太陽(yáng)能電池測試軟件設計

太陽(yáng)光模擬光源選用氙燈，因為其具有較寬且連續的光譜范圍，覆蓋紫外光至紅外光，是比較理想的模擬太陽(yáng)光源。光源通過(guò)斬波器變?yōu)榻蛔兊膹蜕庑盘?，再?jīng)光柵單色儀，為測試系統提供交變單色光信號。偏置光源的存在使系統具備了測試多節太陽(yáng)能電池的條件，可選用氙燈、鹵鎢燈作為光源。待測太陽(yáng)能電池樣品與已標定的標準探測器至于樣品室中的運動(dòng)平臺上，通過(guò)數據采集卡與計算機相連。上位機軟件可對硬件系統進(jìn)行狀態(tài)配置并獲取采集卡數據，經(jīng)數據處理后生成標準探測器絕對光譜響應曲線(xiàn)、被測太陽(yáng)能電池絕對光譜響應曲線(xiàn)以及量子效率曲線(xiàn)。
2上位機總體設計及數據處理
2.1 上位機總體設計
上位機軟件作為人機交互的媒介，理應具備界面簡(jiǎn)潔、便于用戶(hù)理解、操作簡(jiǎn)便快捷的特點(diǎn)。鑒于C++ Builder這一高性能可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境具有大量可重用控件與強大的數據庫處理能力[1-2]，本軟件選用其作為開(kāi)發(fā)工具。軟件界面組成如圖2所示。

3.1 HID固件程序設計
上位機檢測USB設備是通過(guò)對集線(xiàn)器接收端的電平信號的變化確定的，這就要求設備端D+或D-接上拉電阻至3.3 V電源，STM32F103單片機并沒(méi)有在此環(huán)節做內部上拉，故搭建一個(gè)軟上拉電路，用I/O口PE0電平變化模擬上拉電阻接通與斷開(kāi)。USB部分硬件實(shí)現如圖5所示。

HID設備與主機間的通信是通過(guò)USB的控制管道（默認管道即端點(diǎn)0）和中斷管道1完成的。HID設備的描述符包括設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、字符串描述符、 HID描述符、報告描述符、實(shí)體描述符，其中前5個(gè)描述符屬于USB設備標準描述符，而后3個(gè)則為HID類(lèi)設備特定描述符。通過(guò)對描述符的配置實(shí)現HID設備屬性的定義，如產(chǎn)品ID: idProduct(PID)、廠(chǎng)商ID: idVendor(VID)，包括對端口的定義以及對報文格式的定義。
主機與USB 設備最初的數據交換過(guò)程通過(guò)枚舉完成。USB-HID 類(lèi)設備解析主機的請求，并在枚舉期間向主機發(fā)送描述符響應主機的請求。系統將太陽(yáng)能電池短路電流數據作為一個(gè)報文，當短路電流測量完成后，USB設備將報文發(fā)向上位機，完成信息發(fā)送。HID固件程序流程圖如圖6所示。

3.1.1 USB設備標準描述符
設備標準描述符主要是在usb_desc.c文件中定義，具體操作如下：
(1)編輯CustomHID_DeviceDes-criptor設備描述符，在以小端模式定義設備的實(shí)驗用PID與VID為0×123 4與0×567 8。
(2) 編輯ConfigurationDescriptor
配置描述符，定義接口編號為0、定義端點(diǎn)，定義接口協(xié)議為HID自定義設備。
(3) 編輯Endpoint Descriptor端點(diǎn)描述符，定義輸入、輸出端點(diǎn)最大包長(cháng)度為8 B。
(4) 編輯CustomHID_ReportDescriptor報文描述符，設定8 B報文格式。
(5) 編輯StringLangID、 String
Vendor、StringProduct、StringSerial描述符，設置設備廠(chǎng)商ID、產(chǎn)品ID以及產(chǎn)品序列號。
3.1.2 USB端點(diǎn)設置
編輯usb_prop.c文件，配置端點(diǎn)，具體操作如下：
(1) 編輯CustomHID_Reset(void)函數，初始化端點(diǎn)0和端點(diǎn)1，調用SetEPType()函數初始化端點(diǎn)0為控制端點(diǎn)類(lèi)型、端點(diǎn)1為中斷端點(diǎn)類(lèi)型。
(2) 調用SetEPRxAddr()、SetEPTxAddr()，設置收發(fā)數據的地址。
(3)調用SetEPTxCount()、SetEPRxCount()，設置收發(fā)數據長(cháng)度為8 B。
3.1.3 主函數框架
編寫(xiě)main.c文件，完成下述內容：
(1) 包含關(guān)鍵頭文件stm32f10x_lib.h、usb_lib.h、hw_
config.h。
(2)調用Set_System()、USB_Interrupts_ConFig()、Set_USBClock()、USB_Init()函數配置系統時(shí)鐘、USB中斷、USB時(shí)鐘與初始化。
(3) 編寫(xiě)CustomHID_Send()數據發(fā)送函數，調用UserToPMABufferCopy()，將數據放入輸出Buffer，調用SetEPTxValid(ENDP1)使端點(diǎn)1有效以發(fā)送數據。
(4) 編寫(xiě)CustomHID_Receive()數據接收函數，調用PMAToUserBufferCopy()函數獲取數據，調用SetEPRxValid(ENDP1)函數使端點(diǎn)1有效以接收數據。
3.2上位機通信模塊設計
C++ Builder集成開(kāi)發(fā)環(huán)境調用Windows API函數開(kāi)發(fā)出USB-HID程序模塊。通過(guò)調用Windows基礎庫函數獲取HID設備的全局唯一標識(GUID)、設備ID、設備接口、緩沖區指針等信息，最終獲取報文信息，解析數據交數據處理模塊進(jìn)一步處理。上位機HID程序流程圖如圖7所示。

上位機實(shí)現與USB-HID設備通信具體調用的函數有：
(1) 使用HidD_GetGuid函數獲取128 bit GUID。
(2) 使用SetupDiGetClassDevs函數獲取設備信息群。
(3) 使用SetupDiEnumDeviceInterfaces函數識別HID接口。
(4) 使用SetupDiGetDeviceInterfaceDetail函數獲取設備路徑。
(5) 使用CreatFile函數開(kāi)啟設備，使用CloseHandle函數釋放資源。
(6) 使用HidD_GetAttributes函數獲取設備ID。
(7) 使用HidD_GetPreparsedData函數與HidD_Free
PreparsedData函數取得緩沖區指針與釋放資源。
(8) 使用WriteData函數、ReadFile函數發(fā)送、讀取報文。
4 軟件測試結果
軟件檢測相關(guān)設備處于連接狀態(tài)，將標準太陽(yáng)能電池與待測太陽(yáng)能電池置于樣品室檢測臺上，軟件配置相關(guān)檢測參數，在掃描范圍300 nm~1 200 nm、波長(cháng)間隔10nm、斬波器與鎖相放大器參考頻率為2 Hz、單點(diǎn)測試10次、緩沖時(shí)間10 s的狀態(tài)下,成功獲取USB-HID設備上傳的數據。上位機軟件調用TeeChart控件繪制出待測電池光譜響應曲線(xiàn)，測試結果如圖8所示。

USB已經(jīng)逐步取代了串口，成為現階段測試儀器常用的接口與通信方式，使儀器的通用性與易用性大大增強。系統采用USB通信方式，同時(shí)上位機軟件具備穩定準確的數據獲取能力，并以圖像方式準確直觀(guān)地顯示測試結果，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻
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