基于LabVIEW串口通信的太陽能電池I－V曲線測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

秦中立，范望喜，張秀花

（武漢生物工程學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系，湖北 武漢430415）

0 引言

目前總線已經(jīng)普及，但仍有不少設(shè)備通過RS232或者RS485通訊接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊［1］．串口為常用的計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過RS232串口總線與PC計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)，仍是目前虛擬儀器的構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測試系統(tǒng)，它具有接口簡單，使用方便的特點(diǎn)．在應(yīng)用開發(fā)層，開發(fā)者希望使用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)環(huán)境進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)軟件的開發(fā)［2］．

在虛擬儀器領(lǐng)域，當(dāng)前最引人注目的開發(fā)語言是NI公司的LabVIEW（Laboratory virtual instrument engineering workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境）．LabVIEW作為專為測試測量設(shè)計(jì)的程序，提供強(qiáng)大功能的同時(shí)還保證了系統(tǒng)靈活性的圖形化編程環(huán)境，它內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，將數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在同一個(gè)環(huán)境中，讓研究者可以在這個(gè)的平臺上集成一套完整的應(yīng)用方案，能夠幫助用戶高效、快速地開發(fā)測試系統(tǒng)，因此具有良好的移植性和直觀性．伴隨著LabVIEW8．5的推出，使用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和儀器控制的功能進(jìn)一步加強(qiáng)．目前，LabVIEW已逐漸成為測試測量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)平臺．在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)串行通信的方式主要有利用VISA和使用ActiveX控件2種．VISA是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立于硬件設(shè)備、接口、操作系統(tǒng)、編程語言和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的I／O控制庫，本身并不具有儀器編程能力，是生成虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的軟件基礎(chǔ)，為應(yīng)用程序和儀器總線的通信建立了通道［3］，主要功能是處理計(jì)算機(jī)與設(shè)備間物理連接的通信，它可以將硬件接口（如RS232、GPIB或VXI等）連接的設(shè)備集成到一個(gè)系統(tǒng)中，由相應(yīng)的軟件完成所有儀器設(shè)備的控制．它是調(diào)用低層驅(qū)動(dòng)器的高層API［4］，使用時(shí)需要安裝VISA驅(qū)動(dòng)程序．將Keithley2400數(shù)字源表與LabVIEW組合對光伏I－V曲線測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法已有報(bào)導(dǎo)［5］．

目前，各種太陽能電池性能的優(yōu)劣主要依靠I－V曲線表征，快速簡單方便的I－V曲線測試系統(tǒng)是科研工作者所追求的．為此，國內(nèi)外很多儀器生產(chǎn)公司開發(fā)出各種各樣的I－V曲線測試系統(tǒng)，如：上海辰華電化學(xué)工作站、美國Newport－Oriel公司研發(fā)的PVIV－212V測試系統(tǒng)．然而，對經(jīng)費(fèi)不足的學(xué)者而言，好的測試系統(tǒng)可遇不可求．因此，他們熱衷于利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器自已搭建I－V曲線測試系統(tǒng)，使學(xué)生不僅豐富了理論知識，而且通過實(shí)踐將知識融會(huì)貫通并轉(zhuǎn)化為動(dòng)手能力，同時(shí)，搭建了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而又滿足要求的測試平臺．

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件，本文中介紹一種以LabVIEW軟件為開發(fā)平臺、VISA庫為生成虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的軟件基礎(chǔ)，將Keithley 2000數(shù)字源表、低壓電源和計(jì)算機(jī)等硬件連接起來，組成數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用純電阻進(jìn)行的校正后，將其應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池的I－V曲線測試．

1 系統(tǒng)組成

光路系統(tǒng)由氙燈、聚焦透鏡、單色器等儀器組成．用預(yù)裝上LabVIEW8．5和VISA 4．1兩套軟件的計(jì)算機(jī)將Keithley 2000數(shù)字源表、低壓電源連接起來，整套系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示．

