一种机器鱼尾鳍能耗监测系统的制作方法

本发明涉及检测领域，特别是涉及一种机器鱼尾鳍能耗监测系统。

背景技术：

机器鱼尾鳍的摆动为机器鱼运动提供动力，尾鳍摆动时的摆幅、摆动频率以及初始偏角都影响着整个系统的功耗。针对能耗分析的主要技术手段分为两大类，即软件仿真方法和硬件实验方法。软件仿真方法有：NS-2,OPNET,SensorSim以及Samovar等。外部实验的方法电流探针法、基于软件探针等方法。

电流探针法利用电流探针采集输出电压，即利用电流探针将采集的电流信号转换成电压信号，根据线性函数方程计算消耗的能量。

软件探针法通过插入能耗测量代码，并配合外部硬件电路计算节点能耗，如SOPT系统(传感器网络功耗监测系统)，该系统包括四个部分：①被测部分，包括无线传感网平台以及电池；②验证校准部分，如数字万用表；③数据获取部分，包括抗干扰电流探针以及信号调理和数据采集模块；④PC部分，主要用于记录分析数据。如Dutta(传感器网络功耗调度器)使用一种称为iCount的组件，通过在原工作程序中插入代码，控制开关电路的输出。该组件是基于传感器网络操作系统TinyOS平台，使用其独特的语法开发，在应用程序执行时调用。使用外部硬件电路配合组件捕获输出的脉冲宽度和周期，从而计算出能量消耗。

软件仿真方法多基于静态的节点，无法测试运动的情况。电流探针法抗干扰性和稳定性较好，但该方法测量范围和精度有限，对硬件要求较高，适用于实验室测量和建立各个模块的仿真模型，对于机器鱼在水中游动的环境，这种测试方法并不适宜。软件探针法具有较好的抗干扰性，但受节点的软件平台限制，对硬件要求较高，而且会对节点的工作造成不可估量的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简单、测量精度高、能够适应有水环境的机器鱼尾鳍能耗监测系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种机器鱼尾鳍能耗监测系统，所述系统包括：测流电阻、运算放大器、模数转换模块、主控制器和上位机，所述测流电阻串联在舵机的供电电路中，所述运算放大器的两端与所述测流电阻的两端相连接，所述运算放大器用于将所述测流电阻两端的电压放大，所述模数转换模块与所述运算放大器相连接，所述模数转换模块用于将运算放大器放大后的模拟电压转换为数字电压信号，所述主控器与所述模数转换模块相连接，所述主控器用于控制将所述数字电压信号传输至所述上位机。

可选的，所述系统还包括：无线通信模块，所述无线通信模块与所述主控制器相连接，所述主控制器控制所述无线通信模将所述数字电压信号传输至所述上位机。

可选的，所述上位机用于根据所述数字电压信号计算得到所述测流电阻两端的电压值、流过所述测流电阻的电流值和机器鱼尾鳍的能耗。

可选的，所述模数转换模块包括模数转换芯片，所述模数转换芯片的型号为MAX1169。

可选的，所述运算放大器采用TI公司生产的低功耗CMOS运算放大器OPA2333。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的机器鱼尾鳍能耗监测系统，通过在舵机的供电回路中串联测流电阻，并利用运算放大器将测流电阻两端的电压放大，经过模数转换后上传到上位机，由上位机对收到的电压信号进行处理计算，得到机器鱼尾鳍的能耗。该测量系统对硬件的要求低，与现有技术中的对硬件要求极高、只能应用在实验室环境中的方法相比，本发明提供的监测系统对环境的要求不高，能够应用在有水的环境，而且，通过检测电阻测量舵机电压，进而得到机器鱼尾鳍能耗的测量方式精度高，且基于该原理的系统结构简单，与现有技术相比，具有很大优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例尾鳍能耗监测电路设计原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种结构简单、测量精度高、能够适应有水环境的机器鱼尾鳍能耗监测系统。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例尾鳍能耗监测系统结构示意图，如图1所示，所述系统包括：测流电阻、运算放大器、模数转换模块、主控制器和上位机，所述测流电阻串联在舵机的供电电路中，所述运算放大器的两端与所述测流电阻的两端相连接，所述运算放大器用于将所述测流电阻两端的电压放大，所述模数转换模块与所述运算放大器相连接，所述模数转换模块用于将运算放大器放大后的模拟电压转换为数字电压信号，所述主控器与所述模数转换模块相连接，所述主控器用于控制将所述数字电压信号传输至所述上位机。

