基于LPC2214单片机测量两相流流速

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第21卷Vo1．21第 l8期No．18电子设计工程Electronic Design Engineering2013年 9月Sep．2013基于LPC2214单片机测量两相流流速阚 哲 ，王晓蕾 ，李庆华 ，征 原(1．辽宁石油化工大学 辽宁 抚顺 113001；2．中国石油辽阳石化分公司 辽宁 辽阳 1l1003)摘要 ：针 对多相流测量存在的 问题 ，本文采用 Phlip公 司生产的 LPC2214单片机 来测量流体速度 LPC2214具有独特的加速结构使 32位代码能够在最大时钟速 率下运行 ，这样可以保证流体速度测量的快速性 。与静 电传感 器联合使 用使流体速度测量具有了较好的稳定性。通过实验证实，LPC2214采集系统可以较好完成流体速度测量关键词 ：LPC2214；两相流；互相关原 理：流速中图分类号 ：TH815 文献标识码 ：A 文章编号 ：1674—6236(2013)18—0158—03The measurements of two phase flOW velocity based on LPC2214 MCUKAN Zhe ，WANG Xiao·lei ，LI Qing—hua2，ZHENG Yuan(1．LiaoningShihua University，Fushun 113001，China；2．ChinaPetroleum LiaoyangPetrifactionBranch Company，Liaoyang 111003，China)Abstract：For multiphase flow measurement problem，this paper the LPC2214 microcontroler Phlip produced to measure thefluid velocity．LPC2214 has a unique accelerator architecture enable 32-bit code to Fun in the maximum clock rate，SO you canensure that the fluid velocity measurement．Has a beter stability of the fluid velocity measurement is used in combination withan electrostatic sensor．Confirmed by experiment，LPC2214 acquisition system can preferably complete the measurement offluid velocity.

Key words：LPC2214；two phase flow；cross correlation principle；flow velocity气／固两相 流的流动结 构十分 复杂 ．不仅受 到气／固两相密 度 、固相 含量 、流速 变化 和管道形 状 的影 响 ，而且 还受到固体颗粒尺寸的影响。在相关技术成功应用于两相流速度的测量后．基于静电感应原理的环状静电传感器可以完成对气／固两相流 固相速度 的测 量 ，然而 由于气／固两相流 的复杂的流动特点，这就在一定程度上影响了静电传感器的应用。环状静电传感器以其价格低廉 ，能完全非接触测量流体参数的特点，长期以来一直吸引着广大研究者 】。本文就静电传感器在相关测速中存在的一些影响因素展开探讨 ，并通 过实验 改进 ，使 由静电感应 电极测量得 到的相关 速度重复性 在±2％以内。

1 LPC2214简介LPC2214是基 于一 个支持实 时仿 真和跟踪 的 32位ARM7TDMI—STMCPU的微控制器，并带有 256KB字节嵌入的高速片内Flash存储器。128位宽度的存储器接 口和独特的加速结构使 32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用 16位Thumb模式将代码规模降低超过 30％，而性能的损失却很小。

由于 LPC2214具有较 小的 144脚封装 、极低 的功耗 、多个 32位定时器 、8路 l0位 ADC、PWM通 道以及多 达 9个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统 、访问控制和电子收款机(POS)。LPC2214包含 76(使用了外部存储器)～112(单片)个 GPIO。并且内置了宽范围的串行通信接 口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。

2 互相关法测速原理互相关原理 ：1 f rR (r)= 1 f (￡)y(t+r)dt (1)』 ”V =Lh- (2)这里，r为两路信号的时延； 为传感器 a与c问的距离；为样本记录长度； ( )／y(f+r)为传感器 测量得到的信号 ， 为相关测量速度。

根据互相关原理，通过分析表达式(1)可以认识到信号(t)和 y( + r)相似度决定了延迟时间7_的测量精度，上、下游信号越相似，延迟时间Jr的测量精度就越高，进而得到较精准的测量速度 。然而 ，在实际测量气／固两相流流速的过程中 ，影响信号 (t)和 (f+ )的因素有多种，而且延迟时间 7．的计算对测量精度也会产生一定的影响。

收稿 日期 ：2012—12—14 稿件编号 ：201212111基金项 目：辽宁省教育厅一般项 目(L2012t26)作者简介：阚 哲(1980一)，男，辽宁新tEA-，博士，讲师。研究方向：流体测量。

- 158-阚 哲。等 基于LPC2214单片机测量两相流流速3 单片机系统 5 实验与讨论传感器输出信号经过滤波放大电路处理后，输出的模拟信号经过 MD转换成可被微机处理的数字信号，微机可进一步对采样数据进行运算处理分析，本设计中采用单片机来实现。

因为要进行大量的数据处理 ，包括数字滤波、FFT运算和 相 关 分 析 ．所 以本 系 统 采 用 的微 控 制 器 芯 片 是 基 于ARM7TDMI—STM内核的 32位的处理器 LPC2214，与 Cygnal5l系列单片 机相 比，它具有更 高的运算 能力 ，支 持更大 的存储器地址空间。可以完成更复杂的运算处理。

