【文章內(nèi)容簡介】 需求自定義儀器的功能，然后通過計算機的I/O接口設(shè)備和數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集測量等功能，最后把采集來的數(shù)據(jù)利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理功能使用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算分析和處理，軟件界面具有傳統(tǒng)儀器的按鈕和顯示屏進行模擬，以多種形式輸出結(jié)果，從而完成需要的測試，這種虛擬的儀器打破了儀器生產(chǎn)廠家對儀器功能的限制，從而根據(jù)自己的需要定制所需的儀器。圖31為虛擬儀器的構(gòu)成圖：被測信號PCDAQGPIB串行儀器VIX儀器PXI儀器PC工作站軟件系統(tǒng)圖31虛擬儀器構(gòu)成框圖虛擬儀器系統(tǒng)根據(jù)它的構(gòu)成，通常來講是由PC機、軟件系統(tǒng)和采集硬件儀器組成，是一種將硬件掛載到移動PC、個人電腦以及工作站等各式各樣的計算機平臺配合應(yīng)用軟件構(gòu)成的系統(tǒng)。硬件儀器系統(tǒng)包括各種I/O設(shè)備，由他們完成采集到信號的各種操作，其中包括：采集、放大、D/A和A/D轉(zhuǎn)換等一系列功能，能夠根據(jù)設(shè)備的不同，軟件系統(tǒng)包括PCDAQ系統(tǒng)、GPIB系統(tǒng)、串行儀器系統(tǒng)、VIX系統(tǒng)和PXI系統(tǒng)等不同類型組成。本文使用的軟件系統(tǒng)由兩個大部分組成，分別是VI應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序，傳統(tǒng)儀器的大部分功能都能利用一個高性能的虛擬儀器來完成，而且虛擬儀器的靈活性、豐富的功能、低廉的成本以及能夠重復(fù)開發(fā)使用的功能都是傳統(tǒng)儀器所不能比擬的。 虛擬儀器的特征虛擬儀器技術(shù)的三個優(yōu)勢：(1)高性能。計算機技術(shù)的高速發(fā)展帶動了虛擬儀器的發(fā)展，并且擁有計算機即插即用的優(yōu)點，多線程的運算，使儀器在進行數(shù)據(jù)交換的時候仍然能夠分析復(fù)雜的信號，另外一些計算機技術(shù)的應(yīng)用比如多核計算機處理器和傳輸速度越來越高的即插即用接口同樣能夠推動虛擬儀器的發(fā)展，發(fā)揮出更多的優(yōu)勢。(2)強擴展性。虛擬儀器軟件系統(tǒng)具有靈活的實用性，只需要更換測量設(shè)備或者PC，就可以以極少的硬件投資和極少甚至無需軟件改動就能夠改變現(xiàn)存的測試系統(tǒng)。(3)開發(fā)時間短。在使用驅(qū)動和應(yīng)用模塊方面上，虛擬儀器系統(tǒng)把計算機、通訊和儀表儀器的技術(shù)結(jié)合到了軟件里，在操作方便的同時提供了高性能高靈活性的使用虛擬儀器軟件設(shè)計的初衷，用戶可以很容易的對模塊進行配置、創(chuàng)建、發(fā)布和維護修改。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較相對于傳統(tǒng)的儀器，虛擬儀器用戶可自己定制需要的專用儀器系統(tǒng)，并且功能靈活性很強，創(chuàng)建容易，有很廣泛的應(yīng)用性，在開發(fā)、測量、檢測、測控等方面是一款不可多得的好工具軟件。并且符合國際上的“硬件軟件化”的趨勢發(fā)展。表31就是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較：表31虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)維護軟件使得開發(fā)與維護費用降至最低開發(fā)與維護開銷高更新周期技術(shù)更新周期短12年技術(shù)更新周期長510年系統(tǒng)升級關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級方便關(guān)鍵是硬件，升級成本高價格價格低，儀器間資源可重復(fù)配置和重復(fù)利用昂貴，儀器間一般無法相互利用儀器功能用戶能根據(jù)自己的需要定義儀器的功能，并靈活多變廠商能定義其功能，但單一，不能隨意改變結(jié)構(gòu)開發(fā)性開發(fā)式的靈活結(jié)構(gòu)，可與計算機技術(shù)保持同步封閉、固定、兼容性差互聯(lián)性能與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備方便互聯(lián)的面向應(yīng)用的儀器系統(tǒng)功能單一、互聯(lián)有限的獨立設(shè)備操作界面圖形化界面，操作簡便顯示功能單一，操作不便通用性方便構(gòu)成分布式測試系統(tǒng)，遠程監(jiān)控及故障診斷設(shè)備之間通用性差，連接復(fù)雜一整套實驗測量設(shè)備價錢從幾萬元到幾十萬元不等，同等的測試條件虛擬儀器的成本要比傳統(tǒng)儀器低二分之一甚至更多，虛擬儀器的強大功能和低廉的投資使得虛擬儀器具有廣闊的發(fā)展前景[20]。 虛擬儀器的硬件構(gòu)成虛擬儀器的硬件組成部分分別是I/O接口設(shè)備和計算機兩大部分。 計算機一般是PC機或計算機工作站，屬于硬件平臺的核心部分，主要用于對采集的數(shù)據(jù)進行處理和顯示，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通過USB端口完成，所以只需要一臺具有USB接口的計算機就可以實現(xiàn)采集功能。 I/O接口設(shè)備I/O接口設(shè)備即采集調(diào)理部件，包括PC總線的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線儀器、串口總線儀器和LXI總線儀器等標準總線儀器，測量輸入信號的采集放大模數(shù)轉(zhuǎn)化是他們的主要功能，虛擬儀器的發(fā)展經(jīng)過了GPIB—VXI—PXI—LXI總線方式(適合大型高精度集成系統(tǒng))和PC插卡——并口式——串口——USB方式。 虛擬儀器軟件平臺—Labview軟件概述虛擬儀器的一大核心技術(shù)就是軟件平臺，NI公司提出一個著名的口號：軟件就是儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)的過程中能夠開發(fā)出一款高效率、低調(diào)試時間一直是廣大測試技術(shù)人員關(guān)心的問題，由美國國家儀器公司（NI）開發(fā)的軟件Labview是虛擬儀器系統(tǒng)里非常出色的一款軟件產(chǎn)品，全稱是實驗室虛擬儀器工程平臺(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，它是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發(fā)軟件[21]。Labview是一款利用圖標代替?zhèn)鹘y(tǒng)編程語言代碼的工具，其他的編程軟件開發(fā)依賴命令行，但是在Labview里利用編程方法描述程序的運行狀態(tài)，使用圖形化的語言代替?zhèn)鹘y(tǒng)文本開發(fā)程序的編寫，并且Labview具有很強的二次開發(fā)性。它的庫函數(shù)包括：數(shù)據(jù)采集、通用接口總線和串口儀器控制、數(shù)據(jù)顯示分析存儲等諸多功能。Labview是一個通用的編程系統(tǒng)，由它可以完成一般的數(shù)學(xué)運算和邏輯運算，針對數(shù)據(jù)采集和儀器開發(fā)還提供了一套專門的庫函數(shù)和開發(fā)工具，基本能夠滿足復(fù)雜的工程計算和分析要求。此軟件環(huán)境開發(fā)下的程序統(tǒng)稱為VI，它的外觀和操作界面可以模擬傳統(tǒng)儀器的操作界面[22]。VI程序由用戶界面、圖標、和接口面板組成，接口面板用于VI之間的調(diào)用，Labview具有以下特點：(1)圖形化編程界面：它針對各種測試和過程領(lǐng)域提出了“所見即所得”的直觀可視化技術(shù)，并建立了友好的人機交換界面，該界面提供了大量的顯示對象和控制對象，如：旋鈕、開關(guān)、圖表等。(2)內(nèi)置有程序編譯器：由于對32位程序Labview采用了編譯方式運行，不同于其他按照解釋方式運行的圖形編程平臺，使其運行速度大大提高，它的運行編譯速度大概相當于C語言的速度。(3)靈活的程序調(diào)試手段：Labview允許用戶對已經(jīng)編好的軟件在源代碼處設(shè)置斷點，使用單步執(zhí)行，并且可以對源代碼的數(shù)據(jù)流監(jiān)測，數(shù)據(jù)流的變化可以隨時觀察。(4)強大的函數(shù)庫：Labview擁有豐富的函數(shù)庫，它幾乎包含了儀器設(shè)計需要的所有庫，由最底層的VXI、GPIB、串口到上層的儀器驅(qū)動庫等，從基本的加減函數(shù)庫到高等數(shù)學(xué)函數(shù)分析庫。