毕业设计（论文）基于虚拟仪器的太阳能晶片组件测试平台设计

1、基于虚拟仪器的太阳能晶片组件测试平台设计摘 要：基于虚拟仪器的太能能电池组件系统测试的系统采用氙灯和过滤器为光伏设备提供了一个模拟的太阳光.，抛物面发射装置实现高均匀度得模拟太能光，从而避免了因稳态的温度对测试的影响。测试组件时环境温度要求在25摄氏度。利用虚拟仪器技术，利用ni公司的pci-6221型多功能数据采集卡等设备，建立了太阳能电池性能测试平台，对太阳能电池性能参数进行测试。 论文在分析任务，技术指标及系统功能的基础上，设计了系统总体方案，并且从硬件和软件两个方面对系统整体的实现过程进行了详细的介绍。首先介绍了太阳能发电的原理以及数据采集卡的选择。选用ni公司的labview软件控制

2、数据采集卡实现对太阳能电池电压、电流数据的采集、显示及存储等功能，并对所测数据进行分析处理。 最终能对组件进行功率分档，测试组件是否符合要求。最后对自己所设计出来的界面进行调试，虽然没有真正的组件测试，但是可以利用labview中的函数信号发生器仿真电压、电流，然后利用拟和得到电压、电流的曲线。 关键词：太阳能电池组件，虚拟仪器，组件测试，labviewcomponents of solar wafers tested platform is based on virtual instruments designed abstract: based on virtual instrument

3、system can be battery test system components used xenon lamp and filter for the photovoltaic device provides a simulated sunlight., parabolic launcher high uniformity can be simulated is too light, and thus avoid the result of stable state the impact of temperature on the test. temperature requireme

4、nts of the test component at 25 degrees celsius. virtual instrument technology, the use of nis pci-6221 multifunction data acquisition card and other equipment, the establishment of the solar cell performance testing platform, the performance parameters of solar cells to be tested. papers in analysi

5、s tasks, technical specifications and system functions based on the design of the overall system solution, and both hardware and software implementation of the system as a whole process was described in detail. first introduced the principle of solar power generation and data acquisition card choice

6、. nis labview software selection control data acquisition card on the solar cell voltage and current data acquisition, display and storage functions, and the measured data are analyzed. ultimately the power of the sub-file components, test components meet the requirements. finally, out of his own de

7、sign debug interface, although not real components of the test, but can use the labview simulation of the function signal generator voltage, current, and then use to be and get the voltage and current curves.key words: solar cell modules, virtual instruments, component test, labview 目录第一章 前言 31.1 课题

8、研究背景. 31.1.1 人类面临的能源危机 .31.1.2 太阳能的特点及开发利用 .31.2 光伏产业发展.31.3 虚拟仪器的概述. 41.4 本文研究目的.4第二章 太阳能组件的生产工艺 .52.1 太阳能电池的工作原理. 52.1.1 太阳能电池等效电路.52.1.2 太阳能电池的负载特性.62.2 太阳能电池模块测试系统的硬件组成.72.3 太阳能组件生产工序.72.3.1 焊接.72.3.2 敷设.82.3.3 层压.92.3.4装框. 92.3.5 测功率. 102.3.6清洁.10第三章 系统开发设计过程. 103.1 测试系统的工作方式.103.1.1 测试系统介绍.103

9、.1.2 测试系统工作流程.113.1.3 测试系统结构分析 113.2 测试系统的硬件组成.133.2.1 数据采集的原理.133.2.2 数据采集卡的选择.143.2.3 数据采集卡的驱动. 163.3 虚拟仪器的硬件平台.173.3.1虚拟仪器系统构成.173.3.2信号调理电路的设计.183.3.3数据采样电路.193.4虚拟仪器的软件平台193.4.1 labview软件介绍.193.4.1软件设计的层次结构 .213.4.2软件设计的程序结构.21第四章 性能测试系统的软件界面设计及流程.254.1 软件界面设计思想.254.2界面的显示.254.3 程序框图.26第五章结论展望.

