基于LabVIEW的發(fā)酵過程實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

l 引 言
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineer―ing Workbench)是美國國家儀器公司(National Instru―ment)開發(fā)的一種虛擬儀器平臺，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)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可模擬采集各種信號，但是配備NI公司的數(shù)據(jù)采集板卡比較貴，在實際開發(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，為實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時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并對其系統(tǒng)的組成、原理、實現(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)送給計算機(jī)，在LabVIEW開發(fā)平臺下，對數(shù)據(jù)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(jī)顯示實時測量的尾氣中氧氣、二氧化碳的含量和經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的RQ值，從而實現(xiàn)對發(fā)酵的整個過程進(jìn)行在線檢測的實時測試系統(tǒng)。
2．1 硬件組成及設(shè)計原理
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。這種溫度傳感器特別容易和微電腦配合，組成自動測試系統(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(電流，電壓)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

由于單片機(jī)串口TTL電平與標(biāo)準(zhǔn)的RS 232C信號電平范圍不一致，所以在與之進(jìn)行通訊的時候，首先要將TTL電平信號進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，使之符合RS 232C的信號規(guī)范。本系統(tǒng)中，選擇MAX公司的MAX 232進(jìn)行電平信號轉(zhuǎn)換。
2．2 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)計