(5)Labview支持多種操作系統(tǒng)平臺：NI公司提供了針對多個操作系統(tǒng)平臺的版本，涵蓋了Windows系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)、MAC系統(tǒng)等，而且支持在不同操作系統(tǒng)開發(fā)的VI都可以互相通用和移植，具有非常良好的兼容性。(6)非常開放式的平臺：Labview提供了兩種接口，分別是DLL接口和CIN接口，使得用戶能在軟件中調(diào)用其它軟件平臺進行編譯，并且提供對OLE的支持。(7)支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：Labview支持TCP/IP協(xié)議和UDP等大眾網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以方便的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試與控制[23]。這些特色功能使得Labview真正實現(xiàn)了軟件就是儀器的理念，通過把一個復(fù)雜的任務(wù)分擔成一個個的子程序，每一個子程序執(zhí)行一個任務(wù)，極大的提高了工作效率，實現(xiàn)了軟件的廣泛應(yīng)用。 本章小結(jié)本章介紹了虛擬儀器的概念，虛擬儀器就是儀器和工業(yè)自動化的革命，它充分體現(xiàn)了計算機技術(shù)和其它相關(guān)技術(shù)的緊密結(jié)合，并且虛擬儀器具有高性能、強擴展性以及開發(fā)時間短等特點，對虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器作了比較。虛擬儀器的硬件系統(tǒng)由計算機和相應(yīng)的I/O接口設(shè)備組成。在本文中還介紹了一款典型的虛擬儀器軟件Labview，并對其特點進行了概述。第4章 太陽能測試系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)本測試系統(tǒng)所需的硬件部分包括：脈沖氙氣燈光源、連續(xù)傳動系統(tǒng)和計算機控制與采集系統(tǒng)三個部分[24]。 光源光源系統(tǒng)包括氙氣燈、光源控制電路和濾光裝置三個部分，本系統(tǒng)的光源系統(tǒng)框圖如圖41所示。要求設(shè)計光源盡量符合正午太陽光的輻射特性，光源的設(shè)計又要符合測試系統(tǒng)的均勻性和直線性等。高壓產(chǎn)生電路脈沖氙氣燈濾光裝置被檢測電池板脈沖發(fā)射器電壓倍增電路總 電 源測試電路圖41 太陽能電池板測試儀光源組成框圖 脈沖氙燈脈沖氙燈屬于一種把電能轉(zhuǎn)化成輻射光能的電器元件。如下圖42為脈沖氙氣燈的結(jié)構(gòu)圖[25]：圖42 氙燈的結(jié)構(gòu)示意及基本原理圖燈泡的鎮(zhèn)流器通過電源將能量充滿至工作電壓Vc，Vc不能高于燈管的擊穿電壓并且不能低于燈管的點火電壓Vs，一般燈管外面都會繞有一圈線圈，稱為觸發(fā)絲，當脈沖燈工作時，觸發(fā)絲上瞬間通以上萬伏的脈沖高壓，在燈管內(nèi)部產(chǎn)生電力火花，火花大大減少了燈管內(nèi)部電阻值，使得鎮(zhèn)流器內(nèi)部的電容瞬時釋放出大量的能量，產(chǎn)生極為強烈的閃光，脈沖放電就是一種非穩(wěn)態(tài)氣體的放電形式，其放電過程分為瞬態(tài)過程和類穩(wěn)態(tài)放電過程兩個階段[26]。 脈沖氙氣燈的光學(xué)性質(zhì)在本系統(tǒng)中，模擬光源的光學(xué)性質(zhì)能夠直接影響實驗結(jié)果的準確性，是必須要考慮的因素，先介紹幾個表征輻射的物理量：輻射能量Q：光源輻射的光（包括紅外光、可見光和紫外光）的能量叫做光源的輻射能量，輻射能量的單位J。輻射通量P：輻射能在單位時間內(nèi)通過燈表面輻射出去的叫做光源的輻射通量，還可以叫做輻射功率，輻射通量的單位是W。輻射照度H：被照物體被照射的程度量叫做輻射照度，屬于單位面積接受的輻射量，用公式表示為 (41)單位是。光譜輻射通量：光源的光在單位波長內(nèi)的輻射通量叫做光譜輻射通量，單位是瓦每平方米()，見式(42)所示。 (42) 脈沖氙氣燈放電的波形和閃光持續(xù)時間氙氣燈脈沖光強和時間的曲線關(guān)系如圖43所示：圖43 脈沖光強度和時間關(guān)系的曲線首先要分清放電持續(xù)的周期和閃光持續(xù)期的概念：由于氙燈在放電初期和末期兩個階段光照輻射比較弱，在檢測的時候不需要脈沖閃光燈的全寬度，而是取輻射強度峰值的三分之一的兩點間隔時間TL為閃光燈的持續(xù)期，同樣的道理，如果檢測電流波形，只需取電流峰值的三分之一處兩點間隔時間Ti為持續(xù)期，如上圖43所示。其次脈沖燈的輻射隨著時間而變化，那么它放電的波形取決于燈的電阻性質(zhì)和放電回路的形式以及參數(shù)。流過脈沖燈燈絲的電流隨著時間變化的波形對于使用不同的電路時不同的，上圖所示的矩形脈沖是由幾個有著相同電感和電容的單節(jié)LC電路組成的仿真線（又稱脈沖形成網(wǎng)絡(luò)放電線路）對其終端的燈絲放電而得到的波形圖。這個過程的取點主要是在脈沖持續(xù)期范圍內(nèi)，光輸出恒定，所以這一性質(zhì)正是我們本文章需要的陽光模擬器所需要的。通常認為，燈所消耗的功率波形決定放電的發(fā)光波形，兩者在理論上來說是相同的，但是在實際上只能說是近似，由于在開始放電的階段放電通道的突然增大和放電結(jié)束形成的余輝會產(chǎn)生一定的時間，所以發(fā)光持續(xù)時間Ti和放電功率持續(xù)時間Tp肯定會有所差別，尤其是放電時間短的時候，這種差別會更加明顯，但是如果增加放電時間，經(jīng)實驗證明，當放電時間大于300微秒的時候，上述差別可以不計，Ti=Tp，所以放電時間要大于300微秒，所形成誤差才會更大限度的減小，本文定義放電時間為500微秒。 脈沖氙燈的光譜特性典型的氙氣燈光譜能量分布如圖44所示：圖44 氙氣燈的光譜能量分布圖44是典型的氙燈光譜能量分布示意圖，連續(xù)光譜很強，線性光譜很弱是它的主要特點是。光譜從可見區(qū)到短波擴展到紫外區(qū)（200nm），從長波區(qū)擴展到接近紅外波區(qū)（大于2000nm），在光譜的紫外區(qū)域里，氙燈也是比較強的連續(xù)譜，從上圖看出氙氣燈的強光輻射集中在8001000nm附近的紅外區(qū)，圖中可以看到連續(xù)譜上疊加了強烈加寬了的原子特征譜線。當惰性氣體在高氣壓下放電時，惰性氣體的原子具有很高的能量，并且開始大量電離，形成了高溫高壓等離子氣體，帶電粒子之間相互作用以及電子和離子之間復(fù)合使得等離子體會發(fā)射出強烈的加寬的原子特征線光譜以及復(fù)合輻射連續(xù)譜，但是很大一部分的原子特征譜線淹沒在連續(xù)背景中，所以連續(xù)譜是脈沖燈光譜的主要特征。由于不同波長的輻射能夠使太陽能電池輸出不同，所以在相同的輻射照度下，能量的分布也不同，導(dǎo)致電池板的輸出特性和轉(zhuǎn)換效率的不同，：圖45 本設(shè)計中的光源未經(jīng)任何處理的光譜圖如圖46：圖46 未經(jīng)處理的氙氣燈光譜下圖47是使用了經(jīng)過鍍有濾紅外的玻璃的光譜：圖47 氙燈經(jīng)過校正濾光后的光譜從上述圖表中可以看出使用鍍有濾紅外材質(zhì)的玻璃所得到的光譜能夠更加接近正午太陽光譜[27]。 連續(xù)傳動系統(tǒng)由于傳統(tǒng)的單片檢測系統(tǒng)每次只能檢測一片太陽能電池板，并且需要手工上下料，只適合于實驗室使用，不適合企業(yè)大規(guī)模檢測，因此，在本測試系統(tǒng)里，增加了一套利用步進電機實現(xiàn)連續(xù)傳動的檢測線。 連續(xù)傳動檢測線的機械部分這條檢測線是將生產(chǎn)出的太陽能片，運送到檢測工位進行檢驗，然后分類的傳輸線。下圖48是檢測線的構(gòu)成圖：檢測工位上料工位下料工位傳輸線圖48 機械連續(xù)傳動部分的框架圖在該連續(xù)傳動系統(tǒng)中，傳輸線的長度定義為2000mm，檢測工位的尺寸是15001500mm。下面介紹太陽能電池板的檢測傳輸過程。下圖49為該連續(xù)檢測系統(tǒng)的總裝配圖：圖49 連續(xù)檢測系統(tǒng)裝配圖該連續(xù)傳動系統(tǒng)具有如下特點：(1)將生產(chǎn)的成品太陽能電池片放在托盤上（如下圖410所示），托盤經(jīng)過傳輸線，傳輸?shù)綑z測工位，利用吸盤將電池片吸取到檢測工位上正確的位置，進行檢測。本系統(tǒng)能夠檢測的太陽能電池片的規(guī)格有兩種分別是128mmx128mm和156mmx156mm。托盤的底部的尺寸為200mm200mm，在托盤的四邊是導(dǎo)向柱，導(dǎo)向柱能夠固定電池片的位置，使電池片在后續(xù)的檢測過程中，能夠到達正確的位置。還有一個作用就是在自動上料下料的過程中起到導(dǎo)向并且保護電池片不受損壞的作用，因為太陽能電池板很脆弱，很容易碎裂，使用導(dǎo)向柱能夠保護操作過程中電池板不被傳輸帶或人