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，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標準的所有功能函數。利用LabVIEW設計的數據采集系統(tǒng)，可模擬采集各種信號，但是配備NI公司的數據采集板卡比較貴，在實際開發(fā)中可選用單片機系統(tǒng)對數據進行采集。

發(fā)酵是生物技術的一項最基本的工程，發(fā)酵的產量和質量是發(fā)酵工程的2個重要的技術指標。要提高發(fā)酵工程的產量和質量必須控制發(fā)酵過程的一些主要參數和影響反應過程的物質的含量，即發(fā)酵過程優(yōu)化及控制。

利用計算機對復雜的發(fā)酵過程進行數據檢測、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注。由于發(fā)酵過程變量檢測的復雜性，有些至關重要的變量，例如菌體的濃度、比生長率、產物生成率等難以在線直接測量，然而可以在已建立的數學模型基礎上，通過測量與這些變量相關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據采集系統(tǒng)。并對其系統(tǒng)的組成、原理、實現(xiàn)做出詳細描述。

2 系統(tǒng)的組成及工作原理

本系統(tǒng)的數據采集系統(tǒng)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(tǒng)對溫度信號進行采集、調理和轉換，然后通過RS 232串口通訊將數據送給計算機，在LabVIEW開發(fā)平臺下，對數據進行各種處理、分析，并對信號進行存儲、顯示和打印，最后由PC機顯示實時測量的尾氣中氧氣、二氧化碳的含量和經過數據處理得到的RQ值，從而實現(xiàn)對發(fā)酵的整個過程進行在線檢測的實時測試系統(tǒng)。

2.1 硬件組成及設計原理

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，所以在與之進行通訊的時候，首先要將TTL電平信號進行一定的轉換，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進行電平信號轉換。

2.2 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括主程序、中斷服務子程序等。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。屬于數據流編程，交互性不好。每個方框圖代表一個功能模塊即子Ⅵ，程序執(zhí)行過程是條件滿足方式，當一個功能模塊的所有輸入都齊備后，此功能模塊產生輸出，傳送給下一個模塊。

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，無校驗位，串口號為3。當系統(tǒng)開啟時，通過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，因此在數據處理時，必須進行字符串與數字之間的正確轉換，在這里通過調用1個“組串”子VI實現(xiàn)此轉換。在收到上位機的發(fā)送請求命令后，單片機則進入中斷發(fā)送所采集的數據，上位機通過 VISA Read.vi節(jié)點讀取單片機送來的數據，并且判斷是否收到4位來控制Case結構中的是執(zhí)行False還是執(zhí)行True。這里使用Case結構是為了避免單片機的丟位現(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據。如果沒有丟位現(xiàn)象發(fā)生，則執(zhí)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個字節(jié)來表示1個數據。這里采用1個子vi來進行轉換。讀完1個數據，用實時趨勢圖控件Wave-form Chart顯示完后執(zhí)行下一個循環(huán)。圖3給出了上位機對單片機進行讀、寫操作的框圖程序。

3.2 前面板設計

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

4 結 語

這個設計已經通過實驗驗證，最后達到了預期的目的，能對發(fā)酵的整個過程進行在線檢測和分析，為以后實施發(fā)酵過程的在線最優(yōu)控制提供了先決條件。具有很強的工程實用性，可廣泛應用于測試控制領域。