基于LabVIEW串口通信的太阳能电池I－V曲线测试系统的设计与应用

秦中立，范望喜，张秀花

（武汉生物工程学院化学与环境工程系，湖北 武汉430415）

0 引言

目前总线已经普及，但仍有不少设备通过RS232或者RS485通讯接口与计算机进行通讯［1］．串口为常用的计算机与外部串行设备之间的数据传输通道，通过RS232串口总线与PC计算机组成虚拟仪器系统，仍是目前虚拟仪器的构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统，它具有接口简单，使用方便的特点．在应用开发层，开发者希望使用符合行业标准的软件开发环境进行整个系统软件的开发［2］．

在虚拟仪器领域，当前最引人注目的开发语言是NI公司的LabVIEW（Laboratory virtual instrument engineering workbench，实验室虚拟仪器集成环境）．LabVIEW作为专为测试测量设计的程序，提供强大功能的同时还保证了系统灵活性的图形化编程环境，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，将数据采集、分析与显示功能集中在同一个环境中，让研究者可以在这个的平台上集成一套完整的应用方案，能够帮助用户高效、快速地开发测试系统，因此具有良好的移植性和直观性．伴随着LabVIEW8．5的推出，使用LabVIEW进行数据采集和仪器控制的功能进一步加强．目前，LabVIEW已逐渐成为测试测量行业标准的软件开发平台．在LabVIEW中实现串行通信的方式主要有利用VISA和使用ActiveX控件2种．VISA是一个标准的独立于硬件设备、接口、操作系统、编程语言和网络环境的I／O控制库，本身并不具有仪器编程能力，是生成虚拟仪器驱动程序的软件基础，为应用程序和仪器总线的通信建立了通道［3］，主要功能是处理计算机与设备间物理连接的通信，它可以将硬件接口（如RS232、GPIB或VXI等）连接的设备集成到一个系统中，由相应的软件完成所有仪器设备的控制．它是调用低层驱动器的高层API［4］，使用时需要安装VISA驱动程序．将Keithley2400数字源表与LabVIEW组合对光伏I－V曲线测试系统进行设计的方法已有报导［5］．

目前，各种太阳能电池性能的优劣主要依靠I－V曲线表征，快速简单方便的I－V曲线测试系统是科研工作者所追求的．为此，国内外很多仪器生产公司开发出各种各样的I－V曲线测试系统，如：上海辰华电化学工作站、美国Newport－Oriel公司研发的PVIV－212V测试系统．然而，对经费不足的学者而言，好的测试系统可遇不可求．因此，他们热衷于利用实验室现有的仪器自已搭建I－V曲线测试系统，使学生不仅丰富了理论知识，而且通过实践将知识融会贯通并转化为动手能力，同时，搭建了经济实惠而又满足要求的测试平台．

利用实验室现有的条件，本文中介绍一种以LabVIEW软件为开发平台、VISA库为生成虚拟仪器驱动程序的软件基础，将Keithley 2000数字源表、低压电源和计算机等硬件连接起来，组成数据采集实验系统，用纯电阻进行的校正后，将其应用于有机太阳能电池的I－V曲线测试．

1 系统组成

光路系统由氙灯、聚焦透镜、单色器等仪器组成．用预装上LabVIEW8．5和VISA 4．1两套软件的计算机将Keithley 2000数字源表、低压电源连接起来，整套系统的硬件组成如图1所示．

图1 I－V曲线测试系统的硬件组成示意图

2 程序的设计与编写

在编制程序之前，用NI提供的工具（measurement ＆automation explorer）对设备进行识别．由于实验使用了自治的电压源和Keithley 2000数字万用表，初始化串口时分别对它们使用了两个串口地址，com1和com2．

图2 I－V曲线测试系统的软件方框图

配置电压源时，为测试器件的I－V特性，对输出电压进行了相应的设置．在实验中使用循环来实现图形扫描的实时显示，把每次循环所加的电压值作为步长，并实时读出每次循环的电流值．以上均通过电压源和Keithley 2000数字源表在LabVIEW中的串口读写模块来实现，I－V曲线测试系统的软件方框图如图2所示．

用LabVIEW 8．5Express中的build X－Y Graph模块与图形显示模块来实时显示I－V曲线．在循环结束后，实验所得的电压和电流数据通过write to spreadsheet file Vi模块写入到新生成的txt文件中，以便于最后对数据的整理．

3 应用

3．1 校准 实验前，用此系统对标准55MΩ和5kΩ纯电阻进行校准，测出2条I－V曲线．根据欧姆定律，这2条I－V曲线均应通过原点，斜率为电阻的阻值．同时，利用Origin 7．0对所测的I－V曲线进行拟合，如果拟合的误差大于0．5%，则对程序中的相关参数进行调整，使拟合的误差小于或等于0．5%．

光源的校准 ：采用氙灯作为光源，用标准硅电池校准，使光通过聚焦透镜后照射样品的光为AG1．5的模拟太阳光，光强为100mW／cm2．

图3 有机太阳能电池结构示意图

3．2 太阳能电池的测试 制备了结构如图3所示的有机太阳能电池．利用CHI660电化学测试系统（上海辰华仪器有限公司生产）对其进行测量，所测结果如下：开路电压为0．604V；短路电流为8．27mA／cm2；填充因子为0．654；太阳能转换效率为3．27%．利用本文中设计搭建的测试系统对其进行测量，所测结果如下：开路电压为0．608V；短路电流为8．25mA／cm2；填充因子为0．662；电池的转换效率为3．32%，其结果与CHI660电化学测试系统测量的结果相近，其I－V曲线如图4所示．

图4 有机太阳能电池的I－V曲线

4 结论

本文中用LabVIEW软件、VISA库、Keithley 2000数字源表、低压电源和计算机等组成的数据采集实验系统，能方便、快捷地对光伏电池的电流一电压特性进行测量，其结果与CHI660电化学测试系统测试的结果相近，表明此系统具有良好的可靠性、实时性和准确性，达到经济实惠又能提高学生动手能力的目的．

［1］张鑫，李冬梅，黄元庆．基于LabVIEW 的阵列式传感器数据采集系统［J］．仪器仪表学报，2006，27（2）：1399－1402．

［2］吕向锋，高洪林，马亮，等．基于LabVIEW 串口通信的研究［J］．理论与方法，2009，28（12）：27－30．

［3］Kal Kmancj．LabVIEW：A software system for data acquisition，data analysis，and instrument control［J］．Journal of Clinical Monitoring and Computing，2005，11（1）：1387－1397．

［4］L Eon W．II Counch digital ＆analog communication systems（7th Ed）［M］．Macmillan：New York，2007：327－333．

［5］周印华，王亚男，吴伟才，等．基于LabVIEW的光伏I－V曲线测试系统的设计与应用［J］．仪器仪表学报，2006，27（6）：1775－1776．