10、 275.1 总结.275.2展望.27致谢 27 参考文献 281 前 言1.1 课题研究背景 1.1.1 人类面临的能源危机在 20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。这些化石能源本质上是数万年前甚至更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源矿藏。它们是古生物化石的特殊形态。经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已被消耗了相当比例。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。在21世纪初进行的关于世界能源储量数据

11、的调查显示：石油可开采为 39.9 年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227 年，可见，化石能源的可开采量已经是屈指可数了。1.1.2 太阳能的特点及开发利用太阳能可以不分地域辐射到地球的每一个角落，从而成为 21 世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。太阳直接辐射到地球的能量丰富、分布广泛、可以再生，不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础，不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重

12、大战略意义。太阳能具有以下几个主要特点：（1）与人类历史相比具有长得多的寿命，所以对人类来说几乎是无限的能源；（2）太阳能极其丰富，30分钟辐照到地球的能量就够全世界一年的能源消耗；（3）太阳能是绿色环保能源，不会造成公害；（4）在使用现场就能从太阳光获得能量。1.2 光伏产业发展(1)世界太阳能电池产量快速增长，最近5年的平均增长速度超过40%世界光伏发电产业自80年代以来得到了迅速发展，平均年增长率达到30%，近几年由于出现供不应求的局面，其发展更加迅速，成为全球增长最快的高新技术产业之一。进入21世纪，在欧洲、日本扶持政策的引导下，世界光伏发电技术和产业有了突飞猛进的发展。2006年底，

13、全球光伏发电产量超过 2500mw，2007 年年底的产量超过 3500mw，年增长速度超过了 40%，与 2000年相比增长了约 14倍。(2) 德、日、美依然是世界三个最大最主要的光伏应用市场2005 年全球安装太阳能电池组件 1460mw，比前一年增长了34%。德国安装837mw，比前一年增长了 53%，占世界安装量的57%；日本安装292mw，比前一年增长了14%，占世界安装量的 20%；美国安装 102mw，占世界安装量的 7%；欧洲其它地区安装 88mw，占世界安装量的 6%；世界其它地区安装 146mw，占世界安装量的10%。世界各国都在大力鼓励太阳能光伏产业的发展，竞相开发各种

14、光伏的新技术和新型光伏材料，每年全世界太阳能电池的产量都高速增长，太阳能在地面的应用非常广泛，主要集中在照明、通信、交通等领域。而光伏发电与建筑物的结合以及并网发电是当今光伏应用的新趋势。1.3 虚拟仪器的概述虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分,它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。作为虚拟技术的重要组成部分虚拟仪器(virtual instrument)是目前各国研究的热点之一。美国国家仪器公司(national instrument简称ni )于20世纪70年代中期提出虚拟仪器的概念。虚拟仪器是以计算机作为仪器的硬件支撑,充分利用计算机独具的运算、存储、调用

15、显示及文件管理等智能功能,把传统仪器的专业化功能软件化,使之与计算机结合起来融为一体,这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统仪器相同,同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。传统仪器通常由信号的采集,信号的分析,信号的输出3部分组成;虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。 1.4 本文研究目的光伏发电是通过太阳能电池实现光电直接转换的过程，是太阳能开发利用的重要途径之一，在世界范围内受到高度重视。我国光伏发电市场需求旺盛，光伏发电系统被应用在多个领域。目前大多的太阳能组件测试系统多为人工施加负载，很难求出太能能电池组件的最佳功率点，也不能自动画出太能能电

16、池组件的i-v曲线，也不能随着温度、光强、光谱的变化而自动修正到标准状态。 本文所设计的基于虚拟仪器下的太阳能电池组件测试平台利用了反向偏压电子负载的形式，可在脉冲氙灯闪光的极短时间内同时测出多个点的电压、电流值，并且给出太阳能电池组件由实时数据修正到标准状态下的电池的功率。电流-电压关系曲线(i-v曲线)在工程科学中是极其重要而又常用的关系曲线，尤其对于太阳能电池的研究。随着虚拟仪器技术的迅速发展，有必要建立一个基于虚拟仪器的太阳能电池性能测试技术平台。本论文研究内容主要是利用多功能数据采集卡建立一个太阳能电池性能测试平台，对太阳能电池性能参数进行测试，以此来分析太阳能电池的工作特性，在此过

