CN213581372U - 基于fpga和模拟开关的高密度电极切换接入装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型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装置，包括信号通道N等四通道电阻率测量总线，通过模拟开关实现电极切换接入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等用于实现电极间电压信号的模数转换；电流通道A、电流通道B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处理器连接FPGA，实现电极切换接入的程序控制，实现信号通道N和信号通道P的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。本实用新型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，可实现任意组合的电极切换接入。

Description

基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置

技术领域

本实用新型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装置。

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。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置。

本实用新型是这样实现的，一种基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置，所述基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置设置有：四通道电阻率测量总线、模拟开关、现场可编程门阵列FPGA、A/D模数转换器、D/A模数转换器、可控恒流源、电流切换、ARM处理器、参数配置串口、数据传输串口、数据存储模块、日历时钟模块；

四通道电阻率测量总线包括信号通道N、信号通道P、电流通道A、电流通道B；

通过模拟开关实现电极切换接入四通道电阻率测量总线，模拟开关的导通与关断通过现场可编程门阵列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、电流通道B与D/A数模转换器控制的可控恒流源连接，实现电极间的交流供电；

ARM处理器通过FMSC总线与现场可编程门阵列FPGA连接，现场可编程门阵列FPGA通过IO控制与电流切换、模拟开关连接；

ARM处理器通过UART端口与参数配置串口、数据传输串口连接，ARM处理器通过I/O端口与A/D模数转换器、D/A数模转换器、数据存储模块、日历时钟模块连接。

进一步，所述A/D模数转换器采用24位模数转换器，所述D/A数模转换器采用16位数模转换器。

进一步，所述D/A数模转换器连接可控恒流源，D/A数模转换器将ARM处理器给出的数字量控制信号先转换为0到4V的模拟量电压，再通过可控恒流源电路产生对应的0到200mA的测量电流；所述可控恒流源的输出通过电流切换连接到电流通道A、电流通道B，电流切换在现场可编程门阵列FPGA的控制下实现对电流通道A、电流通道B的交流供电；

所述的A/D模数转换器将信号通道N、信号通道P之间的模拟信号转换为数字量信号发给ARM处理器；

所述模拟开关在现场可编程门阵列FPGA的控制下，实现96个电极切换，每次选出四个电极与四通道电阻率测量总线连接。

进一步，所述模拟开关内置有独立的CMOS管作为单刀单掷的模拟开关，逻辑高电平时导通，每个开关在正常工作温度内导通电阻小于0.8Ω，切换时间为25ns，适用于1.8V、2.7V和3.6V的逻辑电压；使用96个ADG812对应96个电极，每个电极根据该芯片的切换与四通道电阻率测量总线的连接，根据测量需要交替切换四通道电阻率测量总线连接的电极，完成测点的转换。

进一步，所述参数配置串口和数据传输串口为UART串口；日历时钟模块为带有待机电源的RTC电路；数据存储模块采用SD卡，负责储存数据与工作日志。

综上所述，本实用新型的优点及积极效果为：本实用新型针对探杆式高密度电阻率测量系统的电极切换接入的集中式控制需求和现有的有触电继电器切换接入控制的问题，本实用新型提出了基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置。采用模拟开关替换有触电继电器实现电极的切换接入，解决了有触电继电器的问题，同时针对模拟开关导通电阻较大且不一致的问题，采用可控恒流源作为测量电流发生器。针对探杆式高密度电阻率测量系统的任意电极组合的测量需求，采用I/O端口丰富的FPGA控制模拟开关的导通与关断。本实用新型提供了一套探杆式高密度电阻率测量系统的电极切换接入控制和测量方案，该方案可推广应用于其他高密度直流电法测量系统。

1)本实用新型为使用集中式电极切换接入控制的探杆式高密度电阻率测量系统，提供了一种基于模拟开关和可控恒流源的电极切换接入控制解决方案，摆脱了使用有触点继电器所带来的继电器触点寿命有限、高功耗、切换时间长等缺点。

2)本实用新型针对集中式电极切换接入控制的开关控制点多的问题和电极任意组合测量的需求，利用FPGA的I/O端口丰富和可编程的特点，提供了一种基于FPGA的模拟开关控制方案，与传统的“微处理器+I/O扩展”的开关控制方案相比，具有系统设计灵活、可硬件编程的特点，降低了系统复杂度，提高了系统可靠性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入系统的结构示意图；

图中：1、四通道电阻率测量总线；2、模拟开关；3、现场可编程门阵列FPGA；4、电极；5、A/D模数转换器；6、D/A数模转换器；7、可控恒流源；8、电流切换；9、ARM处理器；10、参数配置串口；11、数据传输串口；12、数据存储模块；13、日历时钟模块。

图2是本实用新型实施例提供的基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入方法的流程图。

图3是本实用新型实施例提供的基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入系统的电路原理示意图。

图4是本实用新型实施例提供的基于模拟开关的电极切换控制示意图。

图5是本实用新型实施例提供的基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供的基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入系统包括：四通道电阻率测量总线1、模拟开关2、现场可编程门阵列FPGA3、电极4、A/D模数转换器5、D/A数模转换器6、可控恒流源7、电流切换8、ARM处理器9、参数配置串口10、数据传输串口11、数据存储模块12、日历时钟模块13。

