基于LabVIEW的發(fā)酵過(guò)程實(shí)時(shí)數據采集系統設計

1 引 言

　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國國家儀器公司(National Instrument)開(kāi)發(fā)的一種虛擬儀器平臺，他是一種用圖標代替文本行創(chuàng )建應用程序的圖形化編程語(yǔ)言。LabVIEW功能強大，提供豐富的數據采集、分析和存儲庫函數以及包括DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS 232／485在內的各種儀器通信總線(xiàn)標準的所有功能函數。利用LabVIEW設計的數據采集系統，可模擬采集各種信號，但是配備N(xiāo)I公司的數據采集板卡比較貴，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中可選用單片機系統對數據進(jìn)行采集。

　　發(fā)酵是生物技術(shù)的一項最基本的工程，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。要提高發(fā)酵工程的產(chǎn)量和質(zhì)量必須控制發(fā)酵過(guò)程的一些主要參數和影響反應過(guò)程的物質(zhì)的含量，即發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化及控制。

　　利用計算機對復雜的發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行數據檢測、分析和實(shí)施過(guò)程的最優(yōu)化控制越來(lái)越受到人們的極大關(guān)注。由于發(fā)酵過(guò)程變量檢測的復雜性，有些至關(guān)重要的變量，例如菌體的濃度、比生長(cháng)率、產(chǎn)物生成率等難以在線(xiàn)直接測量，然而可以在已建立的數學(xué)模型基礎上，通過(guò)測量與這些變量相關(guān)的一些可在線(xiàn)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，為實(shí)施生化過(guò)程的在線(xiàn)最優(yōu)控制提供先決條件。

　　因此，本文設計一種基于LabVIEW的發(fā)酵過(guò)程尾氣中的氧氣、二氣化氮的濃度變化實(shí)時(shí)數據采集系統。并對其系統的組成、原理、實(shí)現做出詳細描述。

2 系統的組成及工作原理

　　本系統的數據采集系統由氧氣傳感器、二氧化碳傳感器和C8051F206單片機以及MAX 232組成。由單片機組成的小系統對溫度信號進(jìn)行采集、調理和轉換，然后通過(guò)RS 232串口通訊將數據送給計算機，在LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺下，對數據進(jìn)行各種處理、分析，并對信號進(jìn)行存儲、顯示和打印，最后由PC機顯示實(shí)時(shí)測量的尾氣中氧氣、二氧化碳的含量和經(jīng)過(guò)數據處理得到的RQ值，從而實(shí)現對發(fā)酵的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)檢測的實(shí)時(shí)測試系統。

2.1 硬件組成及設計原理

　　系統的硬件電路如圖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(xiàn)性度好、重現性好，在一定條件下具有長(cháng)期穩定性等優(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。在此系統中，我們利用C8051F206提供的片內12位SAR ADC的強大功能，以標準的模擬信號(電流，電壓)轉換為數字信號。

　　由于單片機串口TTL電平與標準的RS 232C信號電平范圍不一致，所以在與之進(jìn)行通訊的時(shí)候，首先要將TTL電平信號進(jìn)行一定的轉換，使之符合RS 232C的信號規范。本系統中，選擇MAX公司的MAX 232進(jìn)行電平信號轉換。

2.2 軟件設計

　　系統軟件設計主要包括主程序、中斷服務(wù)子程序等。軟件流程圖如圖2所示。

3 LabVIEW下的程序設計

　　LabVIEW是基于圖形化的程序設計語(yǔ)言，程序的核心代碼是類(lèi)似于流程圖的方框圖和線(xiàn)條的連接。屬于數據流編程，交互性不好。每個(gè)方框圖代表一個(gè)功能模塊即子Ⅵ，程序執行過(guò)程是條件滿(mǎn)足方式，當一個(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 串行通訊程序設計

　　首先是對串口的初始化設置：波特率為默認值9600，8位數據位，1位停止位，無(wú)校驗位，串口號為3。當系統開(kāi)啟時(shí)，通過(guò)VISA Write.vi向單片機發(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(xiě)，因此在數據處理時(shí)，必須進(jìn)行字符串與數字之間的正確轉換，在這里通過(guò)調用1個(gè)“組串”子VI實(shí)現此轉換。在收到上位機的發(fā)送請求命令后，單片機則進(jìn)入中斷發(fā)送所采集的數據，上位機通過(guò) VISA Read.vi節點(diǎn)讀取單片機送來(lái)的數據，并且判斷是否收到4位來(lái)控制Case結構中的是執行False還是執行True。這里使用Case結構是為了避免單片機的丟位現象發(fā)生。如果有丟位現象發(fā)生，則執行True讀取前面所讀到的數據。如果沒(méi)有丟位現象發(fā)生，則執行False讀取數據。由于采用12位的SARADC將標準的模擬信號(電流，電壓)轉換為數字信號，因此需要用2個(gè)字節來(lái)表示1個(gè)數據。這里采用1個(gè)子vi來(lái)進(jìn)行轉換。讀完1個(gè)數據，用實(shí)時(shí)趨勢圖控件Wave-form Chart顯示完后執行下一個(gè)循環(huán)。圖3給出了上位機對單片機進(jìn)行讀、寫(xiě)操作的框圖程序。

3.2 前面板設計

　　LabVIEW中的前面板就是圖形化用戶(hù)界面，用于設置輸入數值和觀(guān)察輸出量。在這個(gè)采集系統中由于任務(wù)繁多，不能采用1個(gè)用戶(hù)界面來(lái)實(shí)現時(shí)，可將1個(gè)完整的測試系統按完成的具體任務(wù)不同分成幾個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊分別設計成為不同的子VI，并且每個(gè)子VI都有自己的用戶(hù)界面。將這些個(gè)子VI放入一個(gè)事件結構中，用不同的按鈕來(lái)調用不同的子VI實(shí)現不同的功能。本系統在前面板中不但設置波特率、串口號為控件，用實(shí)時(shí)趨勢圖控件Waveform Chart顯示下位機實(shí)時(shí)采集到的數據。同時(shí)對采出數據進(jìn)行處理后得到生物發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化所必需的CET，OUT，RQ曲線(xiàn)并將其實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。而且還放置了許多功能按鈕來(lái)實(shí)現不同的功能。如圖4所示，給出本系統的前面板設計。

4 結 語(yǔ)

　　這個(gè)設計已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗驗證，最后達到了預期的目的，能對發(fā)酵的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)檢測和分析，為以后實(shí)施發(fā)酵過(guò)程的在線(xiàn)最優(yōu)控制提供了先決條件。具有很強的工程實(shí)用性，可廣泛應用于測試控制領(lǐng)域。