基于labview的太阳能电池测试系统

1 CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目 ： 基于 labview 的太阳能电池测试系统二级学院： 光电工程学院专 业： 测控技术与仪器 班级： 10 测控 Y1 学生姓名： 居伟 学号： 10123311 指导教师： 郭杰 职称： 讲师评阅教师： 职称：2014 年 6 月摘要2 基于 labview 的太阳能电池测试系统的研究摘 要世界经济发展、常规能源供给危机以及环境保护等问题使得太阳能技术得到世界广泛的关注。相应的，太阳能电池产业进入了快速增长期，太阳能电池技术也得到不断发展。因此， 作为太阳能电池及其相关产品的生产、 研究过程中的重要设备， 高性能太阳能电池测试系统的研制有着十分重要的意义。本文介绍了在世界能源危机日趋严重的背景下，太阳能的．丌发利用现状，光伏发电技术的现状和前景， 包括世界其他国家的光伏技术发展以及中国光伏技术的发展和不足。 简单地介绍了光伏电池的种类， 以及随着光伏电池技术的发展，其在各行各业的应用。 对光伏电池的结构和原理进行了深入的研究， 以及光伏电池的工作状态进行了分析， 从光伏电池的伏安特性到功率匹配， 以及影响光伏电池的一些性能参数进行了分析研究。 介绍了虚拟仪器技术， 包括其特点和传统仪器的比较， 以及其硬软件的构成。 以虚拟仪器技术为基础， 构建了一整套光伏电池检测系统。 介绍了检测系统的总体设计， 包括系统的硬件构成和选择， 以及对虚拟仪器的软件平台 LabVIEW 进行设计。按照功能模块设计理念对光伏电池检测系统软件部分进行设计， 整个系统包括数据采集模块， 数据处理模块， 数据存储模块，以及特性分析模块。在对系统的软件设计过程涉及到了子函数的调用，以及动态链接库的应用。在软件 LabVIEW 的界面上实现了对光伏电池性能参数进行显示和分析。本文采用软硬件结合构建了一个光伏电池检测的虚拟仪器系统： 按照虚拟仪器技术构建了系统的硬件系统和软件系统。以虚拟仪器技术的软件平台一一LabVIEW 软件为基础开发系统的界面。界面清晰明了，操作简单，具有很好的人机交互界面。 能直观地了解光伏电池的性能指标。 系统采用了功能模块的设计理念，和多界面显示。整个系统运行稳定、成本低、使用方便，具有较高的实用价值。 对光伏电池检测的效率有很大的提高。 整个系统分为硬件系统和软件系统。硬件由温度传感器，数据采集卡等构成。软件 LabVIEW 设计了三个界面，包括启动界面， 数据采集界面和特性分析界面。 其中数据采集界面负责数据采集参数的设定，以及对采集到的数据进行处理和保存。特性分析界面是系统的核心，LabVIEW 具有强大的函数功能，通过编程实现了对采集的电流电压信号实现伏安特性曲线和功率特性曲线进行直观显示， 并通过界面上的光伏电池的面积和光照强度的设定， 实现了光伏电池的各性能参数的显示。 通过对该系统的运行调试，成功地采集到了所要采集的电流电压和温度信号。 在特性分析界面上成功的显示了伏安特性曲线，功率特性曲线，开路电压，短路电流，以及最大功率，最大功1 率时对应的电流电压，转换效率，填充因子，光伏电池的串并联电阻，和电池的工作温度。 系统对光伏电池的性能参数分析显示比较全面， 是一个很好的检测系统。操作简单，界面清晰，对光伏电池检测具有重要的利用价值。关键词 ：光伏发电，虚拟仪器，数据采集， LabVIEW Abstract4 Abstract Renewable energy technologies range from the well established, such as hydropower, to the emergent, such as a wind-solar hybrid system. Each technology has its own individual instrumentation requirements to measure and control system variables. National Instrument’ s LabView? data acquisition hardware and software module has become one of the most widely used tools to capture, view, and process controls, instrumentation, and power