摘 要

近年来，随着信息技术的飞速发展，各行业的自动化设备日益复杂，为保证设备高效稳定的工作，思源电气股份有限公司推出了油色谱在线监测系统。该系统可以对变压器等油浸电力设备进行实时监测，通过对变压器油中的氢气、一氧化碳、甲烷等气体浓度进行色谱分析，确定设备产生故障的原因。为满足客户需求，现需要分析变压器油中氧气的浓度并通过配油工装配置较低浓度的变压器油样。本文基于该配油工装系统设计高速A/D转换模块，采集氧气传感器输出的电压信号，论文主要工作如下：

（1）通过分析传感器的相关参数，使用STM32F103为主控芯片，构建ARM系统，完成电路原理图绘制和PCB设计；

（2）以高速A/D转换模块为对象，分析数据传输方法，通过软件设置ADC的转换速率和过采样技术研究采样速率与精度的关系；

（3）使用labview编写上位机程序，编程调试，通过串口实现上位机与下位机通讯、实现数据显示和存储等功能。

高速A/D转换模块可以实时采集配油工装中溶解氧传感器输出的电压信号，并可以通过labview程序在上位机中进行波形显示以及数据存储。

关键词：A/D转换，过采样，STM32，串口

Abstract

In recent years, with the rapid development of information technology, automation equipment in various industries is getting increasingly complicated.In order to ensure the efficient and stable operation of the equipment, Siyuan Electric Co., Ltd. introduced the oil chromatography on-line monitoring system. The system can be real-time monitoring of oil and other power equipment such as transformers. The reason of the equipment failure is determined by chromatographic analysis of the concentration of hydrogen, carbon monoxide and methane in the transformer oil. In order to meet customer needs, it is necessary to analyze the concentration of oxygen in the transformer oil and configure the lower concentration of transformer oil through the dressing tool. Based on the design of high-speed A / D converter module, the voltage signal of oxygen sensor output is collected. The main work of this dissertation is as follows:

(1) Through the analysis of the relevant parameters of the sensor, using STM32F103 as the master chip, build the ARM system, complete the circuit schematic drawing and PCB design;

(2) Taking the high - speed A / D converter module as the object, the data transmission method is analyzed, and the relationship between the sampling rate and the precision is studied by setting the ADC conversion rate and the oversampling technique;

(3) The use of labview prepared by the host computer program, programming debugging, through the serial port to achieve the host computer and the next crew communication, data display and storage functions.

High-speed A / D conversion module can be real-time collection of oil in the assembly of oxygen sensor output voltage signal, it will show and storage data through the labview program in the host computer.

Key Words: A / D conversion；oversampling；STM32；serial port

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文研究背景 1

1.2 论文工作的国内外研究现状分析 3

1.3 课题来源与主要研究内容 4

第2章 总体方案设计 5

2.1系统总体结构设计 5

2.2 系统关键器件选型 5

2.3 本章小结 6

第3章 系统硬件设计 7

3.1 主控模块简介 7

3.2 串口通信模块 7

3.2.1 常见通信方式 8

3.2.2 CH340芯片简介 8

3.3 模拟信号源模块 8

3.4 电源模块 9

3.4.1 电源模块电路 9

3.4.2 LM1117简介 9

3.5 ADC模块 9

3.5.1 ADC工作原理 9

3.5.2 ADC工作流程 10

3.5.3 DMA传输 10

3.6 本章小结 11

第4章 系统软件设计 12

4.1 keil软件编程 12

4.1.1 keil MDK开发过程及环境简介 12

4.1.2 相关程序说明 13

4.2 labview编程 14

4.2.1 VISA函数 15

4.2.2 VI程序设计 16

4.3 本章小结 17

第5章 研究采样速率与精度的关系 18

5.1 ADC相关参数 18

5.2 改变ADC的采样时间和时钟频率 18

5.3 过采样技术 20

5.4 本章小结 21

第6章 全文总结与展望 22

6.1 全文总结 22

6.2 研究展望 22

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 论文研究背景

本文的高速A/D转换模块是在变压器油配油工装的基础上设计的，变压器油是电力系统中重要的绝缘介质^[1]，变压器油不但种类多、数量大，而且要求油品的质量也极为严格。变压器油配油工装主要是用来配置较低浓度的含氧油样，变压器油中氧气含量过高时，油品更易老化而生成酸性物质或油泥，然而酸性物质会对设备中所用铜、铁等金属材料腐蚀而生成金属盐更加速油品老化，生成的油泥在线圈和绝缘部件上，造成堵塞通道，严重影响散热，导致变压器中线圈局部过热，从而发生故障^[2],因此配置低浓度含氧油样极为重要。

溶解氧传感器测试工装示意图如图1.1所示，系统通过油泵抽取油样工装中的油进入到溶解氧传感器工装中^[3]，对氧气浓度进行测试，测试完成后又将油送入到油样工装中，这个过程不停的循环直至油样中的氧含量达到所需的标准。此装置中不同时刻氧气含量变化量很快，因此需要高速A/D转换模块及时采集传感器输出的信号并进行采集与转换，从而及时分析出油样中氧气含量是否达到所需的低浓度标准。

图1.1 溶解氧传感器测试工装示意图