器进行显示。

2.2.3 电化学的终端用户界面

在当前版本中支持以下几种扫描类型：循环伏安法、方波伏安法、恒电流计法、常规脉冲伏安法、电流 - 电压曲线、带有定量噪声分析（均方根值、标准偏差）的"示波器"模式，以及校准模式。用户可以为不同类型的扫描输入各种参数，还可以输入简单的 IV 曲线和噪声测试（"示波器"模式）。软件在浏览器上显示"扫描"，扫描完成后以图形格式显示数据（图 4），用户可以改变比例、缩放等。每次扫频结束后，都会自动将 ASCII 文本数据文件下载到网页浏览器的磁盘上。

2.2.4 系统管理

如果没有 WiFi 连接，该设备会创建一个名为"NanoStatAP"的自定义 WiFi 接入点。用户可以连接到该接入点，并输入最多3个WiFi SSID的密码。用户还可以通过上传二进制固件进行空中"OTA"固件升级，并且可以在板载目录结构中列出和删除文件。

3. 性能

3.1 化学实验

为了将 NanoStat 的性能与行业标准进行比较，作者使用了 Ag/AgCl（3M KCl）参比电极（BASi MF-2056）、铂丝辅助电极（BASi MW-1033）以及直径为 3.0 毫米的金工作电极（BASi MF-2114）在一个标准的 100 毫升标准玻璃电化学电池（BASi MF-1051）中进行了电化学实验。所使用的氧化还原活性物质是在室温下 100 mM KCl 介质中的 5 mM 铁氰化钾。在同一次实验中，作者使用高端 Gamry 电位计（Reference 600）对该电池进行了测量以进行比较。

3.2 结果：电化学分析

图5展示了由Gamry和NanoStat进行的循环伏安法、方波伏安法、恒电位微分电流法以及常规脉冲伏安法测量的结果。结果极为吻合，表明此项工作与当今市场上可用的最先进的分析化学仪器完全一致。

3.3 结果：噪声

鉴于该系统的结构简单，数字、射频以及模拟电路在板上（以及在芯片本身）分布紧密，而且没有任何板载模拟或数字滤波器，其噪声性能令人惊叹。当使用电池供电时，系统噪声取决于ADC的位分辨率。

对于图5中的试验数据，Gamry采用了广泛的内置模拟和数字滤波，而简单的NanoStat则每个数据点仅测量一次ADC读数且不进行滤波。每次数据测量耗时160微秒。在固件中，如果采样率足够慢，就可以对更多读数进行平均。

为了定量测试噪声，我们采用了"直流偏置"扫描模式。在"直流偏置"扫描模式下，固件将直流偏置电压设置为用户可选值，然后以每点不同数量的读数（1、5、10、50、100、500、1000次）读取 ADC，并在用户指定的点间延迟下进行读取。在图 6 中，我们绘制了有电池和无电池情况下的数据点，对于一个100kΩ偏置在100 mV的测试电阻。每个数据点间隔10 毫秒取一个。使用PC USB电源时，明显存在60Hz噪声（红色轨迹）。使用电池电源时，这种60Hz噪声消失了。对于不进行平均（每个点一次ADC读数开始），电流中的误差约为1位，这相当于2nA，因为ADC是12位（满量程电压=3.3V），且TIA电阻设置为其 LMP91000所提供的最灵敏值：350kΩ。偶尔会看到ADC读数中出现几位的尖峰，这是 ESP32的一个已知缺陷，其起源不明。较新的数据（每个点1000次 ADC 读数，每次读取160毫秒）显示噪声远低于单位水平。因此，在没有信号平均的情况下，噪声受ADC的位分辨率限制，在电池使用时没有60Hz噪声。如果使用来自PC的USB电源，60赫兹的噪声就会变得非常严重，需要通过数字滤波来消除这种噪声，才能达到ADC的位分辨率。这表明，对于低噪声操作而言，使用电池供电的无线恒电位仪（无需与PC进行任何 USB连接）是一个明智的选择。