system data both in academia and the industry (Franz, 2003, and Travis,2002). This paper describes a LabView?based real time data acquisition and instrumentation of a 1.5 kW wind-solar hybrid renewable energy system. The wind-solar power generation station is used as an instructional resource for teaching renewable energy concepts to Industrial Technology students at the University of Northern Iowa (UNI). The addition of the new LabView?module to the system provides the much needed real time information on the system variables, such as wind speed, wind direction, dc power, ac power, ac/dc voltages and currents. This real-time data acquisition system is being used extensively to provide the students a hands-on laboratory experience related to electrical, electronics, and instrumentation. In this paper, discussions on many aspects of data acquisition, instrumentation, interfacing, and programming are based on an existing 1.5 kW wind-solar hybrid power station at the University of Northern Iowa.Abstract5 目录第 1 章 绪 论 . 71.1 太阳能电池测试系统研究的目的及意义、国内外研究现状 . 7 1.1.1 研究的目的及意义 . 7 1.1.2 课题的国内外研究现状 . 7 1.2 论文的设计任务及拟完成的主要工作 . 8 1.2.1 设计任务 8 1.2.2 设计完成的主要工作 8 第二章太阳能电池测试系统及其特性 9 2.1 太阳能电池的原理 . 9 2.1.1 太阳能电池的结构 . 9 2.2 太阳能电池组件 I-V 特性和测试原理 10 2.2.1 太阳能电池组件 I-V 特性 102.2.2 日照强度对 I-V 特性的影响 . 11 2.2.3 太阳能电池 l-V 特性的测试原理 . 11 2.2.4 可变功率电阻器现场测试方法 122.3 光伏电池的检测参数 13 第三章硬件平台的搭建 . 14 3.1 系统基本工作原理 14 3.1.1 工作原理 . 14 3. 2 数数据采集系统 14 3.3 系统硬件设计 . 15 3.3.1 数据采集卡 15 3.3.2 传感器的选择 16 3.3.3 日射强度计 17 3． 4 系统软件总体设计 18 3.4.1 软件设计流程图 19第四章 ：测试系统的软件设计 . 20 4.1 LabVIEW 软件介绍 . 20 目录6 4.1.1 LabVIEW 具有以下特点 20 4.2 软件模块功能划分 21 4.2.1 电压信号输出模块 . 21第五章 系统界面功能介绍及结果显示 . 24 5.1 系统的启动界面 . 24 5.2 数据采集采集界面 25 5.3 特性分析界面 26 5.4 特性曲线的显示 28第六章 总结 . 31 致谢 32 参考文献 33 目录7 第 1 章 绪 论1.1 太阳能电池测试系统研究的目的及意义、国内外研究现状1.1.1 研究的目的及意义随着经济的发展、 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。 在人口的快速增长和工业化程度不断提高的背后， 环境污染问题正在成为继能源短缺后的第二大问题。 