所述系统还包括：无线通信模块，所述无线通信模块与所述主控制器相连接，所述主控制器控制所述无线通信模将所述数字电压信号传输至所述上位机。

所述上位机用于根据所述数字电压信号计算得到所述测流电阻两端的电压值、流过所述测流电阻的电流值和机器鱼尾鳍的能耗。

所述模数转换模块包括模数转换芯片，所述模数转换芯片的型号为MAX1169。ADC模数转换芯片MAX1169的参考电压采用的是其内部参考电压，其电压输入范围为0V～+4.096V。因此，运算放大器OPA2333的输出电压需在0V～+4.096V范围内，因为运算放大器OPA2333所构成的放大电路的放大倍数为10倍，因此运算放大器OPA2333输入电压应介于0V～0.4096V范围内，即测流电阻两端的电压范围应在0V～0.4096V范围内。机器鱼尾鳍摆动频率在1-2Hz，摆动幅度在10°-40°范围内，舵机的最大工作电流约为0.7A，故选择阻值为0.4Ω的低电感金属薄膜电阻作为测流电阻。

所述运算放大器采用TI公司生产的低功耗CMOS运算放大器OPA2333。舵机在换向过程中，测流电阻两端最小电压600uV，因此要求运算放大电路应具有高输入阻抗、很高的共模抑制比、低噪声、低功耗和抗干扰能力强等特点。TI公司生产的低功耗CMOS运算放大器OPA2333具有超低失调电压(26uV)、极低的静态电流(17uA)、Rail-to-Rail输入输出特性、以及级低的温漂等特性。同时，OPA2333提供了非常好的共模抑制比(CMRR)，放大倍数可根据需要自行设计，并且该放大器驱动模数转换器(ADC)不需要外接外围电路来达到阻抗匹配。

在舵机供电电路中串联一个小阻值的测流电阻R_SENSE。舵机在正常工作过程中，采用运算放大器对测流电阻R_SENSE两端的电压V_a进行放大，并使用A/D模数转换芯片将运算放大器放大后的模拟电压V_b转换为数字电压信号，主控制器经过数据处理后将结果发送至上位机。上位机根据结果，利用公式(1)和公式(2)计算出测流电阻R_SENSE两端的电压V_a以及流过测流电阻R_SENSE的电流I_SENSE：

V_a＝V_b/K (1)

I_SENSE＝V_a/R_SENSE (2)

则机器鱼尾鳍能耗为：

E＝VI_SENSEt

测流电阻R_SENSE阻值的选取考虑以下几点：一、电压损失。若测流电阻R_SENSE较大，则其分压也会较大，则会影响舵机的正常工作。为了使其分压损失最小，需选用阻值尽量小的测流电阻R_SENSE。二、精确性。若测流电阻R_SENSE较大，可使较小的电流被更精确地测量。为了获得最好的测量效果，需结合已选择的模数转换芯片MAX1169的最大输入电压以及运算放大器电路的放大倍数来对测流电阻大小进行考虑。三、能量损失。当舵机工作电流较大时，测流电阻R_SENSE上的能量损失将比较显著，若不考虑该问题，在舵机长时间工作的过程中，测流电阻R_SENSE上的能量消耗将会较大。其温度也会随着升高，测流电阻R_SENSE的阻值也会产生温度漂移，从而造成测量误差。

本发明提供的机器鱼尾鳍能耗监测系统，通过在舵机的供电回路中串联测流电阻，并利用运算放大器将测流电阻两端的电压放大，经过模数转换后上传到上位机，由上位机对收到的电压信号进行处理计算，得到机器鱼尾鳍的能耗。该测量系统对硬件的要求低，与现有技术中的对硬件要求极高、只能应用在实验室环境中的方法相比，本发明提供的监测系统对环境的要求不高，能够应用在有水的环境，而且，通过检测电阻测量舵机电压，进而得到机器鱼尾鳍能耗的测量方式精度高，且基于该原理的系统结构简单，与现有技术相比，具有很大优势。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。