儀器技術在料外酵系統(tǒng)的應用
系統(tǒng)構成及關鍵硬件設備虛擬儀器是由計算機硬件資源、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)，充分利用最新的計算機技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能，其基本構成包括計算機、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、差壓開關電路電磁閥、工控計算機等組成。
1）數(shù)據(jù)采集卡：本系統(tǒng)專為實驗室測試與控制發(fā)酵產(chǎn)氣試驗而設計，由于該試驗對數(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總線的光隔離開關量輸入接口卡PC26405和光隔離開關量輸出接口卡PC26407.該卡上的開關量輸入輸出通道共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個標定氣路接口，8個收集氣路接口和8個采集指示燈。
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的差壓開關、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。開關類型為微動開關，差壓為10Pa，電流容量為最大3A阻抗，2A感應，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，反應靈敏的特點。
系統(tǒng)軟件設計軟件功能設計系統(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，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個模塊，軟件結構如所示。
1）硬件控制模塊：通過調(diào)用IO卡PC26405、PC26407的驅動程序實現(xiàn)信號傳輸及硬件控制。2）試驗參數(shù)設置模塊：對樣品參數(shù)，采樣間隔、電磁閥1延滯時間、數(shù)據(jù)保存路徑（如未設定系統(tǒng)將自動保存到默認路徑）進行設置，如所示為試驗參數(shù)設置界面示意圖，系統(tǒng)軟件的前面板設計根據(jù)用戶需求設計為卡片式結構。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)綜合處理計算，最后把結果保存到指定路徑下。監(jiān)控模塊：主要包括發(fā)酵瓶的獨立控制，電磁閥延滯時間的控制，各參數(shù)及產(chǎn)氣量-產(chǎn)氣時間曲線的實時動態(tài)顯示、密碼保護設計等。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。
軟件設計特點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導通的信號，因此需要對采集得到信號進行分離和篩選，篩選流程圖。篩選得到的信號為32個發(fā)酵瓶隨機達到標定壓力的信號，故需要進一步判斷信號是由第幾號瓶產(chǎn)生的，最后，對應具體發(fā)酵瓶的設置參數(shù)將得到的信號進行分析、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信號實現(xiàn)的，為使排氣充分，必須延滯高平信號持續(xù)時間，有兩種方法可以實現(xiàn)此功能：一是采用帶計時器的電磁閥；二是在軟件中設計延滯程序。從經(jīng)濟性和靈活性角度考慮，本系統(tǒng)采用在Labview中調(diào)用C++的方法設計了延滯程序。
3）抗干擾設計：由于本系統(tǒng)具有試驗對象多，周期長的特點（一般為32種樣本，70～100h），故每個發(fā)酵瓶都設有獨立的控制單元，所有開關按鈕均具有密碼保護功能（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，這大大提高了試驗的安全性和可靠性。
結論將虛擬儀器技術引入到生物工程測控領域中，利用圖形化設計的思想，設計出操作簡單，表達清晰、直觀的人機界面，是生物工程測控領域發(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)，試驗結果表明該系統(tǒng)具有良好的自動化、智能化、圖形化特點，彌補了過去測試試驗方法的不足，提高了實時測定結果的準確性和工作效率，大大降低了飼草飼料營養(yǎng)價值評定科研工作者的試驗勞動強度。在結合氣體體外發(fā)酵氣體采樣和氣體組分分析的基礎上，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）排放量估測的科學試驗研究技術手段。http://www.52lvi.cn