面对日益严峻的能源和环境问题， 人们已经清醒的意识到， 仅靠现有的矿产资源来满足不断扩大的能源需求， 只能恶化能源危机和加速对环境的破坏， 对社会的积极发展、 人类的生存环境都会产生巨大的消极作用。 一次目前能源的发展战略首要任务是调整能源现有结构， 要寻求一种新的能源来替代越来越紧缺的矿物能源。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。因此， 太阳能的利用越来越受到人们的重视， 如何对太阳能电池进行有效监测与管理， 从而能更加合理的利用太阳能资源，就显得非常迫切和重要。1.1.2 课题的国内外研究现状随着各国对资源、 环境、 能源等问题的认识日益加深， 太阳能光伏发电越来越得到各国的认同， 越来越多的资金和人力投入到了对光伏发电的研究中来， 相应的对光伏产业的扶持政策也纷纷出台。 各国政府纷纷采取措施， 刺激太阳能工业的发展， 倾向于将研发资助转向光伏技术的开发和商品化， 并且正在大力开发相应的太阳能产品， 积极鼓励本国人民利用太阳能。在欧美一些先进国家，目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品” ，这是一种将太阳能转换硅片密封在 （尤如夹层玻璃） 双层钢化玻璃中， 安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。 美国的 “光伏建筑计划” 、 欧洲的 “百万屋顶光伏计划” 。日本的“朝日计划” 以及我国已开展的 “光明工程”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮， 极大的促进了太阳能在新型建材产品中的应用。 近几年来， 国内光伏企业产能急剧扩张， 而且还在继续扩张， 导致企业竞争加剧。 原材料的短缺及其价格的高企已经对一些企业构成了威胁， 但随之而来、 更为严峻的考验还有市场。 太阳能光伏产品的市场主要取决于发电成本，成本能降下来，则有着无限广阔的前景。要降低发电成本， 大规模、新技术、高质量是企业发展的必由之路点。目录8 因此，本课题将着重研究一种基于 LabVIEW的太阳能电池测试系统。1.2 论文的设计任务及拟完成的主要工作1.2.1 设计任务利用虚拟仪器仪器技术，设计一个太阳能电池测试系统，主要实现在一定太阳光 ( 或模拟光 ) 照射下，对单路和多路太阳能电池组件 I-V 特性曲线进行绘制，同时能计算开路电压、 短路电流以及填充因子等参数并可保存； 此外， 能够对现场环境温度和日照光强信号进行记录，进而实现对不同倾角、 不同负载、 不同气温、不同光照条件下太阳能电池系统发电的效率研究；完成开题报告、外文翻译、说明书等相关资料 1 套。1.2.2 设计完成的主要工作本课题的目标是利用虚拟仪器仪器技术， 设计一个太阳能电池测试系统， 主要可分为两个方面的研究： 一是实现在一定太阳光 ( 或模拟光 ) 照射下， 对单路和多路太阳能电池组件 I-V 特性曲线进行绘制， 同时能计算开路电压、 短路电流以及填充因子等参数并可保存；二是对现场环境温度和日照光强信号进行记录，实现对不同倾角、不同负载、不同气温、不同光照条件下太阳能电池系统发电的效率研究。具体的工作内容包括：(1) 太阳能电池测试系统的总体构建与实施方案设计，按照太阳能电池测试系统的结构，分析系统的组成和硬件的参数以及性能，这些硬件包括：光伏电池板、光照强度计、万用表、可变电阻、电线。温度传感器和数据采集卡 (DAQ)，选择各软件模块，搭建一套基于个人计算机的太阳能测试系统测量平台，完成整个系统的整体设计。(2) 研究太阳能电池的结构和原理； 测量太阳能池输出特性： (a) 测量入射于太阳能电池的光强； (b) 测量太阳能电池的输出特性； (c) 计算电池的转换效率；(3) 太阳能测试系统的状态分析： (d) 电池的伏安特性曲线 (e) 功率匹配(4) 太阳能电池的检测参数： (f) 开路电压 (g) 短路电流 (h) 最大大输出功率 (i) 填充因子硬件系统设计9 第二章太阳能电池测试系统及其特性2.1 太阳能电池的原理2． 1． 