由于 ESP32 的ADC存在限制，因此需要确保 −0.75 V < VTIA < 1 V，其中 VTIA = RTIA * WE 电流。对于微安级的WE电流，我们通常会使用35kΩ作为TIA电阻，这样会产生大约50 nA的噪声，如图5所示。通过"示波器"面板，用户可以在给定的偏置电压和读取点数的情况下实时在网页浏览器上绘制读数。我们确认，在使用35kΩ的TIA放大器和10kΩ的测试电阻的情况下，50nA是没有平均化的均方根电流噪声。

对于需要WE电流分辨率超过12位的应用，还需要采用其他带有独立ADC IC的方法（见下文"现有技术"部分）。对于需要电流灵敏度优于2nA的应用，使用NanoStat时用户可以选择一个外部TIA电阻，并将其连接到标有C1/C2的PC板上，以获得更高的电流灵敏度。此选项在固件中得到支持；用户只需在"设置"页面TIA增益的下拉菜单中选择"外部电阻"即可。

4. 论述

4.1 现有技术

Whitesides 已经为分析型电化学系统是否应被视为开源系统制定了标准。他所提出的开源标准清晰且合理："一个真正开源的恒电位仪的描述应当包含所有复制该系统所需的细节..."包括电路设计、元件清单、电路板布局文件以及软件（微控制器固件和用于个人电脑/平板电脑/智能手机的控制软件）。许多学术论文只是部分满足这一标准，这意味着对于该领域的新手实验室甚至经验丰富的实验室来说，由于缺乏已发表的详细信息，都无法重现先前的学术成果。在化学的过去时代，如果一位审稿人要接受一篇论文，编辑会要求该审稿人在他自己的实验室中重现结果。虽然这在如今可能不再经济可行，但肯定应该公布实验过程的详细信息。

据我们所知，一款通用型、开源的DIY恒电位仪的概念大约是在10年前由加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的Kevin Plaxco 团队率先提出的（CheapStat）。在那里，描述了一款开源（硬件和软件）手持式恒电位仪。用户会得到用于制造印刷电路板（PCB）的gerber文件、组件清单，用户会手工将这些组件焊接到PCB上（批量生产时成本约为80美元）。还提供了用于USB控制的固件和PC软件。模拟前端（AFE）是一个定制的运算放大器，微控制器是一个Atmel XMEGA，这是一种具有12位ADC/DAC、8KB内存和高达128KB闪存的8 位微控制器。电压分辨率约为微伏，电流分辨率约为纳安。
Whitesides 领导的哈佛大学团队在2014年继续研究，推出了一个通过音频线连接的手机恒电位仪装置，其成本（仅零部件）约为25美元（大量生产，数量超过1000件）。在那里，他们使用了一个Atmega328（Atmel）8位微控制器（因其在Arduino中的普及而广为人知），通过音频插孔与手机进行有线接口连接，还配备了外部16位ADC/DAC和一个模拟4 挡低通滤波器（LPF）。电流分辨率是1nA。提供了零部件清单，但未提供软件和PC板的 Gerber文件/CAD文件，因此它不是开源的。

2017 年，一个高性能的开源项目（通过USB连接到个人电脑）以"DStat" 的名称发布。该项目使用了ATXMEGA256A3U（一款 8 位微控制器，具有8KB内存和高达128kB的闪存），还配备了定制的AFE（模拟前端）、16 位 DAC（数模转换器）IC和24位ADC（模数转换器）IC。该AFE设计非常出色：能够测量皮安级别的电流。用户可以获得固件、PC软件、用于PCB制造的Gerber文件以及需要订购的组件清单。用户在订购零件后，会手工焊接一些组件，而另一些则采用流焊技术进行焊接。
Dobbelaere 设计了一个电压更高的版本（最高可达8V），使用了PIC16F1459（一款8位微控制器）、22位的ADC/DAC专用集成电路、定制的AFE（模拟前端），旨在用于电池研究。该项目的所有细节（包括原理图、PCB设计、最后的组件清单、微控制器固件以及主机计算机软件）都向用户开放。

2018 年，Whitesides 的团队发布了第一款无线（蓝牙）开源恒电位仪，只是将 Atmega328 替换成了"RFDuino"，并且仍然使用了定制的AFE（模拟前端），其中包含独立的16位ADC和DAC单元。RFDuino集成了BLE和Core0 Arm 32位处理器。RFDuino 于2013年首次上市，现已过时且几乎难以采购，该公司于2016年被收购。还提供了需要购买的组件清单以及PCB制造文件（除了固件软件和智能手机软件之外），因此用户可以订购电路板、零部件，并手动焊接最终系统。