考虑到在单片机系统实现过程中，可能会出现相关时间、相 关系数 与实 际出现不 符的情况 ，这时需要 再现 和重新分析两路模拟信号，因此在单片机系统中设计了 RS一485通讯接 口，实现与 PC机的通讯，从而可以在 PC机上实时显示两路模拟信号曲线，分析其相关性以验证单片机的计算结果 。同时 系统外扩 了 256KB的 SDRAM 以增加 系统 的数据存储能力．另外本设计采用 SPI接El外扩了LED数码显示与按键控制模块．用于显示控制。单片机系统框图如图 1所示。

(10bn)l — 而_-1姐 Z ILE。显示与按键控制 CH3 l￡H IARM(LPC21 4) 固 图 l 单片机系统结构图Fig．1 The diagram of microcomputer system4 数据采集系统由静电传感器产生的反映粉尘流动状态的信号，通过模拟滤波放大电路处理之后 ．转换为两路相似 的范 围为 0～2．5 V的模拟信号。单片机系统以 4 096 Hz的采样频率对两路信号采样 ，把采样的结果 ，即两路信号的数据存储在外扩 的SDRAM中 ，最后进行数据处理 。软件流程 图如 图 2所示 。

t磊定时器初始化设置AD采样频率时器中断启动AD采采样计数器加1读取A／D转换数据l样计数器值=设定值!=>是储存数据待后续处理采样计数器置0【竺室)图 2 采样程序流程图Fig．2 Th eflowchart of sam pling program 整个测量系统的实验装置由漏斗、静电传感器、滤波放大电路、数据采集电路(单片机系统)、人机接口(键盘显示模块)和 PC机等部分组成。

系统 软硬件开发设计完成后 ．必须通过 实验进一步验 证方案的可行性、正确性、系统所能达到的测量精度和重复性等指标。并且 ，根据试验的结果，进一步改进系统设计。

系统 实验装置框 图如 图 3所 示 ，整个 系统 由两套静 电传感器构成，一套为上游传感器，另一套下游传感器。绝缘管和传感器电极构成了实验传感器的探头，用以提供实验感应信号的输出 。上游探 头和下游探头 同轴连接 。两个探头 的绝缘管内径及 电极直径 均分别相 同。两探头垂直放 置 ，在 其正上方有一绝缘漏斗，漏斗的出El在探头的几何轴线上。当带电粉体由漏斗落下，通过两探头时，将分别产生上游感应信号和下游感应信号。所有探头均装入金属罩之内进行屏蔽，利用同轴屏蔽电缆线将两探头感应的信号分别引入性能参数相同的前置处理电路单元。并将它们的输出引入数据采集系统进行后续的信号处理及显示。其中管道直径D=70 mm，沙漏末端距离上游传感器距离 20 cm，与下游传感器距离 25 cm。

图 3 系统实验框 图Fig．3 The diagram of experiment system通过调整漏斗与传感器间的距离来调节管道中流体的流速，作者在 10～50 cm范围内每隔 10 cm调整漏斗与传感器间的距离，每次都以同一个漏斗中的沙子作为实验对象 ，作了大量实验 ，得到不 同高度下 的相关时 间数据 (如表 1)，从而分析相关时间与漏斗高度(即：流体 速度 )之间的关系。

实验数据表明本系统有较高的精确度和 良好的重复性 ，随着漏斗以不同的高度调整沙子流速时，得出的相关时间也规律性的变化 ，随着漏斗高度的增加．沙子流速逐渐增加 ，相关时间也逐渐减小 。

表 1 改变漏斗和传 感器距离所 测的相 关时间Tab．1 The measured cross·correlation by charging the distance— ． 159-《电子设计工程)2013年第 18期6 结 论采用 LPC2214单片机完成了流体(两相流体)速度测量。

LPC2214系统可以准确采集被测数据，并根据互相关原理快速计算流体速度。经实验验证，此系统具有良好的稳定性和快速性，结合静电传感器对流体速度完成了测量。

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(上接第 157页)向，由此实现正转 、反转 的变化 。

3 结 论本系统采用传统的反应式步进电机 42BYG101作为控制对象．完成了整个系统的硬件设计和软件编程，能通过键盘控制步进 电机 的运转控制 ，能实现启动 、正 、反转 、加 、减 速控制．实现转速最低 25转，分，晟高转速 180转，分 ；通过编程实现了单片机输出两相四拍的脉冲控制序列。整个电机的转速 ，转动方向，检测到的电机电流的大小等都能通过数码管显示 出来 。本 系统是一套硬件较简单 、经济 、实用 、适应性强 、操作方便、可靠性高的步进电机控制系统，具有很高的推广价值 和广 阔的应用前景 。

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