基于LabVIEW的发酵过程实时数据采集系统设计

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美国国家仪器公司(National Instrument)开发的一种虚拟仪器平台，他是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。LabVIEW功能强大，提供丰富的数据采集、分析和存储库函数以及包括DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS 232／485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数。利用LabVIEW设计的数据采集系统，可模拟采集各种信号，但是配备NI公司的数据采集板卡比较贵，在实际开发中可选用单片机系统对数据进行采集。

发酵是生物技术的一项最基本的工程，发酵的产量和质量是发酵工程的2个重要的技术指标。要提高发酵工程的产量和质量必须控制发酵过程的一些主要参数和影响反应过程的物质的含量，即发酵过程优化及控制。

利用计算机对复杂的发酵过程进行数据检测、分析和实施过程的最优化控制越来越受到人们的极大关注。由于发酵过程变量检测的复杂性，有些至关重要的变量，例如菌体的浓度、比生长率、产物生成率等难以在线直接测量，然而可以在已建立的数学模型基础上，通过测量与这些变量相关的一些可在线直接测量的变量，例如，尾气中的氧气、二气化氮等浓度变化，从而得到这些变量的最优估计，为实施生化过程的在线最优控制提供先决条件。

因此，本文设计一种基于LabVIEW的发酵过程尾气中的氧气、二气化氮的浓度变化实时数据采集系统。并对其系统的组成、原理、实现做出详细描述。

2 系统的组成及工作原理

本系统的数据采集系统由氧气传感器、二氧化碳传感器和C8051F206单片机以及MAX 232组成。由单片机组成的小系统对温度信号进行采集、调理和转换，然后通过RS 232串口通讯将数据送给计算机，在LabVIEW开发平台下，对数据进行各种处理、分析，并对信号进行存储、显示和打印，最后由PC机显示实时测量的尾气中氧气、二氧化碳的含量和经过数据处理得到的RQ值，从而实现对发酵的整个过程进行在线检测的实时测试系统。

2.1 硬件组成及设计原理

系统的硬件电路如图1所示，采用C8051F206作为主芯片，氧气传感器选用电化学传感器二氧化碳采用红外传感器。这两种传感器具有精度高、线性度好、重现性好，在一定条件下具有长期稳定性等优点。这种温度传感器特别容易和微电脑配合，组成自动测试系统。在此系统中，我们利用C8051F206提供的片内12位SAR ADC的强大功能，以标准的模拟信号(电流，电压)转换为数字信号。

由于单片机串口TTL电平与标准的RS 232C信号电平范围不一致，所以在与之进行通讯的时候，首先要将TTL电平信号进行一定的转换，使之符合RS 232C的信号规范。本系统中，选择MAX公司的MAX 232进行电平信号转换。

2.2 软件设计

系统软件设计主要包括主程序、中断服务子程序等。软件流程图如图2所示。

3 LabVIEW下的程序设计

LabVIEW是基于图形化的程序设计语言，程序的核心代码是类似于流程图的方框图和线条的连接。属于数据流编程，交互性不好。每个方框图代表一个功能模块即子Ⅵ，程序执行过程是条件满足方式，当一个功能模块的所有输入都齐备后，此功能模块产生输出，传送给下一个模块。

3.1 串行通讯程序设计

首先是对串口的初始化设置：波特率为默认值9600，8位数据位，1位停止位，无校验位，串口号为3。当系统开启时，通过VISA Write.vi向单片机发送“发送请求命令”由于LabVIEW的串行通信子VI只允许对字符串的读写，因此在数据处理时，必须进行字符串与数字之间的正确转换，在这里通过调用1个“组串”子VI实现此转换。在收到上位机的发送请求命令后，单片机则进入中断发送所采集的数据，上位机通过 VISA Read.vi节点读取单片机送来的数据，并且判断是否收到4位来控制Case结构中的是执行False还是执行True。这里使用Case结构是为了避免单片机的丢位现象发生。如果有丢位现象发生，则执行True读取前面所读到的数据。如果没有丢位现象发生，则执行False读取数据。由于采用12位的SARADC将标准的模拟信号(电流，电压)转换为数字信号，因此需要用2个字节来表示1个数据。这里采用1个子vi来进行转换。读完1个数据，用实时趋势图控件Wave-form Chart显示完后执行下一个循环。图3给出了上位机对单片机进行读、写操作的框图程序。

3.2 前面板设计

LabVIEW中的前面板就是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。在这个采集系统中由于任务繁多，不能采用1个用户界面来实现时，可将1个完整的测试系统按完成的具体任务不同分成几个功能模块，每个功能模块分别设计成为不同的子VI，并且每个子VI都有自己的用户界面。将这些个子VI放入一个事件结构中，用不同的按钮来调用不同的子VI实现不同的功能。本系统在前面板中不但设置波特率、串口号为控件，用实时趋势图控件Waveform Chart显示下位机实时采集到的数据。同时对采出数据进行处理后得到生物发酵过程优化所必需的CET，OUT，RQ曲线并将其实时显示出来。而且还放置了许多功能按钮来实现不同的功能。如图4所示，给出本系统的前面板设计。

4 结 语

这个设计已经通过实验验证，最后达到了预期的目的，能对发酵的整个过程进行在线检测和分析，为以后实施发酵过程的在线最优控制提供了先决条件。具有很强的工程实用性，可广泛应用于测试控制领域。