1 太阳能电池的结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：图 2-1 图 2-1 中 正电荷代表硅原子， 负电荷代表围绕在硅原子周围的四个电子， 当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：图 2-2 图 2-2 中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子， 因为硼原子周围只有 3个电子， 所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成 P（ positive ）型半导体。同样，掺入磷原子以后， 因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成 N（ negative ）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。 N型半导体中含有较多的空穴， 而 P型半导体中含有较多的电子， 这样， 当 P型和 N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 PN结。当 P型和 N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区虚拟温度测量系统总体方案的10 域里会形成一个特殊的薄层 ) ， 界面的 P型一侧带负电， N型一侧带正电。 这是由于 P型半导体多空穴， N型半导体多自由电子，出现了浓度差。 N区的电子会扩散到 P区， P区的空穴会扩散到 N区，一旦扩散就形成了一个由 N指向 P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是 PN结。当晶片受光后， PN结中， N型半导体的空穴往 P型区移动， 而 P型区中的电子往 N型区移动，从而形成从 N型区到 P型区的电流。然后在 PN结中形成电势差，这就形成了电源。 ( 如下图 2-4 所示）图 2-4 2． 2 太阳能电池组件 I-V 特性和测试原理2.2.1 太阳能电池组件 I-V 特性理想状态下， 由 N个太阳电池或组件按 Ns个串联及 Np个并联而构成一个组件或阵列时， 其电压是单个电池或组件的 Ns倍， 而其电流是单个电池或组件的 Np倍， 假设其效率仍保持不变 ( 实际情况下效率会有所降低 ) ， 其特性曲线也作相应的增长。 所以要研究光伏阵列的特性，可以先从研究太阳电池的特性。图 2— 5 所示为表示太阳电池输出特性的，一巧和 P一巧曲线， 它们确定了某一日照强度和温度下的太阳电池的输出电流， ， 与电压以的关系， 包含了光伏阵列绝大多数的技术特性， 其中， 舯为输出端短路时的输出电流， ‰为输出端开路时的端电压，己为负载变化过程中可输出的最大功率。虚拟温度测量系统总体方案的11 图 2-5 太阳电池输出特性曲线2.2.2 日照强度对 I-V 特性的影响实际上， 太阳电池的温度是受日照强度影响。 为研究同照强度对太阳电池外部特性的影响，仅改变日照强度而保持其他条件 (如太阳电池温度和大气质量等 )不变。如图 2— 6所示，开路电压 V OC 随着日照强度 S 的变化而变化不明显，短路电流 I SC随日照强度 S有明显的变化。最大功率点功率尸埘随日照强度的变化也有明显的变化。图 2— 6 不同日照强度下的太阳电池特性2.2.3 太阳能电池 l-V 特性的测试原理在实际应用中， 有很多因素影响光伏阵列的伏安特性，如阵列的高度、倾角、电池板虚拟温度测量系统总体方案的12 的洁净程度、组合规则、 温度及日照强度等。 故要得到太阳电池阵列的实际工作特性， 需要对其进行现场测试。 由于阵列已经安装完成，在进行现场测试时， 可以假定除温度、 日照强度外的其它影响阵列特性的因素不变。 为了得到比较精确的阵列现场测试的数据， 需要选择合适的现场测试方法。2.2.4 可变功率电阻器现场测试方法可变功率电阻器现场测试方法是比较传统的光伏阵列伏安特性现场测试方法， 其测量原理图如图 2-7 所示。 将可变功率电阻作为光伏阵列的负载， 改变电阻器的值得到不同的工作点，通过电压、电流表来读取工作点对应的电压电流值。图 2-7 可变功率电阻器法测量光伏阵列伏安特性原理图1.短路电流的测量由光伏阵列的特性曲线可以看出， 在短路状态下， 光伏阵列的短路电流依然是稳定值，不会突变到无穷大，所以可以对光伏阵列直接短路来测量其短路电流。对应图 2— 8，先断开开关 S1， 再闭合开关 S2， 此时电流表上的值就是我们要测量的光伏阵列的短路电流。2.开路电压的测量同时断开开关 S1 和 S2，此时电压表上的的光伏阵列的开路电压。