儀器技術(shù)在料外酵系統(tǒng)的應(yīng)用
系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)鍵硬件設(shè)備虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，其基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。系統(tǒng)硬件部分主要由基于ISA總線的32通道IO型數(shù)據(jù)采集卡、恒溫培養(yǎng)箱、發(fā)酵瓶、采氣袋、差壓開關(guān)、差壓開關(guān)電路電磁閥、工控計(jì)算機(jī)等組成。
1）數(shù)據(jù)采集卡：本系統(tǒng)專為實(shí)驗(yàn)室測試與控制發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn)而設(shè)計(jì)，由于該試驗(yàn)對數(shù)據(jù)傳輸速率與數(shù)據(jù)通訊量要求不高，故從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，系統(tǒng)采用了北京中泰公司生產(chǎn)的基于ISA總線的光隔離開關(guān)量輸入接口卡PC26405和光隔離開關(guān)量輸出接口卡PC26407.該卡上的開關(guān)量輸入輸出通道共32路，分為4組，每組8路。32路輸入信號均可通過CPU巡檢方式工作，且32路開關(guān)信號的低端共地。輸入信號電平范圍為TTL～48V，電流消耗為≥5mA每路，每組信號之間、各組信號與接口卡之間隔離電平為≥500V，能夠充分滿足試驗(yàn)要求。
2）培養(yǎng)箱：培養(yǎng)箱選用BOXUN牌150SPXB2Z型生化培養(yǎng)箱，控溫范圍+5～50℃，控溫均勻度為±0.5℃，壓縮機(jī)功率145W，加熱器功率150W.內(nèi)部置有4～8層不銹鋼托架，各層均加裝8個(gè)標(biāo)定氣路接口，8個(gè)收集氣路接口和8個(gè)采集指示燈。
3）發(fā)酵瓶及其連接面板：發(fā)酵瓶采用容積為100mL的�？谄浚ǜ戒X易拉壓蓋和丁基橡膠塞），8個(gè)為一組，置于培養(yǎng)箱的1～4層。各發(fā)酵瓶均通過氣管與對應(yīng)的差壓開關(guān)、電磁閥連接。
4）壓力傳感器：采用芬蘭HK公司生產(chǎn)的PS系列的差壓開關(guān)。開關(guān)類型為微動開關(guān)，差壓為10Pa，電流容量為最大3A阻抗，2A感應(yīng)，最大電壓為250VAC，耐壓50kPa，滿足系統(tǒng)測量微壓的要求，具有精度高，反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件平臺選用美國NI公司開發(fā)的的圖形化編程語言工具Labview7.Labview是基于流程圖的圖形化編程方式，因此又被稱為G語言。與傳統(tǒng)語言相比Labview編程簡單、易于理解，而且它針對數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號分析提供了豐富完善的功能圖標(biāo)，供用戶直接調(diào)用，免去了用戶自己編寫程序的繁瑣。利用Labview至少可將開發(fā)時(shí)間縮短14～13，并提高了測試系統(tǒng)的水平和系統(tǒng)的集成化<14，15>。按照模塊化編程的思想可將系統(tǒng)軟件分為5個(gè)模塊，軟件結(jié)構(gòu)如所示。
1）硬件控制模塊：通過調(diào)用IO卡PC26405、PC26407的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)信號傳輸及硬件控制。2）試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置模塊：對樣品參數(shù)，采樣間隔、電磁閥1延滯時(shí)間、數(shù)據(jù)保存路徑（如未設(shè)定系統(tǒng)將自動保存到默認(rèn)路徑）進(jìn)行設(shè)置，如所示為試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置界面示意圖，系統(tǒng)軟件的前面板設(shè)計(jì)根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)為卡片式結(jié)構(gòu)。3）產(chǎn)氣記錄保存模塊：對采集數(shù)據(jù)分離、篩選得到有效數(shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)綜合處理計(jì)算，最后把結(jié)果保存到指定路徑下。監(jiān)控模塊：主要包括發(fā)酵瓶的獨(dú)立控制，電磁閥延滯時(shí)間的控制，各參數(shù)及產(chǎn)氣量-產(chǎn)氣時(shí)間曲線的實(shí)時(shí)動態(tài)顯示、密碼保護(hù)設(shè)計(jì)等。如所示為產(chǎn)氣曲線顯示和控制界面。幫助模塊：對系統(tǒng)的總體說明及使用指南。
軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)1）數(shù)據(jù)處理：由于采樣間隔小于信號變化周期，所以采得數(shù)據(jù)不全是有效數(shù)據(jù)，只有從低電平變?yōu)楦唠娖降男盘柌攀橇铍姶砰y導(dǎo)通的信號，因此需要對采集得到信號進(jìn)行分離和篩選，篩選流程圖。篩選得到的信號為32個(gè)發(fā)酵瓶隨機(jī)達(dá)到標(biāo)定壓力的信號，故需要進(jìn)一步判斷信號是由第幾號瓶產(chǎn)生的，最后，對應(yīng)具體發(fā)酵瓶的設(shè)置參數(shù)將得到的信號進(jìn)行分析、處理、顯示和存儲。
2）發(fā)酵瓶排氣控制：發(fā)酵瓶中的氣體排放是通過控制電磁閥的開關(guān)信號實(shí)現(xiàn)的，為使排氣充分，必須延滯高平信號持續(xù)時(shí)間，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)此功能：一是采用帶計(jì)時(shí)器的電磁閥；二是在軟件中設(shè)計(jì)延滯程序。從經(jīng)濟(jì)性和靈活性角度考慮，本系統(tǒng)采用在Labview中調(diào)用C++的方法設(shè)計(jì)了延滯程序。
3）抗干擾設(shè)計(jì)：由于本系統(tǒng)具有試驗(yàn)對象多，周期長的特點(diǎn)（一般為32種樣本，70～100h），故每個(gè)發(fā)酵瓶都設(shè)有獨(dú)立的控制單元，所有開關(guān)按鈕均具有密碼保護(hù)功能（包括系統(tǒng)停止按鈕），只有在正確輸入密碼的情況下才能控制操作按鈕，這大大提高了試驗(yàn)的安全性和可靠性。
結(jié)論將虛擬儀器技術(shù)引入到生物工程測控領(lǐng)域中，利用圖形化設(shè)計(jì)的思想，設(shè)計(jì)出操作簡單，表達(dá)清晰、直觀的人機(jī)界面，是生物工程測控領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。本文針對現(xiàn)有體外發(fā)酵產(chǎn)氣測控方法自動化程度低，人工測量誤差大、試驗(yàn)效率低等不足，研制了基于Labview的體外發(fā)酵產(chǎn)氣自動記錄系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的自動化、智能化、圖形化特點(diǎn)，彌補(bǔ)了過去測試試驗(yàn)方法的不足，提高了實(shí)時(shí)測定結(jié)果的準(zhǔn)確性和工作效率，大大降低了飼草飼料營養(yǎng)價(jià)值評定科研工作者的試驗(yàn)勞動強(qiáng)度。在結(jié)合氣體體外發(fā)酵氣體采樣和氣體組分分析的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)還可作為體外法評定飼料瘤胃發(fā)酵溫室氣體（甲烷、二氧化碳等）排放量估測的科學(xué)試驗(yàn)研究技術(shù)手段。http://www.18192.cn
