本發明涉及檢測領域，特別是涉及一種機器魚尾鰭能耗監測系統。

背景技術：

機器魚尾鰭的擺動為機器魚運動提供動力，尾鰭擺動時的擺幅、擺動頻率以及初始偏角都影響著整個系統的功耗。針對能耗分析的主要技術手段分為兩大類，即軟件仿真方法和硬件實驗方法。軟件仿真方法有：NS-2,OPNET,SensorSim以及Samovar等。外部實驗的方法電流探針法、基于軟件探針等方法。

電流探針法利用電流探針采集輸出電壓，即利用電流探針將采集的電流信號轉換成電壓信號，根據線性函數方程計算消耗的能量。

軟件探針法通過插入能耗測量代碼，并配合外部硬件電路計算節點能耗，如SOPT系統(傳感器網絡功耗監測系統)，該系統包括四個部分：①被測部分，包括無線傳感網平臺以及電池；②驗證校準部分，如數字萬用表；③數據獲取部分，包括抗干擾電流探針以及信號調理和數據采集模塊；④PC部分，主要用于記錄分析數據。如Dutta(傳感器網絡功耗調度器)使用一種稱為iCount的組件，通過在原工作程序中插入代碼，控制開關電路的輸出。該組件是基于傳感器網絡操作系統TinyOS平臺，使用其獨特的語法開發，在應用程序執行時調用。使用外部硬件電路配合組件捕獲輸出的脈沖寬度和周期，從而計算出能量消耗。

軟件仿真方法多基于靜態的節點，無法測試運動的情況。電流探針法抗干擾性和穩定性較好，但該方法測量范圍和精度有限，對硬件要求較高，適用于實驗室測量和建立各個模塊的仿真模型，對于機器魚在水中游動的環境，這種測試方法并不適宜。軟件探針法具有較好的抗干擾性，但受節點的軟件平臺限制，對硬件要求較高，而且會對節點的工作造成不可估量的影響。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種結構簡單、測量精度高、能夠適應有水環境的機器魚尾鰭能耗監測系統。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種機器魚尾鰭能耗監測系統，所述系統包括：測流電阻、運算放大器、模數轉換模塊、主控制器和上位機，所述測流電阻串聯在舵機的供電電路中，所述運算放大器的兩端與所述測流電阻的兩端相連接，所述運算放大器用于將所述測流電阻兩端的電壓放大，所述模數轉換模塊與所述運算放大器相連接，所述模數轉換模塊用于將運算放大器放大后的模擬電壓轉換為數字電壓信號，所述主控器與所述模數轉換模塊相連接，所述主控器用于控制將所述數字電壓信號傳輸至所述上位機。

可選的，所述系統還包括：無線通信模塊，所述無線通信模塊與所述主控制器相連接，所述主控制器控制所述無線通信模將所述數字電壓信號傳輸至所述上位機。

可選的，所述上位機用于根據所述數字電壓信號計算得到所述測流電阻兩端的電壓值、流過所述測流電阻的電流值和機器魚尾鰭的能耗。

可選的，所述模數轉換模塊包括模數轉換芯片，所述模數轉換芯片的型號為MAX1169。

可選的，所述運算放大器采用TI公司生產的低功耗CMOS運算放大器OPA2333。

根據本發明提供的具體實施例，本發明公開了以下技術效果：本發明提供的機器魚尾鰭能耗監測系統，通過在舵機的供電回路中串聯測流電阻，并利用運算放大器將測流電阻兩端的電壓放大，經過模數轉換后上傳到上位機，由上位機對收到的電壓信號進行處理計算，得到機器魚尾鰭的能耗。該測量系統對硬件的要求低，與現有技術中的對硬件要求極高、只能應用在實驗室環境中的方法相比，本發明提供的監測系統對環境的要求不高，能夠應用在有水的環境，而且，通過檢測電阻測量舵機電壓，進而得到機器魚尾鰭能耗的測量方式精度高，且基于該原理的系統結構簡單，與現有技術相比，具有很大優勢。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例尾鰭能耗監測電路設計原理框圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明的目的是提供一種結構簡單、測量精度高、能夠適應有水環境的機器魚尾鰭能耗監測系統。