特性曲线的测量：断开开关 S2，闭合开关 Sl，然后调节可变电阻 Rv，读出相应的电压表和电流表的数值。通过不断地改变电阻 Rv，光伏阵列的工作点会随之不断改变，测量光伏阵列在一系列不同工作点下输出的电压和电流值， 就可以获得其输出特性曲线。 可变功率电阻器现场测试方法简单易于理解， 测试系统不需要额外的控制部分，电路十分简单。从理论上讲，这种方法可以简单稳定地获得所测太阳电池阵列的厶嘴性和特征参数。 但是它自身的局限性也使它的应用范围受到限制，主要有以下几点不足：（ 1）使用可变功率电阻器作为光伏阵列的负载，测量过程繁琐，一次完整的特性测量需要多次调节电阻值。由于必须手动调节电阻值，整个测量过程费时费力。（ 2）由于一次测量过程仅能在特性曲线上取得有限点数，很难获得所需要条件下的虚拟温度测量系统总体方案的13 准确数据， 使得特性曲线呈阶梯状变化，同时测量过程不连续， 持续过程较长，加之外界环境条件的不稳定性， 温度和日照强度在整个测量过程中可能会出现变化， 导致特性曲线出现较大误差。（ 3）当要测试的光伏阵列功率比较大时，就需要比较大功率的可变功率电阻器。大功率的可变功率电阻器体积和重量都较大， 对于野外、 远距离的现场安装测试是十分不便的。 特别的， 对于像太阳能光伏电站等的大功率光伏阵列， 一般很难找到足够大的可变功率电阻来测量。（ 4）测试结果是一组电压和电流数值，不直观。测试完成后还要进一步进行数据处理分析。故现场分析和测量光伏阵列发电工作特点时，一般不会采用这种方式。2.3 光伏电池的检测参数1.开路电压开路电压 U OC ，即将光伏电池置于 1000W ／ cm2 的光源照射下，在两端开路时，光伏电池的输出电压值。可用高内阻的直流毫伏计测量电池的丌路电压。(2)短路电流短路电流 I SC ，就是将光伏电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过光伏电池两端的电流。 测量短路电流的方法， 是用内阻小于 1 Q 的电流表接在太阳能电池的两端。(3)最大输出功率光伏电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的， 将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到光伏电池的伏安特性曲线。 如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号尸 m 表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号 U m 和 I m 表示 IUP mmm(4)填充因子光伏电池的另一个重要参数是填充因子 FF，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。硬件系统设计14 第三章硬件平台的搭建3.1 系统基本工作原理3.1.1 工作原理本测试系统主要由待测太阳能电池数据采集卡日照光强传感器温度计采样电阻以及安装有 LabVIEW 软件的计算机构成其中，日照光强传感器利用了太阳能电池短路电流受日照光强影响的关系，通过连接一块标准太阳能电池并监测数据采集卡采集的短路电流信号，计算得到日照光强模拟光源DAQPC测试平台温度测量光谱测量采样电阻待测电池图 3-1 太阳能电池测试系统硬件组成示意图3. 2 数数据采集系统数据采集 (Data AcQuisition， DAQ) 是从传感嚣和其他待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自己定义的测量系统。一个完整的 DAQ 系统包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等，如图 3-2 所示：虚拟温度测量系统总体方案的15 图 3-2 典型的基于 PC 的数据采集 (DAQ) 系统3.3 系统硬件设计本测试系统的硬件主要有一台电脑，数据采集卡 PCI-6024E，温度传感器，日射强度计，万用表，可变电阻、电线组成。3.3.1 数据采集卡根据数据采集的主要参数指标，本设计选择了美国 NI 公司生产的插入式数据采集板PCI-6024E。 PCI-6024E 为 NI 公司的 PCI 总线低价位数据信号采集卡， PCI 总线传输速度快，数据转换率高，可完成 16 路单端输入或 8 路差分输入， 12 位分辨率， 200kS/s采样率，最大输入范围 ± 10V，提供与 LabVIEW 连接的驱动程序。 