系统构成及关键硬件设备虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能，其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。系统硬件部分主要由基于ISA总线的32通道IO型数据采集卡、恒温培养箱、发酵瓶、采气袋、差压开关、差压开关电路电磁阀、工控计算机等组成。

1）数据采集卡：本系统专为实验室测试与控制发酵产气试验而设计，由于该试验对数据传输速率与数据通讯量要求不高，故从经济性角度考虑，系统采用了北京中泰公司生产的基于ISA总线的光隔离开关量输入接口卡PC26405和光隔离开关量输出接口卡PC26407.该卡上的开关量输入输出通道共32路，分为4组，每组8路。32路输入信号均可通过CPU巡检方式工作，且32路开关信号的低端共地。输入信号电平范围为TTL～48V，电流消耗为≥5mA每路，每组信号之间、各组信号与接口卡之间隔离电平为≥500V，能够充分满足试验要求。

2）培养箱：培养箱选用BOXUN牌150SPXB2Z型生化培养箱，控温范围+5～50℃，控温均匀度为±0.5℃，压缩机功率145W，加热器功率150W.内部置有4～8层不锈钢托架，各层均加装8个标定气路接口，8个收集气路接口和8个采集指示灯。

3）发酵瓶及其连接面板：发酵瓶采用容积为100mL的模口瓶（附铝易拉压盖和丁基橡胶塞），8个为一组，置于培养箱的1～4层。各发酵瓶均通过气管与对应的差压开关、电磁阀连接。

4）压力传感器：采用芬兰HK公司生产的PS系列的差压开关。开关类型为微动开关，差压为10Pa，电流容量为最大3A阻抗，2A感应，最大电压为250VAC，耐压50kPa，满足系统测量微压的要求，具有精度高，反应灵敏的特点。

系统软件设计软件功能设计系统软件平台选用美国NI公司开发的的图形化编程语言工具Labview7.Labview是基于流程图的图形化编程方式，因此又被称为G语言。与传统语言相比Labview编程简单、易于理解，而且它针对数据采集、仪器控制、信号分析提供了丰富完善的功能图标，供用户直接调用，免去了用户自己编写程序的繁琐。利用Labview至少可将开发时间缩短14～13，并提高了测试系统的水平和系统的集成化<14，15>。按照模块化编程的思想可将系统软件分为5个模块，软件结构如所示。

1）硬件控制模块：通过调用IO卡PC26405、PC26407的驱动程序实现信号传输及硬件控制。2）试验参数设置模块：对样品参数，采样间隔、电磁阀1延滞时间、数据保存路径（如未设定系统将自动保存到默认路径）进行设置，如所示为试验参数设置界面示意图，系统软件的前面板设计根据用户需求设计为卡片式结构。3）产气记录保存模块：对采集数据分离、筛选得到有效数据，将有效数据综合处理计算，最后把结果保存到指定路径下。监控模块：主要包括发酵瓶的独立控制，电磁阀延滞时间的控制，各参数及产气量-产气时间曲线的实时动态显示、密码保护设计等。如所示为产气曲线显示和控制界面。帮助模块：对系统的总体说明及使用指南。

软件设计特点1）数据处理：由于采样间隔小于信号变化周期，所以采得数据不全是有效数据，只有从低电平变为高电平的信号才是令电磁阀导通的信号，因此需要对采集得到信号进行分离和筛选，筛选流程图。筛选得到的信号为32个发酵瓶随机达到标定压力的信号，故需要进一步判断信号是由第几号瓶产生的，最后，对应具体发酵瓶的设置参数将得到的信号进行分析、处理、显示和存储。

2）发酵瓶排气控制：发酵瓶中的气体排放是通过控制电磁阀的开关信号实现的，为使排气充分，必须延滞高平信号持续时间，有两种方法可以实现此功能：一是采用带计时器的电磁阀；二是在软件中设计延滞程序。从经济性和灵活性角度考虑，本系统采用在Labview中调用C++的方法设计了延滞程序。

3）抗干扰设计：由于本系统具有试验对象多，周期长的特点（一般为32种样本，70～100h），故每个发酵瓶都设有独立的控制单元，所有开关按钮均具有密码保护功能（包括系统停止按钮），只有在正确输入密码的情况下才能控制操作按钮，这大大提高了试验的安全性和可靠性。

结论将虚拟仪器技术引入到生物工程测控领域中，利用图形化设计的思想，设计出操作简单，表达清晰、直观的人机界面，是生物工程测控领域发展的趋势。本文针对现有体外发酵产气测控方法自动化程度低，人工测量误差大、试验效率低等不足，研制了基于Labview的体外发酵产气自动记录系统，试验结果表明该系统具有良好的自动化、智能化、图形化特点，弥补了过去测试试验方法的不足，提高了实时测定结果的准确性和工作效率，大大降低了饲草饲料营养价值评定科研工作者的试验劳动强度。在结合气体体外发酵气体采样和气体组分分析的基础上，本系统还可作为体外法评定饲料瘤胃发酵温室气体（甲烷、二氧化碳等）排放量估测的科学试验研究技术手段。http://www.grainyq.com