17、程中实现通过labview软件编程对数据采集卡的控制及数据采集卡的驱动等。利用labview以及其它相关软件对所测试数据进行分析处理，完成数据采集、参数设置、数据显示及存储等功能。通过labview软件的数据处理功能，对太阳能电池功率的范围对组件进行标定。2 太阳能组件的生产工艺2.1 太阳能电池的工作原理2.1.1 太阳能电池等效电路太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以p型硅和n型硅对外部来说是电中性的。当p型材料和n型材料相接，将在晶体中p型和n型材料之间形成界面，即一个p-n结。此时在界面层n型材料中的自由电子和

18、p型材料中的空穴相对应。由于正负电荷之间的吸引力，在界面层附近n型材料中的电子扩散到p型材料中，并且将在原子作用力允许范围内，与p型材料中的电子缺乏实现平衡。与此相反，空穴扩散到n型材料中与自由电子复合点。太阳能电池在无光照时，在界面层附近的相反的空间电荷相互作用，使载流子的继续交换停止。如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能在p型硅和n型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对层面层附近的电子和空穴对在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的n区和空穴向带负电的p区运动。通过界面层的电荷分离，将在p区和n区之间产生一个向外的可测试的电压。

19、通过光照在界面层产生的电子-空穴对愈多，电流愈大。界面层吸收的光能愈多，界面层即电池面积愈大，在太阳能电池中形成的电流也愈大。 图2-1太阳能电池等效电路如图2-1当光照射太阳能电池时，将产生一个由 n 区到 p 区的光生电流iph,同时由于 pn 结二极管的特性，存在正向二极管电流id,此电流方向从 p 区到 n 区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流i为： i=iph-id=iph-io(expqud/ akt-1) (2-1)2-1式中ud为结电压,io为二极管的反向饱和电流,iph为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳能电池的结构和材料的特性决定的，id为暗电流，所谓暗

20、电流值的是太阳能电池在无光照时，由外电压作用下 p-n 结内流过的单向电流点。它的大小反映出在当前环境温度下，太阳能电池 p-n 结自身所能产生的总扩散电流的变化情况。a 称为理想系数，是表示 pn 结特性的参数，通常在 12 之间，q 为电子电荷，k 为波尔兹曼常数，t为温度。如果忽略太阳能电池的串联电阻rs，ud即为太阳能电池的端电压u，则式（2-1）可写为： i=iph-id=iph-io (expqu/ akt-1) (2-2)当太阳能电池的输出端短路时，u=0，由式（2-2）可得到短路电流:i sc= i ph (2-3）即太阳能电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比，当太

21、阳能电池的输出端开路时，i=0，由式（2-2）和（2-3）可得到开路电压uoc=nkt/qln(isc/io+1) （2-4）无光照下的硅型太阳能电池的基本行为特性就类似于一个普通二极管，i为太阳能电池输出的负载电流,ish为电池的短路电流，所谓短路电流是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出短路时流过太阳能电池两端的电流。v 为电池的开路电压。r为电池的外负载电阻，rs为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻和金属导体电阻等组成。rsh为并联电阻，它主要是由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的 p-n 结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成

22、。 由上述定义，可列出太阳能电池等效电路中各变量的方程式如下： i=iph-id-ish （2-5）而id = io (exp qud/ akt-1) iph =(v+irs)/ rsh,ud=v+irs,则i= iph - io exp q(v+irs)/akt-1-(v+irs)/rsh （2-6）其中i o为反向饱和电流，q电子电荷,k是波尔兹曼常数，t绝对温度；a为p-n 结理想因子。2.1.2 太阳能电池的负载特性负载特性在光伏发电系统中占有非常重要的地位。一方面，因为太阳能电池板特性导致光伏发电系统的负载特性比较软，容量稍大的负载启停将直接对光伏发电系统的输出造成较大的冲击，使得工

23、作点有较大的波动，严重时，造成负载不能正常启动。另一方面，负载工作点很难精确地与太阳能电池板输出的最大功率点匹配，需要对负载加以调整，以实现光伏输出最大功率。太阳能电池接上负载 r 时，所得的负载伏-安特性曲线如图2-2： 负载 r可以从零到无穷大。当负载rm使太阳能电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率p m为 p m= im*vm （2-7）式中i m和v m分别为最佳工作电流和最佳工作电压。将v oc与i sc的乘积与最大功率p m之比定义为填充因子 ff ，则ff =pm/vocisc=vmim/vocisc （2-8）ff 为太阳能电池的重要表征参数， ff 愈大则输出的功率愈高。