PCI-6024E 如图 3-3 所示。其引脚图如图 3-4 所示。图 3-3 PCI-6024E 虚拟温度测量系统总体方案的16 图 3-3 PCI-6024 引脚图3.3.2 传感器的选择在温度检测系统中， 根据具体系统对传感器的选择很重要， 它是系统设计的第一步， 传感器的性能直接影响系统的性能。在本系统中，根据系统的设计要求选用温度传感器AD590。 AD590 是 AD 公司利用 PN 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型温度传感器． 这种传感器在被测温度一定时， 相当于一个恒流源． 该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性．即使电源在 5～． 10V 之间变化，其电流只是在 1 u A 以下作微小变化． AD590 产生的电流与绝对温度成正比， 它可使用的工作电压为4“--30V，检测的温度范围为一 55～ +150℃，它有非常好的线性输出性能，温度每增加 I。C，其电流增加 1 u A∞钔。 AD590 在应用时，是一个恒流源，它将温度值转换为电流值，而此系统在设计时将此电流值再转换为电压值． 它的调理电路如图 4-4 所示∞引， AD590虚拟温度测量系统总体方案的17 的输出电流 I=(273+T)1 ． t A(T 为摄氏温度 )，因此量测的电压 V 为(273+T) 10K． =(2． 73+T／ 100)V。为了将电压量测试出来又需使输出电流 I 不分流出来， 使用电压跟随器， 其输出电压 V 2 等于输入电压 V 。 由于一般电源供应较多元件之后，电源是带噪声的， 因此使用齐纳二极体作为稳压零件， 再利用可变电阻分压， 其输出电压V． 需调整至 2． 73V。 接下来使用差动放大器， 其输出 V。 为 (100K／ 10K)× ( VV 12 )=T／ 10V。图 3-5 传感器 AD590调理电路3.3.3 日射强度计日射强度计是为了测量太阳的辐射强度， 在不同的条件下测量需要记录下对应的辐射强度， 并把读数写入系统， 其值与光伏电池板的面积相乘就可以得到入射到光伏电池板上的太阳能量， 可以算出对应的光伏电池的参数。 系统采用的是 PMA2145日射强度计， 该日射强度计基于热电堆技术，确保了宽光谱灵敏度以及长期使用稳定性和光谱平坦性。PMA2145有 64 个热电偶结传感元件组成。 传感元件镀有基于非有机镀膜技术的高稳定碳，从而保证了卓越的光谱吸收以及长期稳定性。传感元件外层是两个同心 Schott K5 半球。同时 PMA2145外部有精密的光学玻璃穹形顶既可以作为滤光片使整个太阳光谱打到传感器上，它还可以保护传感器不受外部因素影响。虚拟温度测量系统总体方案的18 3． 4 系统软件总体设计本虚拟仪器测试系统的软件系统采用 LabVIEW8 ． 6 平台开发，利用 LabVIEW 强大的图形化界面功能， 快速地编制友好的用户界面。 在系统的编制中采用了结构化和模块化的编程思想。 结构化设计， 即是要求自顶而下的把软件从整体到局部进行层层细分， 分析各个任务的细节， 以及相互之间的关系。 模块化设计手段， 即要求进行具体编程的过程中，按照层次结构， 对每个独立的任务编制相应独立的程序模块， 根据主程序任务的需要， 对各个模块进行调用。 确定了软件系统的功能和任务划分后， 可以设计出主要程序结构和程序流程图，明确各个功能模块的划分， 在定义的公用数据接口上，进行各模块的编程。 这样使程序有条理，容易修改和维护。 LabVIEW 的图形化程序设计是基于现代软件的面向对象技术和数据流技术而发展起来的，控制 VI 程序的运行方式叫做数据流。数据流程序表示只有在所有输入都有效时， 一个对象才开始执行。 同样， 只有当对象的功能完成以后，对象输出才有效。 因此， 对象间的数据流控制着执行顺序。 用户还能够通过连接功能模块来快速开发自己的应用程序，甚至能够使用多路数据通道实现同步操作。虚拟温度测量系统总体方案的19 3.4.1 软件设计流程图开始采集初始化设置最大输出电压采集电压？启动采集模拟输出、采集、显示实时电压、电流、保存数据继续？ N=0.01≤ Umax停止采集读取现场测试、日照强度及温度数据、绘制标准强度下 I-V曲线、显示重要参数结束Y YN N图 3-6 软件设计流程图虚拟温度测量系统总体方案的20 第四章 测试系统的软件设计4． 