紀 浩,谷玉海,徐小力

（北京信息科技大學 機電系統(tǒng)測控北京市重點實驗室，北京 100192）

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

太陽能電池性能測試系統(tǒng)由硬件結(jié)構(gòu)與測控軟件兩部分構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)主要包括光路系統(tǒng)、樣品室與測量電路三部分，如圖1所示。軟件主要分為上位機軟件與下位機程序兩部分。

太陽光模擬光源選用氙燈，因為其具有較寬且連續(xù)的光譜范圍，覆蓋紫外光至紅外光，是比較理想的模擬太陽光源。光源通過斬波器變?yōu)榻蛔兊膹蜕庑盘?，再?jīng)光柵單色儀，為測試系統(tǒng)提供交變單色光信號。偏置光源的存在使系統(tǒng)具備了測試多節(jié)太陽能電池的條件，可選用氙燈、鹵鎢燈作為光源。待測太陽能電池樣品與已標定的標準探測器至于樣品室中的運動平臺上，通過數(shù)據(jù)采集卡與計算機相連。上位機軟件可對硬件系統(tǒng)進行狀態(tài)配置并獲取采集卡數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后生成標準探測器絕對光譜響應(yīng)曲線、被測太陽能電池絕對光譜響應(yīng)曲線以及量子效率曲線。

2 上位機總體設(shè)計及數(shù)據(jù)處理

2.1 上位機總體設(shè)計

上位機軟件作為人機交互的媒介，理應(yīng)具備界面簡潔、便于用戶理解、操作簡便快捷的特點。鑒于C++Builder這一高性能可視化集成開發(fā)環(huán)境具有大量可重用控件與強大的數(shù)據(jù)庫處理能力[1-2]，本軟件選用其作為開發(fā)工具。軟件界面組成如圖2所示。

程序主界面由大量控件組成，包括標簽、文本框、命令按鈕、復選框、單選按鈕、列表框等。主窗體調(diào)用TeeChart控件依據(jù)測量數(shù)據(jù)生成一條或多條測量曲線，方便用戶更直觀地了解測試結(jié)果。同時，提供跟隨鼠標的十字光標，便于用戶跟蹤曲線各點數(shù)值。用戶可以在此界面設(shè)置太陽光譜掃描范圍、掃描步長與掃描速度等相關(guān)檢測參數(shù)，并且允許用戶在設(shè)備監(jiān)測窗口中查看各下位機設(shè)備參數(shù)以及運行狀態(tài)。程序在掃描進行中提示用戶測試進度。程序主界面與標準探測器絕對光譜響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)如圖3所示。

2.2 上位機數(shù)據(jù)處理

太陽能電池絕對光譜響應(yīng)SR(λ)是指在某一特定波長處，太陽能電池輸出的短路電流ISC(λ)與入射光功率P(λ)的比值(單位：A/W)：

將已標定標準探測器的絕對光譜響應(yīng)SRs(λ)作為參照數(shù)據(jù)[2]，上位機軟件解析USB-HID設(shè)備上傳的報文信息，獲得在相同入射光功率P(λ)條件下標準探測器在特定波長λ處輸出的短路電流IS(λ)和待測太陽能電池在特定波長λ處輸出的短路電流IC(λ)。則待測太陽能電池的絕對光譜響應(yīng) SRC(λ)可以表示為(單位：A/W)：

量子效率η(λ)是指在某一特定波長λ處，太陽能電池輸出的電子數(shù)目與入射光子數(shù)目的比值：

其中，e 為電子電荷(單位：C)，e=1.602 2×10-19;E(λ)為波長 λ 的光子的能量，E(λ)=h×c/λ；h為普朗克常數(shù)(單位：J·s)， h=6.6261×10-24，c 為光速(單位：m/s)： c =2.997 9×109。 故可求得量子效率 η(λ)為：

依據(jù)上述公式計算出則待測太陽能電池的絕對光譜響應(yīng) SRC(λ)與量子效率 η(λ)，調(diào)用 TeeChart控件繪制出相應(yīng)曲線。

3 USB-HID通信設(shè)計

USB通信協(xié)議具有靈活易用、應(yīng)用廣泛等特性[4]。其中HID設(shè)備類屬于人機交互操作設(shè)備，Windows操作系統(tǒng)為此類設(shè)備提供了通用的驅(qū)動程序，用戶只需編寫符合HID設(shè)備類規(guī)范的固件程序即可讓Windows自動識別[5]，而且HID沒有限制設(shè)備類型，只要求交換數(shù)據(jù)存放在報文結(jié)構(gòu)內(nèi)，設(shè)備只需支持報文格式即可。鑒于此類設(shè)備這一免驅(qū)的優(yōu)勢,本系統(tǒng)將下位機STM32F103VET單片機的USB模塊枚舉成HID設(shè)備，上位機軟件調(diào)取Windows API函數(shù)與HID設(shè)備交換數(shù)據(jù)。USB通信系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1 HID固件程序設(shè)計

上位機檢測USB設(shè)備是通過對集線器接收端的電平信號的變化確定的，這就要求設(shè)備端D+或D-接上拉電阻至3.3 V電源，STM32F103單片機并沒有在此環(huán)節(jié)做內(nèi)部上拉，故搭建一個軟上拉電路，用I/O口PE0電平變化模擬上拉電阻接通與斷開。USB部分硬件實現(xiàn)如圖5所示。