2018 年，Lopin 设计了一款基于SOC（片上系统）的恒电位仪。它并非无线设备。它采用了内部集成运算放大器，其噪声和失调电压高于分立元件器件，但能在微安级别实现完全功能。它使用了片上12位ADC/DAC（模数转换器/数模转换器）。

2019 年，Jenkins 等人开发了开源项目"ABE-Stat"。该项目不仅提供了WiFi和蓝牙无线连接功能，还扩展了分析化学扫描方法，将电化学阻抗谱（EIS）纳入其中，这是一种用于测量电容性而非法拉第电流的有价值的工具。定制的AFE被设计出来，使用了24位ADC和 16位DAC IC，以及一个用于EIS的网络分析IC。尽管系统中包含了一款相对强大的WiFi配置微控制器（ESP8266），并且使用外部蓝牙IC与定制的Android应用程序进行通信。正如之前的开源项目一样，还提供了需要购买的组件清单以及PCB制造文件（除了固件软件和智能手机软件），因此用户可以订购电路板、零件，并手动焊接最终系统。

2020 年，Glasscott 等人发表了SweepStat。该系统采用了带有16位集成ADC和12位集成DAC的Arduino Teensy，以及一款定制的AFE。与PC的接口是通过USB连接的，并且使用Labview软件环境来进行控制。作为已有的开源项目，还提供了需要购买的组件清单以及PCB制造文件（除了固件软件和智能手机软件之外），因此用户可以订购电路板、零部件，并手动焊接最终系统。

2014 年，Bhansali 利用一块评估板（LMP91000EVM）上的AFE LMP91000芯片以及一块单独的板子上的 BeagleBone 微控制器来展示了一款低成本的小型化恒电位仪。后来，Hoilett 制作了一款尺寸为 22×20 毫米、集成有 AFE（LMP91000）的恒电位仪，由基于 ARM 的微控制器（SAMD21，256KB闪存、10位DAC、12位 ADC）驱动。它是开源的，但不是无线的。他们的软件和硬件托管在github上，并提供了详细的组装和操作说明。零件和Gerber文件都提供了。他们的建议是让PCBWay制造并焊接这些组件，用户从DigiKey购买这些零件并寄给 PCBWay。PCBWay允许从DigiKey邮寄零件，他们会为你采购并将其安装到位。他们还提供2侧表面贴装技术（SMT）和连接器。

Mercer设计了一款配备ESP32开发板的恒电位仪，使用了外部16位ADC和定制的运算放大器前端电路设计。整个系统是在面包板环境中展示的，并未集成到单个PCB上，展示了使用集成了Wi-Fi的微控制器进行恒电位仪工作的概念。还使用了一台电子控制（带有伺服）泵。

部分参考文献中提到，使用了一块 Ardruino 板来控制一块自制的采用分立元件和运算放大器的 AFE 子板。

部分参考文献中展示了一种基于树莓派（Raspberry Pi）的开源多通道恒电位仪，每个通道都配有额外的电路板。

未开源的相关辅助性研究工作见于其他参考文献。这部分内容请查阅原论文

除了需要高技能（比如焊接微小元件）且效率极低之外（即便对于数量较少的电路板也是如此），手工焊接还有一个显著的局限性，那就是它无法制造出尺寸超乎寻常大的电路板。而"点胶式回流焊接机"则能在零件放置精度方面达到亚毫米级别，其所能处理的零件尺寸远远超过了即便是训练有素的人手所能达到的极限。即便与以最低工资雇佣一名技术人员手工焊接零件相比，如今这种机器也更加经济实惠。当然，其可靠性也要高得多。

上述许多项目都需要手工焊接，定制的 AFE 设计包含多个 AFE 运算放大器芯片和电阻器、独立的ADC和DAC芯片，通常还需要独立的无线芯片（如果有的话）。此外，迄今为止几乎所有的微控制器使用的内存和处理能力都无法提供板载分析、板载文件系统或网站托管功能。最后，它们大多是手工焊接的，并且至少需要三个机构来完成：1）零部件供应商 2）PCB制造商 3）焊接（很多时候是手工完成，这是上述提到的一个严重缺点）。我们使用一个集成供应商，他们内部完成1-3项工作，并提供（免费的）基于网络的CAD，带有集成的供应链实时库存信息，成本低且交货时间不到两周。最后，我们的工作具有电池供电和USB电源来为电池充电，而上述许多开源项目没有这些功能。最后，上述项目中没有一个在恒电位系统上托管网站，而是要求用户在PC或智能手机上安装定制软件。