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1為本發明實施例尾鰭能耗監測系統結構示意圖，如圖1所示，所述系統包括：測流電阻、運算放大器、模數轉換模塊、主控制器和上位機，所述測流電阻串聯在舵機的供電電路中，所述運算放大器的兩端與所述測流電阻的兩端相連接，所述運算放大器用于將所述測流電阻兩端的電壓放大，所述模數轉換模塊與所述運算放大器相連接，所述模數轉換模塊用于將運算放大器放大后的模擬電壓轉換為數字電壓信號，所述主控器與所述模數轉換模塊相連接，所述主控器用于控制將所述數字電壓信號傳輸至所述上位機。

所述系統還包括：無線通信模塊，所述無線通信模塊與所述主控制器相連接，所述主控制器控制所述無線通信模將所述數字電壓信號傳輸至所述上位機。

所述上位機用于根據所述數字電壓信號計算得到所述測流電阻兩端的電壓值、流過所述測流電阻的電流值和機器魚尾鰭的能耗。

所述模數轉換模塊包括模數轉換芯片，所述模數轉換芯片的型號為MAX1169。ADC模數轉換芯片MAX1169的參考電壓采用的是其內部參考電壓，其電壓輸入范圍為0V～+4.096V。因此，運算放大器OPA2333的輸出電壓需在0V～+4.096V范圍內，因為運算放大器OPA2333所構成的放大電路的放大倍數為10倍，因此運算放大器OPA2333輸入電壓應介于0V～0.4096V范圍內，即測流電阻兩端的電壓范圍應在0V～0.4096V范圍內。機器魚尾鰭擺動頻率在1-2Hz，擺動幅度在10°-40°范圍內，舵機的最大工作電流約為0.7A，故選擇阻值為0.4Ω的低電感金屬薄膜電阻作為測流電阻。

所述運算放大器采用TI公司生產的低功耗CMOS運算放大器OPA2333。舵機在換向過程中，測流電阻兩端最小電壓600uV，因此要求運算放大電路應具有高輸入阻抗、很高的共模抑制比、低噪聲、低功耗和抗干擾能力強等特點。TI公司生產的低功耗CMOS運算放大器OPA2333具有超低失調電壓(26uV)、極低的靜態電流(17uA)、Rail-to-Rail輸入輸出特性、以及級低的溫漂等特性。同時，OPA2333提供了非常好的共模抑制比(CMRR)，放大倍數可根據需要自行設計，并且該放大器驅動模數轉換器(ADC)不需要外接外圍電路來達到阻抗匹配。

在舵機供電電路中串聯一個小阻值的測流電阻R_SENSE。舵機在正常工作過程中，采用運算放大器對測流電阻R_SENSE兩端的電壓V_a進行放大，并使用A/D模數轉換芯片將運算放大器放大后的模擬電壓V_b轉換為數字電壓信號，主控制器經過數據處理后將結果發送至上位機。上位機根據結果，利用公式(1)和公式(2)計算出測流電阻R_SENSE兩端的電壓V_a以及流過測流電阻R_SENSE的電流I_SENSE：

V_a＝V_b/K (1)

I_SENSE＝V_a/R_SENSE (2)

則機器魚尾鰭能耗為：

E＝VI_SENSEt

測流電阻R_SENSE阻值的選取考慮以下幾點：一、電壓損失。若測流電阻R_SENSE較大，則其分壓也會較大，則會影響舵機的正常工作。為了使其分壓損失最小，需選用阻值盡量小的測流電阻R_SENSE。二、精確性。若測流電阻R_SENSE較大，可使較小的電流被更精確地測量。為了獲得最好的測量效果，需結合已選擇的模數轉換芯片MAX1169的最大輸入電壓以及運算放大器電路的放大倍數來對測流電阻大小進行考慮。三、能量損失。當舵機工作電流較大時，測流電阻R_SENSE上的能量損失將比較顯著，若不考慮該問題，在舵機長時間工作的過程中，測流電阻R_SENSE上的能量消耗將會較大。其溫度也會隨著升高，測流電阻R_SENSE的阻值也會產生溫度漂移，從而造成測量誤差。

本發明提供的機器魚尾鰭能耗監測系統，通過在舵機的供電回路中串聯測流電阻，并利用運算放大器將測流電阻兩端的電壓放大，經過模數轉換后上傳到上位機，由上位機對收到的電壓信號進行處理計算，得到機器魚尾鰭的能耗。該測量系統對硬件的要求低，與現有技術中的對硬件要求極高、只能應用在實驗室環境中的方法相比，本發明提供的監測系統對環境的要求不高，能夠應用在有水的環境，而且，通過檢測電阻測量舵機電壓，進而得到機器魚尾鰭能耗的測量方式精度高，且基于該原理的系統結構簡單，與現有技術相比，具有很大優勢。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。