24、 ff 取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。太阳能电池的转换效率 定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能pin之比即= pm/pin100% （2-9）图2-2太阳能电池的伏安特性曲线2.2 太阳能电池模块测试系统的硬件组成(1)闪光模块闪光模块包括高压脉冲氖灯、水/硫酸铜水套和凹面镜高压脉冲氖灯发出光的波长范围是200 nm500m,太阳光的波长范围是100 nm750m,所以高压脉冲氖灯发出的光接近太阳的光谱。太阳光经过大气层衰减后照到地球上,其衰减系数与距离成e的指数关系,而水/硫酸铜水套对光的衰减也与距离成e的指数关系,通过调整距离使其过

25、滤产生的光谱等效于15大气质量时所产生的光谱。使用球面的凹面镜可以把线性脉冲氖灯发出的光线变成垂直的平行光照射到被测太阳能电池模块的表面上。(2)光强设定模块光强设定模块输出010 v模拟信号传给软件,软件把它转换010 kv的实际充电电压,并把这个电压通过充电电路传给储能电路,它的调整通过面板上的数字按钮实现。(3)脉冲形成模块脉冲形成模块使用集总电路延时线概念以得到宽而平的光脉冲。延时线含有电感器和电容器的梯形网络,梯形网络的阻抗与氖灯管匹配以便将最大的能量传给氖灯。脉冲形成电路由高压延时电路初始充电,当气体被氖灯电离时就存在一个导电通路,脉冲形成电路可通过此电路放电。(4)安全互锁模块安

26、全互锁模块可保证操作人员的安全及氖灯的良好运行,若系统的门是开着的或电容器未充电,则阻止测试。(5)反向偏压模块反向偏压模块由两级推换放大器组成,推换放大器由两组平衡晶体管组成,它按偏压模型设定值驱动。反向偏压模型的确立是反向偏压负载的关键,为此,先确立太阳能电池等效电路模型。2.3 太阳能组件生产工序太阳能由电池片并不是刚开始就可以利用的，它还要经过几个工序形成太阳能组件才可以被人们使用，在这个过程中要经过焊接，敷设，层压，装框，测功率，清洁几个工艺流程，下面详细的介绍了这几个流程。2.3.1 焊接(1)原材料:电池片 焊带 电池片:是焊接的对象,起到发电的作用焊带:把每片小功率的电池片连接

27、起来,起到导电的作用.(2)焊接的步骤:(a)拆电池片包装：美工刀刀口向外，挑开胶带纸。取出电池片，用美工刀轻轻划出#字型，撕开电池片的外层塑料包装，注意电池片四角。(b)焊接前准备：穿好工作服、工作鞋，戴好口罩、工作帽、手套和指套；(c)清洁加热台，将异物清理干净；(d)打开加热台和电烙铁的开关，设定好指定温度，直到达到指定温度；(e)右手拿电烙铁，左右一次只能拿一片电池片，再用右手的拇指和中指取一根焊带，将焊带平放在主栅线上，按照电池片型号，从第n根细栅线将焊带焊接在主栅线上，注意电烙铁一定要托至尾部，能全部覆盖主栅线的白色部分。(3)焊接注意点：焊接时减少停顿的动作，不要有虚焊，焊接时轻

28、拿轻放,动作柔和.作业过程中无电池片引起的声音;不允许对电池片有“冲”“洗”“晃”动作。拿电池片(串)时必须拿主栅线中间位置。2.3.2 敷设 (1)敷设前的准备； (a)打开敷设工作台照明及烙铁焊接台开关。将电池串运转盒平方在敷设台指定位置 ；(b)取一块钢化玻璃，用防静电离子吹尘枪对其表面进行全面喷吹，确保无碎屑异物后，两人将钢化玻璃同时垂直抬起；(c)将钢化玻璃轻放在敷设台上，对其进行外观质量检查，确认合格后铺上eva，把两个敷设工装分别平行放在玻璃两个短边对齐位置，将不合格的玻璃放在不合格品区域 ；(d)两个人轻轻拿起电池串两头的电池片（有的使用吸盘），同步提起再放到eva上，电池串按