1 LabVIEW 软件介绍LabVIEW是一种图形化的编程语言， 它广泛地被工业界、 学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 LabVIEW集成了与满足 GPIB、 VXI、 RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。 它还内置了便于应用 TCP/IP、 ActiveX等软件标准的库函数。 这是一个功能强大且灵活的软件。 利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“ G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。 它尽可能利用了技术人员、 科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此， LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力， 提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。 使用它进行原理研究、 设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32 位编译器。像许多重要的软件一样， LabVIEW提供了 Windows、 UNIX、 Linux 、 Macintosh 的多种版本。LabVIEW的数据采集 （ Data Acquisition ） 程序库包括了许多 NI 公司数据采集 （ DAQ）卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以完成多种功能： A/D 转换，数 / 模转换，数字量输入 / 输出， 以及计数器 / 定时器操作等。 用户在使用之前必须 DAQ卡的硬件进行配置。 这些控制程序用到了许多低层的 DAQ驱动程序。本测试系统需要一块安装好的 DAQ卡以及LabVIEW开发系统。labVIEW 的数据采集 （ Data Acquisition ） 程序库包括了许多 NI 公司数据采集 （ DAQ）卡的驱动控制程序。 图 3-4 为常见数据采集系统的组成。 通常， 一块卡可以完成多种功能：A/D 转换，数 / 模转换，数字量输入 / 输出，以及计数器 / 定时器操作等。用户在使用之前必须 DAQ卡的硬件进行配置。这些控制程序用到了许多低层的 DAQ驱动程序。4.1.1 LabVIEW 具有以下特点(1) 图形化的仪器编程环境：它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，针对测试、 测量以及过程控制等领域。 LabVIEW提供了面板上所必需的许多显示和控制对象，如旋钮、 表头、 图表等。 用户还可以方便地将现有控制对象改成适合自己需要的控制对象。(2) 内置的程序编译器： LabVIEW采用编译方式运行 32 位应用程序，解决了其他方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度大体相当于编译 C的速度。(3) 灵活的程序调试手段： 用户可以在源代码中设置断点， 单步执行源代码， 在源代虚拟温度测量系统总体方案的21 码的数据流上设置探针，在程序运行中观察数据流的变化。(4) 功能强大的函数库： LabVIEW提供了大量现成函数供用户直接调用， 从底层 VXI、GPIB、 串口及数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序， 从基本的功能函数到高级分析库、涵盖了仪器设计中几乎所需要的函数。(5) 支 持 多 种 系 统 平 台 ： LabVIEW 支 持 多 种 系 统 平 台 ， 在 WINDOWS NT/95 、PowerMacintosh、 HP、 SUNSPARC等系统平台上，公司都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移值。(6) 开放式的开发平台： LabVIEW提供了 DLL接口和 CIN 接口，使用户在 LabVIEW平台上能调用其他软件平台编译的模块，提供对 QLE的支持。(7) 网络功能： LabVIEW支持 TCP/IP、 DDE、 IAC 等功能。