圖1 I－V曲線測試系統(tǒng)的硬件組成示意圖

2 程序的設(shè)計(jì)與編寫

在編制程序之前，用NI提供的工具（measurement ＆automation explorer）對設(shè)備進(jìn)行識別．由于實(shí)驗(yàn)使用了自治的電壓源和Keithley 2000數(shù)字萬用表，初始化串口時(shí)分別對它們使用了兩個(gè)串口地址，com1和com2．

圖2 I－V曲線測試系統(tǒng)的軟件方框圖

配置電壓源時(shí)，為測試器件的I－V特性，對輸出電壓進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)置．在實(shí)驗(yàn)中使用循環(huán)來實(shí)現(xiàn)圖形掃描的實(shí)時(shí)顯示，把每次循環(huán)所加的電壓值作為步長，并實(shí)時(shí)讀出每次循環(huán)的電流值．以上均通過電壓源和Keithley 2000數(shù)字源表在LabVIEW中的串口讀寫模塊來實(shí)現(xiàn)，I－V曲線測試系統(tǒng)的軟件方框圖如圖2所示．

用LabVIEW 8．5Express中的build X－Y Graph模塊與圖形顯示模塊來實(shí)時(shí)顯示I－V曲線．在循環(huán)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)所得的電壓和電流數(shù)據(jù)通過write to spreadsheet file Vi模塊寫入到新生成的txt文件中，以便于最后對數(shù)據(jù)的整理．

3 應(yīng)用

3．1 校準(zhǔn) 實(shí)驗(yàn)前，用此系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)55MΩ和5kΩ純電阻進(jìn)行校準(zhǔn)，測出2條I－V曲線．根據(jù)歐姆定律，這2條I－V曲線均應(yīng)通過原點(diǎn)，斜率為電阻的阻值．同時(shí)，利用Origin 7．0對所測的I－V曲線進(jìn)行擬合，如果擬合的誤差大于0．5%，則對程序中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使擬合的誤差小于或等于0．5%．

光源的校準(zhǔn) ：采用氙燈作為光源，用標(biāo)準(zhǔn)硅電池校準(zhǔn)，使光通過聚焦透鏡后照射樣品的光為AG1．5的模擬太陽光，光強(qiáng)為100mW／cm2．

圖3 有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖

3．2 太陽能電池的測試 制備了結(jié)構(gòu)如圖3所示的有機(jī)太陽能電池．利用CHI660電化學(xué)測試系統(tǒng)（上海辰華儀器有限公司生產(chǎn)）對其進(jìn)行測量，所測結(jié)果如下：開路電壓為0．604V；短路電流為8．27mA／cm2；填充因子為0．654；太陽能轉(zhuǎn)換效率為3．27%．利用本文中設(shè)計(jì)搭建的測試系統(tǒng)對其進(jìn)行測量，所測結(jié)果如下：開路電壓為0．608V；短路電流為8．25mA／cm2；填充因子為0．662；電池的轉(zhuǎn)換效率為3．32%，其結(jié)果與CHI660電化學(xué)測試系統(tǒng)測量的結(jié)果相近，其I－V曲線如圖4所示．

圖4 有機(jī)太陽能電池的I－V曲線

4 結(jié)論

本文中用LabVIEW軟件、VISA庫、Keithley 2000數(shù)字源表、低壓電源和計(jì)算機(jī)等組成的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能方便、快捷地對光伏電池的電流一電壓特性進(jìn)行測量，其結(jié)果與CHI660電化學(xué)測試系統(tǒng)測試的結(jié)果相近，表明此系統(tǒng)具有良好的可靠性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又能提高學(xué)生動(dòng)手能力的目的．

［1］張鑫，李冬梅，黃元慶．基于LabVIEW 的陣列式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（2）：1399－1402．

［2］呂向鋒，高洪林，馬亮，等．基于LabVIEW 串口通信的研究［J］．理論與方法，2009，28（12）：27－30．

［3］Kal Kmancj．LabVIEW：A software system for data acquisition，data analysis，and instrument control［J］．Journal of Clinical Monitoring and Computing，2005，11（1）：1387－1397．

［4］L Eon W．II Counch digital ＆analog communication systems（7th Ed）［M］．Macmillan：New York，2007：327－333．

［5］周印華，王亞男，吳偉才，等．基于LabVIEW的光伏I－V曲線測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：1775－1776．