29、极性要求摆放；(e)调整电池串位置和间距；(f)检查电池片是否有碎片，虚焊漏焊、焊带偏移，夹杂异物的现象，如有，对不合格的电池片进行返修；(g)定好汇流条位置，用镊子把焊带压在汇流条上，用烙铁将之焊接牢固；在把需要互相连接的汇流条按工艺要求焊接牢固、焊接完毕后拿掉敷设工装；(h)电池传间用胶带黏住-贴小料-铺设eva-铺设tpt-tpt与钢化玻璃间用胶带黏住-进行功率检测-抬至指定区域，给层压使用。(2)工艺要求:(a)eva,tpt要卷；(b)放电池串时要保证串联；(c)电池串行间距2+2/0mm；(d)汇流条焊在焊带的下面,焊带与汇流带的接触面积必须大于4平方毫米；(e)胶带要刮实,无气泡

30、 长度1-1.5cm；(f)烙铁温度 370-380度；(g)玻璃,背板的毛面对电池片,eva光面对电池；(h)抬组件时用手托玻璃面,大拇指不能压在背板上,保持组件不倾斜。2.3.3 层压 (1)层压概念组件层压:将敷设好的电池板放入层压机内,通过抽真空将组件内的空气抽出,然后加热使eva熔化将电池片,玻璃和背板粘接在一起;最后冷却取出组件.层压温度:对应着eva的固化温度。(2)层压过程(a)将层压机加热到一定的温度大约140度；(b)上料：层压人员将敷设完的组件抬至层压机（玻璃面在下），一般以4块为一单位，盖上不粘布（最好使用撒网式，若用滚的，切记两人须把滚筒提起，小心压坏组件）；(c)进

31、料；(d)抽真空大约5分钟；(e)层压大约12分钟；(f)开盖充气大约60秒。(3)层压机的作用把这些物质压合在一起，并要求压合后，达到目的压后无气泡,相融物质要融为一体,无法相融物质间要有一定的粘结强度。为了达到这个目的，必须具备以下条件：(a)抽真空时莱宝表显示的压力在规定范围内；(b)层压上室充气第一阶段上室压力恢复到稳定时所需要的时间要在范围内；(c)下室充气下室压力到达稳定时所需时间在范围内。(4)层压注意点:层压机的上室压力与下室压力 层压机突然断电时，要进行手动层压。 2.3.4装框(1)检查待用铝合金边框，将不合格的铝合金边框用色笔做标识，并注明不合格的原因至定置区存放，将合格

32、的铝合金边框放上打胶工作台，依次整齐排开，检查边框；打胶处凹槽，如有异物应用吹尘枪吹干净；(2)打胶前用美工刀在硅胶筒螺口上端切个平口，并在喷嘴的适当位置切一个和喷嘴体成45度角的斜口，把硅胶筒装上喷嘴，再装上气压枪，旋转气压枪调节钮将单位出胶量调节至合适大小；(3)打胶时右手紧握气压枪柄，使喷嘴口对准边框凹槽。从左到右均匀地往凹槽打入适量硅胶；(4)用装框机将边框装好（俩人配合将层压后的组件抬至装框台，先装长边框，后短边宽）；(5)装接线盒，将小料上露出的4根引线端插入接线盒。2.3.5 测功率机器的电源电路，测试夹具鳄鱼夹（红正黑负）、测试台体与计算机通信电缆连接正确，打开测试台箱体侧面的

33、电源开关，擦干净测试台面，保持测试台面的清洁打开计算机，打开相关软件，进入太阳电池参数测试，设置相关数据准备测试电池组件。贴铭牌和实时打印功率标签，a、b类组件分开放置。每隔2小时对标准组件进行测试测试的数据与原始数据进行核准，若测试数据与原始数据基本一致1.5w以内，确认测试仪工作状态正常，即可将太阳能电池组件进行调试。2.3.6清洁(1)打开总电源；(2)组件测试好后，沿导轨传送到传送带上面，平移放好。操作人员离开光电开关范围，组建会自动向后移动；(3)等组件移动清洁相对位置后，清洁人员挡住光电开关，传送带停止，移下组件；(4)工作结束后，关闭总电源。 3 系统开发设计过程3.1 测试系统

