摘 要：為了正確地掌握和控制發(fā)酵條件，更直觀地了解細(xì)胞的代謝情況，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于LabVIEW的生物發(fā)酵反應(yīng)器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程中相應(yīng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，進(jìn)行分析研究，為發(fā)酵過程的控制提供依據(jù)。該系統(tǒng)由C8051F206單片機(jī)和各種傳感器組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用PC機(jī)上的RS 232串行口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行通訊，使用LabVIEW虛擬儀器軟件完成上位機(jī)串行通訊程序和前面板程序的編寫。實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)測(cè)試效果良好。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW；串行通訊

Design of Real -time Data Acquisition System to Ferment Process Based on LabVIEW

SHI Xueping1，2，WU Xing1，HEN Caihong1，YANG Bo1

(1.College of Chemical Engineering，Northwest University，Xi′an，710069，China;2.College of Chemical Engineering，Yan′an University，Yan′an，716000，China

Abstract：To correctly grasp and control of biological fermentation conditions，the more direct-viewing understanding of the metabolism of cells，the real-time data acquisition system is designed based on LabVIEW with realizing corresponding parameter real-time gathering in the fermentative process，providing the basis for fermentative process′ control.The system consists of the C8051F206 SCM and various sensor，uses RS 232 serial ports to realize the data serial communication between microcontroller and PC.Program on PC are written in LabVIEW software，the experiment has proved that the system makes a good test.

eywords：ferment system;data acquisition;LabVIEW;serial communication

1 引 言

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 是美國(guó)國(guó)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(duì)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(duì)復(fù)雜的發(fā)酵過程進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)、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(cè)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(zhǎng)率、產(chǎn)物生成率等難以在線直接測(cè)量，然而可以在已建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過測(cè)量與這些變量相關(guān)的一些可在線直接測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理、分析，并對(duì)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(cè)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(duì)發(fā)酵的整個(gè)過程進(jìn)行在線檢測(cè)的實(shí)時(shí)測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(duì)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(qǐng)求命令”由于LabVIEW的串行通信子VI 只允許對(duì)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(qǐng)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SAR ADC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(shì)圖控件Waveform 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(duì)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(cè)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(shì)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(duì)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(duì)發(fā)酵的整個(gè)過程進(jìn)行在線檢測(cè)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(cè)試控制領(lǐng)域。

參 考 文 獻(xiàn)

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