4.2 可扩展性和未来发展方向

4.2.1 安全性

此版本的软件使用的是 HTTP 协议，而非 HTTPS 协议。对于位于防火墙之后的局域网而言，这已经足够了。然而，对于通过公共互联网传输的数据流量而言，最好切换到使用 HTTPS 协议的加密流量，并启用安全的用户登录系统。

4.2.2 进一步微型化

我们估计电路板的尺寸以及组件的数量能够大致减少约两倍。首先，USB 到 UART 的接口对于开发此项目的代码（固件、HTML5/JavaScript）非常有用。然而，既然我们已经展示了空中（OTA）WiFi固件更新功能，USB PC接口就显得多余了，一个简单的UART接口（通过外置的FTDI转USB转换器）能够节省电路板空间和组件。此外，发现用于将微控制器置于固件闪存模式的启动开关在本项工作中使用的集成开发环境（IDE）中是不必要的。这两项改变可以在电路板的未来修订版中轻松实现，而无需对软件或功能进行任何更改。

4.2.3 电源管理

ESP32 支持睡眠模式和以太网唤醒模式。这些措施可以被实施起来，在 NanoStat 不在进行测量的情况下节省电源供应。

4.2.4 板载分析

由于采用了双核 32 位处理器以及充足的板载内存，未来用户能够将几乎任何他们设计的信号处理和分析功能集成到微控制器本身中。因此与之前的开源电位计（见下文"现有技术"部分）相比，这个项目在信号处理和板载分析方面具有很高的扩展性。

4.2.5 设备性能（分辨率、屏蔽效果）

在此作者探讨了如何通过改进设备性能（分辨率、屏蔽效果）来优化未来的设计。ADC和DAC的位分辨率由微控制器设定，因此在此方面进行改进可以考虑使用具有更多位数的独立ADC。屏蔽效果可以通过将塑料3D打印外壳替换为金属外壳（法拉第笼）来提升，不过外壳设计需要确保WiFi天线能够接触到笼子外部的电场。

4.3 开发一套面向开源的电化学软件套装

上述现有技术中列举的每一个项目都有定制软件，但它们基本上都在执行相同的核心功能（控制/采集，即对电压与时间的关系进行扫描，对电流与时间的关系进行测量）。用户界面也类似。因此，这些论文在很大程度上是"在重复造轮子"。基于此，我们提出了一个硬件抽象化、统一化的软件套件，我们称之为"OpenEChem"。通过一套通用、统一的软件，先进电化学和传感硬件的开发者能够专注于该领域更具挑战性的方面，例如电极功能化、微型化以及特定应用的演示。

有趣的是，在无人机领域，开源技术的应用也在不断增多。例如，作者率先开发了一种基于云服务器的开源基于网络的4G连接无人机技术，该技术利用云服务器来处理路由和加密工作，这一技术现已由法国无人机公司Anafi在 2021年7月推出的首款4G连接商用无人机中采用。无人机领域最近也开始采用ESP32微控制器以及上述制造能力的优势，为无人机打造一种开源、长距离、廉价且轻量级的无线电控制链路（https://github.com/openLRSng），其接收器的覆盖范围可达数百英里，成本低于十美元，重量不到 1 克，还配备了内置天线。

5. 结论

作者展示了一款开源的、完全无线化的恒电位仪（名为"NanoStat"），适用于电化学、传感、生物医学诊断以及纳米技术等领域。它基于仅需两块集成电路芯片就可实现的功能。事实证明，该设备具备与现代台式恒电位仪相同的性能。虽然此特定项目可供任何实验室或用户在极小预算下使用，从而实现众多应用和使用场景，但它为一个更具雄心、基于网络的、开源软件套件奠定了基础，该套件将成为通用型硬件抽象电化学软件套件的核心部分，作者将其命名为"OpenEChem"。