34、的工作方式 3.1.1 测试系统介绍(1)测试系统包含以下三个方面：(a)测试和采集就是对客观事物某一现象或过程的物理、化学和生物参数进行测试、采集、显示和记录。这些任务需要各种各样的测试装置和数据采集硬件系统来完成。本文需要对太阳能电池的短路电流、开路电压及工作点特性参量进行测试和采集。(2)控制对相应的硬件设备进行控制，使其在相应指令的操作下实现和执行各种控制功能。(3)计算机管理和操作现代的测试、数据采集和控制系统都是在计算机的管理和操作下进行工作的。因此，测试系统通常都配置有相应的计算机外设。测试系统主要是由计算机和外围输入和输出通道组成。输入通道接受和采集来自各种外部环节送来的各种信

35、号和信息，经过计算机的分析、判断、计算和处理，然后通过输出通道发出各种控制信号和命令、以完成预定的测控任务，包括对各种测控系统硬件的驱动、诊断和对被测数据进行处理以后的数字、图标、图像、图形和文件的形式显示、记录和打印，对受控过程或试验对象以某种规律进行控制，上述这些任务需要驱动、诊断和处理软件以及算法软件来完成。这些软件是运行在计算机上的测试系统软件。为了能及时、准确的完成测试任务，测试系统应具备下述基本功能：测量和采集模拟输入信号的功能；接受数字信息的功能；模拟信号输出功能；采集数据的存储、显示和记录功能：数据回放、处理、提供图标和报告的功能。3.1.2 测试系统工作流程测试系统的工作流程

36、为:第一,将传感器测量被测信号转换为电量信号。第二,信号处理电路将传感器输出的电量信号进行整形、转换、滤波处理,变成标准信号。第三,数据采集卡采集信号处理电路的电压信号,并转换为计算机能处理的数字信号。第四,通过设备驱动程序,数字信号进入计算机。第五,在 labview 平台下,调用信号处理子模板,编写仪器功能流程、功能算法,设计虚拟仪器前面板。第六,形成具有不同仪器功能的应用程序。 图3-1测试系统连接图测试系统各部分工作方式如下：(1)测试系统中的测试对象为太阳能电池在各个不同光照下的开路电压 ，短路电流及在不同负载情况下的工作电压、电流。(2)采集控制系统包括 pci-6221 数据采集

37、卡，pci-6221 数据采集卡的数据采集是建立在基于 pci 总线的 pc-daq 数据采集系统。(3)测试信号经过 a/d 转换，将模拟信号转换成为计算机能处理的数字信号，再经过设备的驱动程序，将数字信号送入计算机，利用计算机实现数据的存储、分析和处理。系统中硬件只是用于实现信号的调理和输入输出，而利用编写的软件可以实现以前许多由硬件才能完成的功能，如数字、波形显示等，另外还可以利用本身的软件功能实现信号的数据运算、分析、处理等功能。通过改变软件就可以使系统很方便的适应不同测试的要求。3.1.3 测试系统结构分析(1)测试系统的结构 基于虚拟仪器的性能测试系统结构一般分为 4 层：(a)测

38、试管理层；(b)应用程序开发层；(c)仪器驱动层；(d)1/0 总线驱动层。虚拟仪器的发展随着微机的发展以及采用的总线方式的不同，分为六种虚拟仪器系统：pc 总线插卡型虚拟仪器系统；gpib 总线方式的虚拟仪器系统；vxi 总线方式的虚拟仪器系统；pxi 总线方式的虚拟仪器系统；并行式虚拟仪器系统；串行口虚拟仪器系统。在本文中所研究的是基于 pc 总线方式的性能测试系统。在 labview 集成开发环境中测试系统的应用层完成数据的处理、存储，系统的各种应用，硬件驱动层完成对硬件的驱动来进行数据采集或控制。性能测试系统应满足测试任务描述、测试过程控制及测试结果处理三个方面的要求：(2)测试任务描

39、述测试系统应提供形式化的描述语言以描述测试应用组成及功能需求，同时提供可视化的操作方式实现对测试应用的形式化描述。(3)测试过程控制与管理测试系统应能实现由测试任务描述提供的测试应用的具体实现，完成测试程序代码的生成，实现对测试任务资源的配置及管理，并在测试任务执行过程中提供对测试任务的控制与管理。(4)测试结果处理测试系统应提供对测试结果的处理操作，包括：测试结果的分析、测试结果的存储和测试结果的图形化处理等。(5)测试系统组成(a)测试控制部分测试控制部分主要对 pci-6221 数据采集卡的控制。(b)信号采集部分通过 labview 软件平台编写采集程序，实现将被测电路的模拟信号转化为

