【文章內(nèi)容簡介】 需求自定義儀器的功能，然后通過計(jì)算機(jī)的I/O接口設(shè)備和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)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(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能使用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)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(jìn)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(duì)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(hào)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(jī)、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(dòng)PC、個(gè)人電腦以及工作站等各式各樣的計(jì)算機(jī)平臺(tái)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(hào)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(gè)大部分組成，分別是VI應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，傳統(tǒng)儀器的大部分功能都能利用一個(gè)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(gè)優(yōu)勢(shì)：(1)高性能。計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展帶動(dòng)了虛擬儀器的發(fā)展，并且擁有計(jì)算機(jī)即插即用的優(yōu)點(diǎn)，多線程的運(yùn)算，使儀器在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的時(shí)候仍然能夠分析復(fù)雜的信號(hào)，另外一些計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用比如多核計(jì)算機(jī)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(dòng)虛擬儀器的發(fā)展，發(fā)揮出更多的優(yōu)勢(shì)。(2)強(qiáng)擴(kuò)展性。虛擬儀器軟件系統(tǒng)具有靈活的實(shí)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(dòng)就能夠改變現(xiàn)存的測試系統(tǒng)。(3)開發(fā)時(shí)間短。在使用驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用模塊方面上，虛擬儀器系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)、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(shí)提供了高性能高靈活性的使用虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)的初衷，用戶可以很容易的對(duì)模塊進(jìn)行配置、創(chuàng)建、發(fā)布和維護(hù)修改。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較相對(duì)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(qiáng)，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(shì)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(hù)軟件使得開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低開發(fā)與維護(hù)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(jí)關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級(jí)方便關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本高價(jià)格價(jià)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(jì)算機(jī)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(dú)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(yuǎn)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(shí)驗(yàn)測量設(shè)備價(jià)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(qiáng)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(jì)算機(jī)兩大部分。 計(jì)算機(jī)一般是PC機(jī)或計(jì)算機(jī)工作站，屬于硬件平臺(tái)的核心部分，主要用于對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(tái)具有USB接口的計(jì)算機(jī)就可以實(shí)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(biāo)準(zhǔn)總線儀器，測量輸入信號(hào)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(tái)—Labview軟件概述虛擬儀器的一大核心技術(shù)就是軟件平臺(tái)，NI公司提出一個(gè)著名的口號(hào)：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(shí)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(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)(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(biāo)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(yùn)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(qiáng)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(chǔ)等諸多功能。Labview是一個(gè)通用的編程系統(tǒng)，由它可以完成一般的數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，針對(duì)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(jì)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(biāo)、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(diǎn)：(1)圖形化編程界面：它針對(duì)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(jī)交換界面，該界面提供了大量的顯示對(duì)象和控制對(duì)象，如：旋鈕、開關(guān)、圖表等。(2)內(nèi)置有程序編譯器：由于對(duì)32位程序Labview采用了編譯方式運(yùn)行，不同于其他按照解釋方式運(yùn)行的圖形編程平臺(tái)，使其運(yùn)行速度大大提高，它的運(yùn)行編譯速度大概相當(dāng)于C語言的速度。(3)靈活的程序調(diào)試手段：Labview允許用戶對(duì)已經(jīng)編好的軟件在源代碼處設(shè)置斷點(diǎn)，使用單步執(zhí)行，并且可以對(duì)源代碼的數(shù)據(jù)流監(jiān)測，數(shù)據(jù)流的變化可以隨時(shí)觀察。(4)強(qiáng)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(jì)需要的所有庫，由最底層的VXI、GPIB、串口到上層的儀器驅(qū)動(dòng)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(tái)：NI公司提供了針對(duì)多個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)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(tái)：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(tái)進(jìn)行編譯，并且提供對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了軟件就是儀器的理念，通過把一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)分擔(dān)成一個(gè)個(gè)的子程序，每一個(gè)子程序執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，極大的提高了工作效率，實(shí)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(dòng)化的革命，它充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)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(qiáng)擴(kuò)展性以及開發(fā)時(shí)間短等特點(diǎn)，對(duì)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(jì)算機(jī)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(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了概述。第4章 太陽能測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)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(dòng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制與采集系統(tǒng)三個(gè)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(gè)部分，本系統(tǒng)的光源系統(tǒng)框圖如圖41所示。要求設(shè)計(jì)光源盡量符合正午太陽光的輻射特性，光源的設(shè)計(jì)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(diǎn)火電壓Vs，一般燈管外面都會(huì)繞有一圈線圈，稱為觸發(fā)絲，當(dāng)脈沖燈工作時(shí)，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(shí)釋放出大量的能量，產(chǎn)生極為強(qiáng)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(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，是必須要考慮的因素，先介紹幾個(gè)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(shí)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(shí)間氙氣燈脈沖光強(qiáng)和時(shí)間的曲線關(guān)系如圖43所示：圖43 脈沖光強(qiáng)度和時(shí)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(gè)階段光照輻射比較弱，在檢測的時(shí)候不需要脈沖閃光燈的全寬度，而是取輻射強(qiáng)度峰值的三分之一的兩點(diǎn)間隔時(shí)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(diǎn)間隔時(shí)間Ti為持續(xù)期，如上圖43所示。其次脈沖燈的輻射隨著時(shí)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(shí)間變化的波形對(duì)于使用不同的電路時(shí)不同的，上圖所示的矩形脈沖是由幾個(gè)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(duì)其終端的燈絲放電而得到的波形圖。這個(gè)過程的取點(diǎn)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(rèn)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(shí)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(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)間，所以發(fā)光持續(xù)時(shí)間Ti和放電功率持續(xù)時(shí)間Tp肯定會(huì)有所差別，尤其是放電時(shí)間短的時(shí)候，這種差別會(huì)更加明顯，但是如果增加放電時(shí)間，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)放電時(shí)間大于300微秒的時(shí)候，上述差別可以不計(jì)，Ti=Tp，所以放電時(shí)間要大于300微秒，所形成誤差才會(huì)更大限度的減小，本文定義放電時(shí)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(qiáng)，線性光譜很弱是它的主要特點(diǎn)是。光譜從可見區(qū)到短波擴(kuò)展到紫外區(qū)（200nm），從長波區(qū)擴(kuò)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(qiáng)的連續(xù)譜，從上圖看出氙氣燈的強(qiáng)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(qiáng)烈加寬了的原子特征譜線。當(dāng)惰性氣體在高氣壓下放電時(shí)，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(huì)發(fā)射出強(qiáng)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(jì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳動(dòng)的檢測線。 連續(xù)傳動(dòng)檢測線的機(jī)械部分這條檢測線是將生產(chǎn)出的太陽能片，運(yùn)送到檢測工位進(jìn)行檢驗(yàn)，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(jī)械連續(xù)傳動(dòng)部分的框架圖在該連續(xù)傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：(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(jìn)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(dá)正確的位置。還有一個(gè)作用就是在自動(dòng)上料下料的過程中起到導(dǎo)向并且保護(hù)電池片不受損壞的作用，因?yàn)樘柲茈姵匕搴艽嗳?，很容易碎裂，使用?dǎo)向柱能夠保護(hù)操作過程中電池板不被傳輸帶或人