HID設(shè)備與主機間的通信是通過USB的控制管道（默認管道即端點0）和中斷管道1完成的。HID設(shè)備的描述符包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符、HID描述符、報告描述符、實體描述符，其中前5個描述符屬于USB設(shè)備標準描述符，而后3個則為HID類設(shè)備特定描述符。通過對描述符的配置實現(xiàn)HID設(shè)備屬性的定義，如產(chǎn)品ID:idProduct(PID)、廠商 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(shè)備最初的數(shù)據(jù)交換過程通過枚舉完成。USB-HID類設(shè)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(yīng)主機的請求。系統(tǒng)將太陽能電池短路電流數(shù)據(jù)作為一個報文，當短路電流測量完成后，USB設(shè)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。

圖6 HID固件程序流程圖

3.1.1 USB設(shè)備標準描述符

設(shè)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(shè)備描述符，在以小端模式定義設(shè)備的實驗用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，定義接口協(xié)議為HID自定義設(shè)備。

(3)編輯Endpoint Descriptor端點描述符，定義輸入、輸出端點最大包長度為8 B。

(4)編輯CustomHID_ReportDescriptor報文描述符，設(shè)定8 B報文格式。

(5)編輯StringLangID、String Vendor、StringProduct、StringSerial 描述符，設(shè)置設(shè)備廠商ID、產(chǎn)品ID以及產(chǎn)品序列號。

3.1.2 USB端點設(shè)置

編輯usb_prop.c文件，配置端點，具體操作如下：

(1)編輯 CustomHID_Reset(void)函數(shù)，初始化端點 0和端點1，調(diào)用SetEPType()函數(shù)初始化端點 0為控制端點類型、端點1為中斷端點類型。

(2)調(diào)用 SetEPRxAddr()、SetEPTxAddr()，設(shè) 置收 發(fā) 數(shù)據(jù)的地址。

(3)調(diào) 用 SetEPTxCount()、SetEPRxCount()，設(shè) 置 收 發(fā) 數(shù)據(jù)長度為8 B。

3.1.3 主函數(shù)框架

編寫main.c文件，完成下述內(nèi)容：

(1)包含關(guān)鍵頭文件 stm32f10x_lib.h、usb_lib.h、hw_config.h。

(2)調(diào)用 Set_System()、USB_Interrupts_ConFig()、Set_USBClock()、USB_Init()函 數(shù) 配 置 系 統(tǒng) 時 鐘 、USB 中 斷 、USB時鐘與初始化。

(3)編寫CustomHID_Send()數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，調(diào)用User-ToPMABufferCopy()，將數(shù)據(jù)放入輸出 Buffer，調(diào)用 SetEPTxValid(ENDP1)使端點1有效以發(fā)送數(shù)據(jù)。

(4)編寫 CustomHID_Receive()數(shù)據(jù)接收函數(shù)，調(diào)用PMAToUserBufferCopy()函數(shù)獲取數(shù)據(jù)，調(diào)用 SetEPRxValid(ENDP1)函數(shù)使端點1有效以接收數(shù)據(jù)。

3.2 上位機通信模塊設(shè)計

C++Builder集成開發(fā)環(huán)境調(diào)用Windows API函數(shù)開發(fā)出USB-HID程序模塊。通過調(diào)用Windows基礎(chǔ)庫函數(shù)獲取HID設(shè)備的全局唯一標識(GUID)、設(shè)備 ID、設(shè)備接口、緩沖區(qū)指針等信息，最終獲取報文信息，解析數(shù)據(jù)交數(shù)據(jù)處理模塊進一步處理。上位機HID程序流程圖如圖7所示。

上位機實現(xiàn)與USB-HID設(shè)備通信具體調(diào)用的函數(shù)有：

(1)使用HidD_GetGuid函數(shù)獲取128 bit GUID。

(2)使用SetupDiGetClassDevs函數(shù)獲取設(shè)備信息群。

圖7 上位機HID程序流程圖

(3)使用SetupDiEnumDeviceInterfaces函數(shù)識別HID接口。

(4)使用SetupDiGetDeviceInterfaceDetail函數(shù)獲取設(shè)備路徑。

(5)使用CreatFile函數(shù)開啟設(shè)備，使用CloseHandle函數(shù)釋放資源。

(6)使用HidD_GetAttributes函數(shù)獲取設(shè)備ID。

(7)使用HidD_GetPreparsedData函數(shù)與HidD_Free PreparsedData函數(shù)取得緩沖區(qū)指針與釋放資源。

(8)使用 WriteData函數(shù)、ReadFile函數(shù)發(fā)送、讀取報文。

4 軟件測試結(jié)果

軟件檢測相關(guān)設(shè)備處于連接狀態(tài)，將標準太陽能電池與待測太陽能電池置于樣品室檢測臺上，軟件配置相關(guān)檢測參數(shù)，在掃描范圍300 nm～1 200 nm、波長間隔10nm、斬波器與鎖相放大器參考頻率為2 Hz、單點測試10次、緩沖時間10 s的狀態(tài)下,成功獲取 USB-HID設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)。上位機軟件調(diào)用TeeChart控件繪制出待測電池光譜響應(yīng)曲線，測試結(jié)果如圖8所示。

USB已經(jīng)逐步取代了串口，成為現(xiàn)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(tǒng)采用USB通信方式，同時上位機軟件具備穩(wěn)定準確的數(shù)據(jù)獲取能力，并以圖像方式準確直觀地顯示測試結(jié)果，具有一定的實用價值。

[1]原雪,徐朝陽,朱春光,等.C++Builder 6入門提高[M].長沙:國防科技大學出版社,2002.

[2]吳逸賢,吳目誠.精彩 C++Builder 6程序設(shè)計[M].北京:科學出版社,2003.

[3]GB 11009-1989太陽能電池光譜響應(yīng)測試方法[S].中華人民共和國機械電子工業(yè)部1989-03-02批準：1990實施.

[4]廖濟林.USB2.0應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.