摘要：利用C++Builder開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件來(lái)測(cè)試太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)、繪制測(cè)試曲線、輸出測(cè)試結(jié)果。下位機(jī)采用STM32F103VET單片機(jī)以USB人機(jī)接口類方式與上位機(jī)通信。實(shí)驗(yàn)證明，軟件操作簡(jiǎn)便，能夠穩(wěn)定獲取數(shù)據(jù)并輸出結(jié)果。
關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能電池；C++Builder；USB-HID；測(cè)試軟件
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能
太陽(yáng)能電池性能測(cè)試系統(tǒng)由硬件結(jié)構(gòu)與測(cè)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(cè)量電路三部分，如圖1所示。軟件主要分為上位機(jī)軟件與下位機(jī)程序兩部分。
太陽(yáng)光模擬光源選用氙燈，因?yàn)槠渚哂休^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(yáng)光源。光源通過斬波器變?yōu)榻蛔兊膹?fù)色光信號(hào)，再經(jīng)光柵單色儀，為測(cè)試系統(tǒng)提供交變單色光信號(hào)。偏置光源的存在使系統(tǒng)具備了測(cè)試多節(jié)太陽(yáng)能電池的條件，可選用氙燈、鹵鎢燈作為光源。待測(cè)太陽(yáng)能電池樣品與已標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器至于樣品室中的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，通過數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連。上位機(jī)軟件可對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器絕對(duì)光譜響應(yīng)曲線、被測(cè)太陽(yáng)能電池絕對(duì)光譜響應(yīng)曲線以及量子效率曲線。
2上位機(jī)總體設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理
2.1 上位機(jī)總體設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件作為人機(jī)交互的媒介，理應(yīng)具備界面簡(jiǎn)潔、便于用戶理解、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發(fā)環(huán)境具有大量可重用控件與強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)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。
3.1 HID固件程序設(shè)計(jì)
上位機(jī)檢測(cè)USB設(shè)備是通過對(duì)集線器接收端的電平信號(hào)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(jī)并沒有在此環(huán)節(jié)做內(nèi)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。USB部分硬件實(shí)現(xiàn)如圖5所示。
HID設(shè)備與主機(jī)間的通信是通過USB的控制管道（默認(rèn)管道即端點(diǎn)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(diǎn)描述符、字符串描述符、 HID描述符、報(bào)告描述符、實(shí)體描述符，其中前5個(gè)描述符屬于USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)描述符，而后3個(gè)則為HID類設(shè)備特定描述符。通過對(duì)描述符的配置實(shí)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(duì)端口的定義以及對(duì)報(bào)文格式的定義。
主機(jī)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(jī)的請(qǐng)求，并在枚舉期間向主機(jī)發(fā)送描述符響應(yīng)主機(jī)的請(qǐng)求。系統(tǒng)將太陽(yáng)能電池短路電流數(shù)據(jù)作為一個(gè)報(bào)文，當(dāng)短路電流測(cè)量完成后，USB設(shè)備將報(bào)文發(fā)向上位機(jī)，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(shè)備標(biāo)準(zhǔn)描述符
設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(hào)為0、定義端點(diǎn)，定義接口協(xié)議為HID自定義設(shè)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(zhǎng)度為8 B。
(4) 編輯CustomHID_ReportDescriptor報(bào)文描述符，設(shè)定8 B報(bào)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(hào)。
3.1.2 USB端點(diǎn)設(shè)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(shù)，初始化端點(diǎn)0和端點(diǎn)1，調(diào)用SetEPType()函數(shù)初始化端點(diǎn)0為控制端點(diǎn)類型、端點(diǎn)1為中斷端點(diǎn)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(zhǎng)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(shí)鐘、USB中斷、USB時(shí)鐘與初始化。
(3) 編寫CustomHID_Send()數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，調(diào)用UserToPMABufferCopy()，將數(shù)據(jù)放入輸出Buffer，調(diào)用SetEPTxValid(ENDP1)使端點(diǎn)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(diǎn)1有效以接收數(shù)據(jù)。
3.2上位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)
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(kù)函數(shù)獲取HID設(shè)備的全局唯一標(biāo)識(shí)(GUID)、設(shè)備ID、設(shè)備接口、緩沖區(qū)指針等信息，最終獲取報(bào)文信息，解析數(shù)據(jù)交數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)一步處理。上位機(jī)HID程序流程圖如圖7所示。
上位機(jī)實(shí)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。
(3) 使用SetupDiEnumDeviceInterfaces函數(shù)識(shí)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(bào)文。
4 軟件測(cè)試結(jié)果
軟件檢測(cè)相關(guān)設(shè)備處于連接狀態(tài)，將標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池與待測(cè)太陽(yáng)能電池置于樣品室檢測(cè)臺(tái)上，軟件配置相關(guān)檢測(cè)參數(shù)，在掃描范圍300 nm~1 200 nm、波長(zhǎng)間隔10nm、斬波器與鎖相放大器參考頻率為2 Hz、單點(diǎn)測(cè)試10次、緩沖時(shí)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(jī)軟件調(diào)用TeeChart控件繪制出待測(cè)電池光譜響應(yīng)曲線，測(cè)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(cè)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(qiáng)。系統(tǒng)采用USB通信方式，同時(shí)上位機(jī)軟件具備穩(wěn)定準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)獲取能力，并以圖像方式準(zhǔn)確直觀地顯示測(cè)試結(jié)果，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
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