四通道电阻率测量总线1包括信号通道N、信号通道P、电流通道A、电流通道B；

通过模拟开关2实现电极4切换接入四通道电阻率测量总线1，模拟开关2的导通与关断通过现场可编程门阵列FPGA3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5，实现电极间电压信号的模数转换；

电流通道A、电流通道B与D/A数模转换器6控制的可控恒流源7连接，实现电极间的交流供电；

ARM处理器9通过FMSC总线与现场可编程门阵列FPGA3连接，现场可编程门阵列FPGA3通过IO控制与电流切换8、模拟开关2连接；

ARM处理器通过UART端口与参数配置串口10、数据传输串口11连接，ARM处理器通过I/O端口与A/D模数转换器5、D/A数模转换器6、数据存储模块12、日历时钟模块13连接。

如图2所示，本实用新型实施例提供的基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入方法包括以下步骤：

S201：ARM处理器通过FSMC总线向现场可编程门阵列FPGA发出电极切换接入命令，现场可编程门阵列FPGA通过I/O控制模拟开关的导通和关断以实现电极切换接入；

S202：ARM处理器给出测量电流信号的数字量给D/A数模转换器，D/A数模转换器转换成相应的电压信号，电压信号经过可控恒流源转换成直流电流信号，直流电流信号通过电流切换变换成交流电流信号接入电流通道A和电流通道B上的电极；

S203：连接信号通道N和信号通道P的A/D模数转换器将信号通道上的电极间的电压信号转换成数字量发送给ARM处理器，ARM处理器计算获得信号通道上的电极间的电阻率。

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步的描述。

本实用新型可以实现控制电阻率测量系统的电极快速切换排列组合进行测量采集，并将测得信号进行放大、模数转换、自容存储、实时传输等功能的解决方案，并且在设计上既考虑到了用于海底沉积物电阻率测量的传感器，也适配用于陆上电阻率采集的传感器。本实用新型只是一个控制系统，是为带有若干电极的电阻率传感器或是电法测量仪服务的，而非一个专门的传感器。

如图3为本实用新型的硬件电路原理拓扑，以下是各部分模块主要功能：

本实用新型采用“ARM+FPGA”的双核控制架构，由低功耗的ARM处理器完成数据命令的处理与解析以及采集任务的调度与分配，而非直接控制电极开关；本实用新型的电极切换开关的控制工作交给支持SOPC技术、可高速并行运转、并且可配置IO引脚资源丰富的FPGA，其通过FSMC总线接受来自ARM的命令下达与数据传输；本实用新型需要24V的供电，并配有一个输入接口，经过电源变换模块可以转化出一个16V水声通信机电源供电端口，以及提供本实用新型其他部件各自需要的供电电压，其中水声通信机的供电是ARM可以控制的，在需要低功耗运行时关闭水声通信机，取消数据上传功能；本系统通信端口包含有一个水声通信串口模块、一个参数配置专用串口；本实用新型使用PCF8563芯片作为日历时钟，并且带有可充电式待机电容确保时钟计时的续航，确保命令与数据的时间日志记录；本实用新型使用SD卡作为储存介质并设计相关电路模块，实现储存数据与工作日志的功能；本实用新型为测量电极提供了四条总线：信号通道N、信号通道P、电流通道A、电流通道B，前两条总线连接测试电极M、N接收模拟信号，后两条总线连接供电电极A、B提供测量电流，其中供电电流方向可以通过模拟开关瞬间切换，实现测量电极的极化补偿；本实用新型使用16位DAC，将发出的数字量控制信号转换为0到4V的模拟量电压，再通过可控电流源电路产生对应的的0到200mA测量电流；本实用新型使用双通道AD采集电路，由24位AD芯片将两个通道的模拟信号分别转换为数字信号交给ARM来分析处理与储存；本实用新型在电极切换模块设计上，使用模拟开关组由FPGA的可配置IO控制，最多可以实现96个电极切换，从中选取出两个测量电极与两个导电电极分别与四条总线连接。

本实用新型在为使用高密度电法采集方法的电阻率传感器提供的主要控制功能是：

1)利用现场可编程门阵列FPGA的I/O快速控制模拟开关的导通和关断，实现任意组合的电极快速切换接入以调整测点位置，实现高速高密度测量；

2)电流通道可通过0到200mA的可控测量电流，通过FPGA的I/O控制电流切换以快速改变两个电流通道的电流方向进行电极极化补偿；

3)可以将实时采集得到的模拟信号进行放大与模数转换并储存，并通过数据传输串口上传，同时考虑到海底勘探的情况，设计了使用RS232通信的水声通信机供电接口，可以在水下上传实时采得的数据，既能自容式测量，也兼容实时在线观测；

