基于LabVIEW的發(fā)酵過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引 言

　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國國家儀器公司(National Instrument)開發(fā)的一種虛擬儀器平臺(tái)，他是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。LabVIEW功能強(qiáng)大，提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)庫函數(shù)以及包括DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS 232／485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)。利用LabVIEW設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可模擬采集各種信號(hào)，但是配備NI公司的數(shù)據(jù)采集板卡比較貴，在實(shí)際開發(fā)中可選用單片機(jī)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

　　發(fā)酵是生物技術(shù)的一項(xiàng)最基本的工程，發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量是發(fā)酵工程的2個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。要提高發(fā)酵工程的產(chǎn)量和質(zhì)量必須控制發(fā)酵過程的一些主要參數(shù)和影響反應(yīng)過程的物質(zhì)的含量，即發(fā)酵過程優(yōu)化及控制。

　　利用計(jì)算機(jī)對復(fù)雜的發(fā)酵過程進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測、分析和實(shí)施過程的最優(yōu)化控制越來越受到人們的極大關(guān)注。由于發(fā)酵過程變量檢測的復(fù)雜性，有些至關(guān)重要的變量，例如菌體的濃度、比生長率、產(chǎn)物生成率等難以在線直接測量，然而可以在已建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過測量與這些變量相關(guān)的一些可在線直接測量的變量，例如，尾氣中的氧氣、二氣化氮等濃度變化，從而得到這些變量的最優(yōu)估計(jì)，為實(shí)施生化過程的在線最優(yōu)控制提供先決條件。

　　因此，本文設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的發(fā)酵過程尾氣中的氧氣、二氣化氮的濃度變化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并對其系統(tǒng)的組成、原理、實(shí)現(xiàn)做出詳細(xì)描述。

2 系統(tǒng)的組成及工作原理

　　本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由氧氣傳感器、二氧化碳傳感器和C8051F206單片機(jī)以及MAX 232組成。由單片機(jī)組成的小系統(tǒng)對溫度信號(hào)進(jìn)行采集、調(diào)理和轉(zhuǎn)換，然后通過RS 232串口通訊將數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)，在LabVIEW開發(fā)平臺(tái)下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理、分析，并對信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和打印，最后由PC機(jī)顯示實(shí)時(shí)測量的尾氣中氧氣、二氧化碳的含量和經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的RQ值，從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)酵的整個(gè)過程進(jìn)行在線檢測的實(shí)時(shí)測試系統(tǒng)。

2.1 硬件組成及設(shè)計(jì)原理

　　系統(tǒng)的硬件電路如圖1所示，采用C8051F206作為主芯片，氧氣傳感器選用電化學(xué)傳感器二氧化碳采用紅外傳感器。這兩種傳感器具有精度高、線性度好、重現(xiàn)性好，在一定條件下具有長期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。這種溫度傳感器特別容易和微電腦配合，組成自動(dòng)測試系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，我們利用C8051F206提供的片內(nèi)12位SAR ADC的強(qiáng)大功能，以標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)(電流，電壓)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

　　由于單片機(jī)串口TTL電平與標(biāo)準(zhǔn)的RS 232C信號(hào)電平范圍不一致，所以在與之進(jìn)行通訊的時(shí)候，首先要將TTL電平信號(hào)進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，使之符合RS 232C的信號(hào)規(guī)范。本系統(tǒng)中，選擇MAX公司的MAX 232進(jìn)行電平信號(hào)轉(zhuǎn)換。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、中斷服務(wù)子程序等。軟件流程圖如圖2所示。

3 LabVIEW下的程序設(shè)計(jì)

　　LabVIEW是基于圖形化的程序設(shè)計(jì)語言，程序的核心代碼是類似于流程圖的方框圖和線條的連接。屬于數(shù)據(jù)流編程，交互性不好。每個(gè)方框圖代表一個(gè)功能模塊即子Ⅵ，程序執(zhí)行過程是條件滿足方式，當(dāng)一個(gè)功能模塊的所有輸入都齊備后，此功能模塊產(chǎn)生輸出，傳送給下一個(gè)模塊。

3.1 串行通訊程序設(shè)計(jì)

　　首先是對串口的初始化設(shè)置：波特率為默認(rèn)值9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位，串口號(hào)為3。當(dāng)系統(tǒng)開啟時(shí)，通過VISA Write.vi向單片機(jī)發(fā)送“發(fā)送請求命令”由于LabVIEW的串行通信子VI只允許對字符串的讀寫，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)，必須進(jìn)行字符串與數(shù)字之間的正確轉(zhuǎn)換，在這里通過調(diào)用1個(gè)“組串”子VI實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)換。在收到上位機(jī)的發(fā)送請求命令后，單片機(jī)則進(jìn)入中斷發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過 VISA Read.vi節(jié)點(diǎn)讀取單片機(jī)送來的數(shù)據(jù)，并且判斷是否收到4位來控制Case結(jié)構(gòu)中的是執(zhí)行False還是執(zhí)行True。這里使用Case結(jié)構(gòu)是為了避免單片機(jī)的丟位現(xiàn)象發(fā)生。如果有丟位現(xiàn)象發(fā)生，則執(zhí)行True讀取前面所讀到的數(shù)據(jù)。如果沒有丟位現(xiàn)象發(fā)生，則執(zhí)行False讀取數(shù)據(jù)。由于采用12位的SARADC將標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)(電流，電壓)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此需要用2個(gè)字節(jié)來表示1個(gè)數(shù)據(jù)。這里采用1個(gè)子vi來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。讀完1個(gè)數(shù)據(jù)，用實(shí)時(shí)趨勢圖控件Wave-form Chart顯示完后執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)。圖3給出了上位機(jī)對單片機(jī)進(jìn)行讀、寫操作的框圖程序。

3.2 前面板設(shè)計(jì)

　　LabVIEW中的前面板就是圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。在這個(gè)采集系統(tǒng)中由于任務(wù)繁多，不能采用1個(gè)用戶界面來實(shí)現(xiàn)時(shí)，可將1個(gè)完整的測試系統(tǒng)按完成的具體任務(wù)不同分成幾個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊分別設(shè)計(jì)成為不同的子VI，并且每個(gè)子VI都有自己的用戶界面。將這些個(gè)子VI放入一個(gè)事件結(jié)構(gòu)中，用不同的按鈕來調(diào)用不同的子VI實(shí)現(xiàn)不同的功能。本系統(tǒng)在前面板中不但設(shè)置波特率、串口號(hào)為控件，用實(shí)時(shí)趨勢圖控件Waveform Chart顯示下位機(jī)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。同時(shí)對采出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到生物發(fā)酵過程優(yōu)化所必需的CET，OUT，RQ曲線并將其實(shí)時(shí)顯示出來。而且還放置了許多功能按鈕來實(shí)現(xiàn)不同的功能。如圖4所示，給出本系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語

　　這個(gè)設(shè)計(jì)已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后達(dá)到了預(yù)期的目的，能對發(fā)酵的整個(gè)過程進(jìn)行在線檢測和分析，為以后實(shí)施發(fā)酵過程的在線最優(yōu)控制提供了先決條件。具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性，可廣泛應(yīng)用于測試控制領(lǐng)域。