40、计算机能够处理的数字信号。(c)数据处理部分对太阳能电池的特性进行测试后需要对所得数据进行分析、处理，系统的数据处理部分包括测试数据显示，电池特性的分析，对所测数据的拟合等，能够实现对所测信号的存储及处理。 基于虚拟仪器的光伏发电性能测试系统是在实验室的情况下，对测试对象的某一现象及过程的各参数进行测试、采集、显示和记录。这些任务需要各种测试装置和数据采集硬件系统来完成。根据数据分析来验证数据的精度是否满足相关产品的技术要求。基于虚拟仪器的性能测试系统需求分析如下：(a)易用性性能测试系统有良好的人机交互界面，操作人员可以简单方便的使用测控系统平台。(b)通用性性能测试系统平台可以满足大部分种

41、类的数据采集卡进行数据采集。(c)模块化系统的构成要素是模块化的，同时各模块之间的接口是标准化的，要最大限度地满足特殊的应用要求。软件采用模块化的设计方法，方便功能模块的添加和删除。(d)开放性基于虚拟仪器的测试系统可以移植入几种通用的编程语言。例如：c，vc，matlab，microsoft access。(e)可维护性在使用不同种类的数据采集卡时只需改变相应的数据采集子模块，所以性能测试系统应具有较好的可维护性。 3.2 测试系统的硬件组成系统硬件部分是整个测试试验的基础。本文所研究的太阳能电池性能测试系统的硬件包括基础硬件和外围硬件，系统的基础硬件平台选用 pc 机平台，作为硬件系统的核

42、心，集中控制总成的信号采集、分析处理、数据存储、打印输出；外围硬件则主要实现信号的采集与处理功能，它包括用于本测试系统信号调理电路、多功能数据采集卡和各种计算机内置卡槽等。3.2.1 数据采集的原理在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。 实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。假设现在对一个模拟信号 x(t) 每隔 t 时间采样一次。时间间隔 t 被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数 1/ t 被称为采样频率，单位是采样数 / 每秒。 t=0, t

43、,2 t ,3 t 等等， x(t) 的数值就被称为采样值。所有 x(0),x( t),x(2 t ) 都是采样值。这样信号 x(t) 可以用一组分散的采样值来表示： x（0），x( t),x(2 t),x(3 t),.,x(k t),，显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是 t ，注意，采样点在时域上是分散的。如果对信号 x(t) 采集 n 个采样点，那么 x(t) 就可以用下面这个数列表示：x=x0,x1,x2,x3,.,xn-1这个数列被称为信号 x(t) 的数字化显示或显示。 根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而

44、不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（ alias ）。 出现的混频偏差（ alias frequency ）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（ fs/2=50 hz ）的信号可以被正确采样。而频率高于 50hz 的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了 30 、 40 和 10 hz 的畸变频率 f2 、 f3 和

45、 f4 。计算混频偏差的公式是： 图3-2 混叠的例子混频偏差 abs （采样频率的最近整数倍输入频率） （3-1） 其中 abs 表示“绝对值”，例如：混频偏差 f2 =|100 70| = 30 hz；混频偏差 f3 = |(2)100 160| = 40 hz； 混频偏差 f4 = |(5)100 510| = 10 hz；为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（ a/d ）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图3的例子中，这个滤波器的截止频率自然是 25hz 。这个滤波器称为 抗混叠滤波器采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频

46、率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数 据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用510倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如 fft 等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有510个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数 的。这里又发生一个困难，有时我们并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。我们 所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数 x(n) 和采样频

47、率。这是我们测量与分析的唯一依据。3.2.2 数据采集卡的选择一般情况下,数据采集系统( daq)硬件设备的基本功能包括模拟量输入 ( a/d)、模拟量输出( d/a)、数字( i/o)和定时( timer)/计数( counter)。数据采集卡由多路开关、放大器、采样/保持器、a/d 转换器组成。表示数据采集的结构。在数据采集之前,程序将对采集板卡初始化,板卡和内存中的 buffer是数据采集存储的中间环节。采集卡都有多个模入通道,但共用一套 a/d ,在 a/d 之前有一个多路开关以及放大器、采样保持器等。通过这个开关的扫描切换,实现多通道的采样。多通道的采样方式有 3 种:循环采样、同步

