基于ＬａｂＶＩＥＷ的發酵過程實時數據采集系統設計

摘 要：為了正確地掌握和控制發酵條件，更直觀地了解細胞的代謝情況，設計出一個基于LabVIEW的生物發酵反應器的數據采集系統，以實現發酵過程中相應參數的實時采集，進行分析研究，為發酵過程的控制提供依據。該系統由C8051F206單片機和各種傳感器組成數據采集系統，利用PC機上的RS 232串行口實現數據的串行通訊，使用LabVIEW虛擬儀器軟件完成上位機串行通訊程序和前面板程序的編寫。實驗證明此系統測試效果良好。

關鍵詞：發酵系統；數據采集；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） 是美國國家儀器公司(National Instrument 開發的一種虛擬儀器平臺，他是一種用圖標代替文本行創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，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，在實際開發中可選用單片機系統對數據進行采集。

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

利用計算機對復雜的發酵過程進行數據檢測、分析和實施過程的最優化控制越來越受到人們的極大關注。由于發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估計，為實施生化過程的在線最優控制提供先決條件。

因此，本文設計一種基于LabVIEW 的發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。并對其系統的組成、原理、實現做出詳細描述。

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，從而實現對發酵的整個過程進行在線檢測的實時測試系統。

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、重現性好，在一定條件下具有長期穩定性等優點。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。

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的信號規范。本系統中，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。當系統開啟時，通過VISA Write.vi向單片機發送“發送請求命令”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實現此轉換。在收到上位機的發送請求命令后，單片機則進入中斷發送所采集的數據，上位機通過VISA Read.vi節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生。如果有丟位現象發生，則執行True讀取前面所讀到的數據。如果沒有丟位現象發生，則執行False讀取數據。由于采用12位的SAR ADC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Waveform Chart 顯示完后執行下一個循環。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。在這個采集系統中由于任務繁多， 不能采用1個用戶界面來實現時， 可將1個完整的測試系統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酵過程優化所必需的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不同的功能。如圖4所示，給出本系統的前面板設計。

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，能對發酵的整個過程進行在線檢測和分析，為以后實施發

酵過程的在線最優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。

參 考 文 獻

［1］趙振華，馮涓.基于LabVIEW的單片機溫度自動測試系統［J］.現代電子技術，2007，30(15:142-146.

［2］鄒淑云.基于LabVIEW的監測系統的用戶界面設計與實現［J］.湖北水利水電職業技術學院學報，2007，3(3:44-46.

［3］曹玲芝．現代測試技術及虛擬儀器［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2004．

［4］何立民．單片機應用系統設計［M］．北京：北京航空航天大學出版社，1990．

［5］楊樂平，李海濤，肖相生．LabVIEw 程序設計與應用［M］．北京：電子工業出版社，2001．

［6］張易知．虛擬儀器的設計與實現［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2002．

［7］彭慶華．虛擬儀器軟件LabVIEW 的串行口通信編程[J］．自動化儀表，2002，23(3：31-33．

［8］湯江龍，楊曉京，李強．基于LabVIEW 的溫濕度測控仿真 ［J］．現代制造工程，2006(6：92-93．

［9］楊樂平，李海濤，楊勇，等.LabVIEW高級程序設計［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［10］潘新民，王燕芳.微型計算機控制技術［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［11］楊將新，李華軍，劉東駿．單片機程序設計及應用[M]．北京：電子工業出版社，2006．