基于 LabVIEW上述强大功能，本系统采用 LabVIEW作为软件平台，进行测试控制软件的开发。4． 2 软件模块功能划分本测控软件应用模块化设计方法设计了软件结构。模块化设计方法将整个测控系统软件分成各自独立的子单元， 减少了模块间的关联， 从而使软件更具有灵活性， 同时测试单元及调试软件可以嵌到模块设计中， 提高了调试和连接能力， 从整体上保证了系统软件的可靠性。我们所搭建的 PC 测试平台主要分为三大部分，分别是：信号输出、数据采集、数据处理和显示。 除这三个主要部分之外， 还包括一个求得输出功率最大值 Pmax的部分和输出图像清零部分。下面将介绍三个主要部分的设计。4.2.1 电压信号输出模块此模块提供输出一个从负→零→正的可变电压， 以此作为输入模块的参考电压。 本文所采用的 ADLINK 公司生产的 PCI-9111 型数据采集卡。基于 LabVIEW 的输出模块如图4-1 所示，相应后面板如图 4-2 所示，其功能是输出一路模拟输出偏压，并在输出偏压之前对相关参数如输出增益、 DAQ 序号（针对多 DAQ 系统）进行初始化。其中，图 4-1输出模块中的 high limit 和 low limit 为输入电压的上下限， 并依照初始化的 high limit 和 low limit 值，通过图 4-2 的程序后面板自动判定其输出增益。本系统中，这里默认 high limit和 low limit 值为± 10V，相应的增益为 1。 Device 为数据采集卡的序号，在多数据采集卡系统中， 通过对序号的初始化从而达到选定不同的数据采集卡的目的， 由于本系统为单数据采集卡系统，采用默认序号值 0。 Va lu e是指输出电压的幅值，在本系统中，通过控制这路输出电压，从而实现模拟一个可变负载的功能。 Reference source为参考源信号，针虚拟温度测量系统总体方案的22 对不同的测试环境而定， 旨在满足不同的测试要求， 本系统中由于采用了补偿法测试， 需要在参考源信号处输出一个负的偏压，从而达到将测试曲线补偿进第二象限的目的。图 4-1 输出模块图 4-2 输出模块后面板虚拟温度测量系统总体方案的23 图 4-3 I-V 特性曲线硬件系统设计24 第五章 系统界面功能介绍及结果显示5.1 系统的启动界面系统的启动界面如图 5-1 所示，当打开系统时，系统设置了用户名和密码，必须输入正确的用户名和密码才能登陆该系统，用户名和密码可以在启动界面的程序框图里设置，根据自己的需要可阻随意的更改用户名和密码。对应的程序框图如图 5-2 所示。图 5-1 系统启动界面虚拟温度测量系统总体方案的25 图 5-2 系统启动界面程序框图5.2 数据采集采集界面在采集时，对通道的选择以及采样速率、分辨率、和输入量程的选择在程序框中设置，界面上只显示结果，以及保存选项，系统设置了两种保存方式，包括 Oat 格式和 I vm 格式．便于在特性分析面板中调用。系统采用了三通道同时采集，采样速率 751(，量程选为 0 lOV．每次采集 1000个数。直玎下图 5-3 采集界而，图 5-4 所示的是部分采集程序：虚拟温度测量系统总体方案的26 图 5-3 数据采集界面图 5-4 分数据采集程序5.3 特性分析界面系统的特性分析界面如下图 5-5 所示：虚拟温度测量系统总体方案的27 图 5-5 特性分析面板将采集到的信号在特性分析面板中调用出来，是通过点击数据输入面板上的打开文件，如图 5-6 所示出现对话框，选择存储的信号文件，同时选择光伏电池板的面积和光照强度，咀确定填充因子和转换效率。则特性分析面板上就出现了各个参数的数值包括短路电流 Isc、开路电压 Uoc、最大功率 } ，Ⅱ Iax、昂大功率时的电压 Ump、晶大功率时的电流 Imp、转换效率测量、并联电阻 Rs、串联电阻 Rsh、填充因子阡以及光伏电池的工作温度的测量以及 I -U 曲线、 P-U 曲线。虚拟温度测量系统总体方案的28 图 5-6 打开存储文件对话框5.4 特性曲线的显示系统利用波形图直观地显示了光伏电池的特性曲线． 这一功能主要是通过调用子程序柬时实现的，通过打开存储的数据，系统显示了光伏电池的伏安特性曲线、功率曲线以及两者的对比图。由于条件的限制，在非标准的条件下测得数据的结果显示。如图 5-7、 5-8、 5-9 所示，印证了系统在实现特性 f曲线功能上的正确性。虚拟温度测量系统总体方案的29 图 5-7 伏安特性曲线图 5-8 功率特性曲线虚拟温度测量系统总体方案的30 图 5-9 特性曲线对