48、采样和间隔采样。随着计算机技术的发展，越来越多的工程师采用基于 pc 系统的数据采集系统来完成各种测试测量任务。在通用计算机和数据采集卡设备的基础上建立起来的虚拟仪器具有良好的功能扩展性。数据采集卡是实现将测试信号从模拟信号变成计算机能接受和处理的数字信号功能的硬件。对数据采集卡的选择，要注意数据分辨率和精度、采样速度、通道数、数据总线接口类型等方面来综合选择。(1)采样频率采样频率指单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数，是数据采集卡的重要技术指标。采样频率高，就能在一定时间获得更多的原始信号，对信号的数字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度就很差。(2)数据分辨率和

49、精度分辨率是 a/d 转换所使用的数字位数。分辨率越高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越小。例如，3 位模数转换把输入范围细分为 2 的三次方，即 8 份，二进制数从 000 到 111 分别代表每一份。如果把分辨率增加到 16位，模/数转换的细分数值就可以从 8 增加到 2 的十六次方，即 65536，它就可以更准确地表示原始信号。(3)模拟输入通道数表明数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。(4)量程指 adc 能够量化处理的最大、最小输出电压值。daq 卡提供了可选择的输入范围，它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。在本设计中对数据采集卡的要求有：(a)多路的模

50、拟输入； (b)合适的量程；(c)较高的性价比。本系统采用的是基于 pci 总线的 pc-daq 数据采集虚拟仪器系统。pci 总线构成的 daq 数据采集设备它是一种将仪器仪表设计成为 pc 机的 i/o 插卡，直接插入计算机的 i/o 扩展槽中，这样可将不同仪器仪表集成于一个系统；大大降低成本。典型的系统是以 pc 机为基本框架平台，将存储器、逻辑分析仪、任意函数发生器、数字万用表、示波器、频率计以及各种类型的专用器件、仪器等针对要求进行功能优化而集成为一块块的一起插卡，直接插入 pc 机的 i/o 扩展槽中，由此而组成具有多种功能的集成化仪器仪表。经过选择，系统采用的是 ni 公司的 p

51、ci-6221 多功能数据采集卡。pci-6221 是基于 pci 总线的数据采集板卡，pci 总线是一种同步的独立于 cpu的 32 位或 64 位局部总线。基于 pci 总线的数据采集板卡比 isa 板卡的数据采集率高，其数据传输率高达 132264mb/s，并且 pci 板卡同时还提供即插即用功能。具有 dsp 芯片的高效 pci 板卡可进一步提高总线处理能力。pci-6221 数据采集卡可直接插入计算机主板的扩展槽中，通过 a/d 转换，可将模拟信号采集输入计算机进行数据处理和分析显示，也可通过 d/a 转换实现反馈控制，根据需要还可加入信号调理和实时数字信号处理等硬件模块。图3-3

52、pci-6221 多功能数据采集卡它采用了常见于其他 m 系列设备的技术，包括用于高级设备定时和数字 i/o。同时 ni-pgia2 技术可显示快速精确的多通道扫描。而 ni-mcal 校准技术能将测量精度提高 5 倍，ni 的 pci-6221 在设计、测试和控制应用中进行数据采集提供了高性价比的解决方案。采集卡附件包括一条 68 芯的数据线，一个型号为 cb-68lp 的转接板，转接板直接与外部信号连接。pci-6221 卡的基本参数：(a)10 条数字 i/o 线,32 位计数器,数字触发；(b)关联（correlated）dio（2 条时钟线，1mhz）；(c)另有 5 倍采样速率的高

53、速 m 系列和 4 倍分辨率的高精度 m 系列可供选择；(d)包括 ni-daqmx、vilogger liter 数据记录软件和其他测量服务；(e)最大输入电压范围（-10v+10v）；(f)2 路 16 位模拟输出（833ks/s）；(g)16 路 16 位模拟输入（250ks/s）。pci-6221 数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字 i/o、计数器/计时器等。模拟输入是采集卡最基本的功能，它一般有多路开关（mux）、放大器（amplifier）、采样保持电路（s/h）以及模数转换器（adc）来实现。一个模拟信号通过上述各部分后可以转化为数字信号。adc 的性能和参数直接影响着采