4)提供数据测量时间记录功能，系统工作日志记录功能，方便调试与查阅检验系统工作情况。

5)可以适用于使用四电极电阻率测量方法的传感器，或其他需要快速开关组合控制的情况。

本实用新型通过FPGA丰富的可配置IO资源控制模拟开关，实现电极切换，同时可依靠模拟开关切换电流方向进行电极极化补偿。

图4为本实用新型使用模拟开关实现的电极控制，其中的模拟开关使用AnalogDevices公司的ADG812芯片。该模拟开关芯片内置有四组独立的CMOS管作为单刀单掷的模拟开关，逻辑高电平时导通，每个开关在正常工作温度内导通电阻小于0.8Ω，切换时间为25ns，适用于1.8V、2.7V和3.6V的逻辑电压。这里使用了96个ADG812对应96个电极，每个电极可以根据该芯片的四个开关切换与四个总线的连接，根据测量需要交替切换四个总线连接的电极，完成测点的转移。另外，可控直流源输出电流流入哪一条电流总线同样由模拟开关控制选择切换，在设计上使用两个IO分别控制两条电流总线的正负，并且两个IO控制在逻辑上互锁，防止短路。这样的设计是为了对电极进行极化补偿，由于电极在通过一定电流时，电极与沉积物之间发生离子迁移，断电后离子继续扩散，这一系列过程中会产生各种电位，而且这些电位是随时间、随温度变化的，变化的范围都在mV级以上，是一种需要排除的干扰信号。

具体的控制方法如下：

1)根据设置的电极极距与电极排列方式，选择四个电极，使用FPGA的I/O控制所选择的四个电极对应的模拟开关，将选择为供电电极A的电极与电流通道A连接，选择为供电电极B的电极与电流通道B连接，选择为测量电极M的电极与信号通道P连接，选择为测量电极N的电极与信号通道N连接；

2)根据设置的测量电流，控制可控恒流源输出相应的电流值，使用FPGA的I/O控制电流切换使电流通道A为正、电流通道B为负，采集得到信号通道P与信号通道N间的电压值；

3)使用FPGA的I/O控制电流切换使电流通道A为负、电流通道B为正，采集得到信号通道P与信号通道N间的电压值，完成电极极化补偿，完成一个测点的测量工作；

4)断开所有电极的连接，将可控电流源的输出电流调整为0，选择新的四个测量电极并循环上述步骤。

如图5所示，本实用新型采用ARM、FPGA双核架构，由ARM主控芯片负责任务调度、信号输出、数据储存等职能，将电极切换开关控制的核心任务交给IO资源更加丰富的FPGA。本实用新型的测量信号发送由ARM发送数字量给DAC，转换成对应的电压量后，经过可控电流源输出恒流给供电电极，电流经过测点后通过被测电极返回到电路中，其返回的电信号经过放大电路处理，再通过ADC转换成对应数字量给ARM主控芯片，再进行相应的计算成为有效数据。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置，其特征在于，所述基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置设置有：四通道电阻率测量总线、模拟开关、现场可编程门阵列FPGA、A/D模数转换器、D/A模数转换器、可控恒流源、电流切换、ARM处理器、参数配置串口、数据传输串口、数据存储模块、日历时钟模块；

四通道电阻率测量总线包括信号通道N、信号通道P、电流通道A、电流通道B；

通过模拟开关实现电极切换接入四通道电阻率测量总线，模拟开关的导通与关断通过现场可编程门阵列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、电流通道B与D/A数模转换器控制的可控恒流源连接，实现电极间的交流供电；

ARM处理器通过FMSC总线与现场可编程门阵列FPGA连接，现场可编程门阵列FPGA通过IO控制与电流切换、模拟开关连接；

ARM处理器通过UART端口与参数配置串口、数据传输串口连接，ARM处理器通过I/O端口与A/D模数转换器、D/A数模转换器、数据存储模块、日历时钟模块连接。

2.如权利要求1所述的基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置，其特征在于，所述A/D模数转换器采用24位模数转换器，所述D/A数模转换器采用16位数模转换器。

3.如权利要求1所述的基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置，其特征在于，所述D/A数模转换器连接可控恒流源，D/A数模转换器将ARM处理器给出的数字量控制信号先转换为0到4V的模拟量电压，再通过可控恒流源电路产生对应的0到200mA的测量电流；所述可控恒流源的输出通过电流切换连接到电流通道A、电流通道B，电流切换在现场可编程门阵列FPGA的控制下实现对电流通道A、电流通道B的交流供电；

所述的A/D模数转换器将信号通道N、信号通道P之间的模拟信号转换为数字量信号发给ARM处理器；

所述模拟开关在现场可编程门阵列FPGA的控制下，实现96个电极切换，每次选出四个电极与四通道电阻率测量总线连接。

4.如权利要求1所述的基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置，其特征在于，所述模拟开关内置有独立的CMOS管作为单刀单掷的模拟开关，逻辑高电平时导通，每个模拟开关在正常工作温度内导通电阻小于0.8Ω，切换时间为25ns，适用于1.8V、2.7V和3.6V的逻辑电压；使用96个模拟开关连接96个电极。

5.如权利要求1所述的基于FPGA和模拟开关的高密度电极切换接入装置，其特征在于，参数配置串口和数据传输串口为UART串口；日历时钟模块为带有待机电源的RTC电路；数据存储模块采用SD卡，负责储存数据与工作日志。

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