[发明专利]基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入方法及系统

说明书

本发明属于高密度电阻率测量技术领域，公开了一种基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入方法及系统，包括信号通道N等四通道电阻率测量总线，模拟开关的导通与关断通过FPGA的I/O端口控制；信号通道N、信号通道P连接A/D模数转换器，实现电极间电压信号的模数转换；电流通道A等与D/A数模转换器控制的可控恒流源电路连接，实现电极间的供电；ARM处理器实现电极切换接入的程序控制，通过GPIO端口连接A/D模数转换器和D/A数模转换器，实现电极间电压信号采集、电流通道A和电流通道B的电极供电电流控制。本发明的模拟开关切换接入方法解决了传统继电器方法的高功耗、继电器触点使用次数限制等问题，基于FPGA的模拟开关控制可实现任意组合的电极切换接入。

技术领域

本发明属于高密度电阻率测量技术领域，尤其涉及一种基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入方法及系统。

背景技术

目前，最接近的现有技术：高密度电法勘探是近些年来发展起来的一种地球物理勘探方法，高密度电法勘探实质仍然是电法勘探，以研究对象与围岩存在的电性差异为物性基础和前提条件。高密度直流电法勘探仪器是用于观测测量电极M、N间电位差ΔU和供电电极A、B回路中电流强度I两个参数的测量仪器。根据供电电极A、B和测量电极M、N的不同排列方式和极距大小，分为多种测量排列装置，在勘探测量时同时把全部电极(几十至上百根)置于测点上，然后利用转换开关并按预设好的模式将不同的电极切换接入为供电电极A、B和测量电极M、N，实现高密度电法采集。高密度直流电法勘探仪器的主要测量功能包括电流测量信号发生、电极间电压信号采集、电极切换接入控制，其中电极切换接入控制是一项核心功能。在如何实现电极切换接入控制的问题上，国内外也给出了不同的解决方案。

考虑到大范围测量应用需求和减少电极连接线缆，分布式电极切换接入控制是高密度直流电法勘探仪器常用的设计方案。德国DMT公司研制生产的RESECS高密度电法仪，将开关单元分布在各个解码器上，其主机有一个电流测量通道和能够扩展为6个电位测量的通道，在工作时，主机发送编码命令给各个解码器，由解码器根据编码命令把任何一对接地电极切换为供电电极，实现实时采集；吉林大学研制的高密度电法仪，在控制A、B、M、N四个电极的排列方式时，主机与电极装换装置之间通过RS485通信，电极装换装置经过译码器、继电器实现电极切换接入控制；西北大学研制的矿用高密度电法采集系统，主机通过串口发送控制命令，使用多路复选器件组成菊链网络控制电极切换，实现A、B、M、N四个电极不同的排列方式；深圳市赛盈地脉技术有限公司研制了一套包括控制模块、n个采集通道、n个模式切换模块和n个采集模块的多通道高密度电法仪，其模式切换模块能够根据其控制端的控制信号切换第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端与信号输出端之间的导通，从而可以通过模式切换模块的多个信号输入端与信号输出端之间的导通切换，高效地切换多通道高密度电法仪的不同跑极模式。

近年来，针对单点贯入式测量需求，如海底沉积物的电阻率特性测量，出现了探杆式高密度电阻率测量系统。探杆式高密度电阻率测量系统的测量范围较小，贯入深度最大为十几米，探杆上的电极数量有几十到几百。其电极切换接入控制方法包括分布式电极切换接入和集中式电极切换接入。分布式电极切换接入方法同前述常用的高密度直流电法勘探仪器，集中式电极切换接入将每个电极通过线缆接到测量主机，测量主机通过I/O扩展电路控制继电器实现电极的切换接入。集中式电极切换接入方式的电极组合测量方式灵活，是目前探杆式高密度电阻率测量系统的主要设计方式。

综上所述，分布式电极切换接入方法是高密度直流电法勘探仪器的常用设计方案，该方法的优点是测量范围大、连接线缆少，但缺点是电极的测量组合方式少，不能满足灵活的、任意电极组合的测量需求，在探杆式高密度电阻率测量系统中不常用。集中式电极切换接入方式是目前探杆式高密度电阻率测量系统的常用方式，但受限于接触电阻的影响，目前通常采用的电极切换接入方式为有触点继电器，有触点继电器具有触点使用寿命限制、切换速度慢、功耗大等缺点。