基于FPGA的高性能三維電阻抗成像系統(tǒng)*

陳曉艷，趙　驥，褚猛麗

（天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300222）

基于FPGA的高性能三維電阻抗成像系統(tǒng)*

陳曉艷*，趙驥，褚猛麗

（天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300222）

構(gòu)建以FPGA為核心控制器的兩層32電極的高性能三維電阻抗成像系統(tǒng)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計、系統(tǒng)性能測試及成像試驗，圖像重建采用共軛梯度算法。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)測量精度達(dá)0.082%，系統(tǒng)空間分辨率達(dá)0.51%，信噪比達(dá)60.3 dB。在盛有鹽水的實驗鹽水槽進(jìn)行成像試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別待測區(qū)域目標(biāo)物的個數(shù)、位置、大小等信息。系統(tǒng)的構(gòu)建為深入研究三維電阻抗成像等關(guān)鍵技術(shù)提供可靠的硬件平臺。

三維電阻抗成像；FPGA控制器；圖像重建；共軛梯度算法

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.04.002

電阻抗斷層成像EIT（Electrical Impedance Tomography）是近年來出現(xiàn)的新一代電學(xué)無創(chuàng)成像技術(shù)［1-4］?；驹砀鶕?jù)物體內(nèi)部的電阻抗特性，通過在其表面施加一定的電流/電壓，測量其表面電壓/電流，以所測電信號為基本信息由計算機(jī)根據(jù)相應(yīng)的圖像重建算法得出被測對象的電阻抗分布圖像［5-7］。目前，電阻抗斷層成像技術(shù)大多為二維（2D）成像，呈現(xiàn)出某一層面的電導(dǎo)率分布情況；而電場的實際分布是三維（3D）空間，因此為了獲得更加真實的電導(dǎo)率分布信息，三維電阻抗成像技術(shù)成為目前研究的重點課題。

本文研究實現(xiàn)了一套基于FPGA的三維電阻抗成像系統(tǒng)，運用相對簡單的軟硬件設(shè)計實現(xiàn)復(fù)雜功能，工作性能穩(wěn)定并且三維成像清晰，為今后繼續(xù)研究三維電阻抗成像技術(shù)奠定可靠有效的硬件基礎(chǔ)。

1　3D-EIT系統(tǒng)

2層32電極3D-EIT系統(tǒng)以FPGA為控制核心，采用準(zhǔn)對角激勵-相鄰測量的工作模式［8］，即激勵電極對為上下兩層且與正對位置相差一個電極，激勵順序1-24，2-25，…，16-23。在每一次激勵中，都進(jìn)行同層各相鄰電極對間的電壓測量，激勵電極除外，以1-24激勵為例，測量順序為:先測上層相鄰電極:2-3，3-4，…，15-16，再測量下層相鄰電極25-26，…，31-32，32-17，17-18，…，22-23。通過FPGA對被測對象施加電流激勵信號，并采集電壓信號，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并成像，系統(tǒng)實物如圖1所示。

圖1　3D-EIT系統(tǒng)實物圖

1.1硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的構(gòu)建采用模塊化設(shè)計，包括獨立的電源模塊、基于FPGA的激勵與采集模塊及多路復(fù)用器模塊，3個模塊統(tǒng)一裝配在同一母板上通過串口將采集數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，3D-EIT系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2　3D-EIT系統(tǒng)的硬件框圖

激勵源信號的質(zhì)量是影響系統(tǒng)測量精度的主要因素之一，本系統(tǒng)利用FPGA自帶的DDS （Direct Digital Synthesizer）IP核輸出頻率為 100 kHz數(shù)字正弦信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波得到比較純凈的模擬正弦電壓信號。此電壓信號通過增強(qiáng)型的Howland電流源電路轉(zhuǎn)換成正弦恒流源。通過調(diào)節(jié)回路中運放的參數(shù)，最終得到4 mA的恒流源，輸出的恒定正弦電流首先經(jīng)過一個標(biāo)準(zhǔn)電阻（Rs=10 Ω），通過差分放大獲得電阻兩端的電壓差，經(jīng)過單刀雙擲開關(guān)選擇通道及ADC轉(zhuǎn)換后送入FPGA進(jìn)行分析，通過對輸出電流進(jìn)行監(jiān)測，對其隨時間變化及通道切換時的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析并且計算恒流源的輸出阻抗為 260 kΩ［9-10］。

信號回路中的各種運放對電源的噪聲非常敏感，直接影響信號的質(zhì)量，因此本系統(tǒng)對電源模塊采用兩級電源結(jié)構(gòu)單獨設(shè)計，即一級DCDC降壓轉(zhuǎn)換器和二級LDO線性穩(wěn)壓器。電源模塊的實現(xiàn)已在前期發(fā)表論文中詳細(xì)描述［11］。

1.2軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序采用VHDL語言完成各元件信號的物理連接，利用FPGA內(nèi)嵌8 bit PicoBlaze微處理器完成激勵電極的切換、測量電極的切換、PGA增益的調(diào)節(jié)、幅值提取的控制、FIFO啟動及串口收發(fā)的控制等，利用FPGA片上的DCM（Digital Clock Manager）IP核得到3種性能穩(wěn)定的5 MHz、50 MHz、125 MHz時鐘頻率。

利用VHDL語言設(shè)計了一個幅值提取的元件（component）實體，將采集到的數(shù)據(jù)利用幅值提取元件提取其幅值。為了最大程度的降低噪聲的干擾又兼顧速度的平衡，對每一個測量點采用連續(xù)采集5個周期的幅值，去掉最大值和最小值后利用算數(shù)平均法得到這一個測量點的最終幅值［12-13］。通過串口通信，把提取的幅值上傳到上位機(jī)進(jìn)行圖像重建，上傳速度為77幅/min。系統(tǒng)主控制器軟件控制流程圖如圖3所示。

圖3　軟件控制流程

1.3上位機(jī)GUI界面設(shè)計

利用LabVIEW開發(fā)環(huán)境設(shè)計上位機(jī)GUI界面，與下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信并成像，如圖4所示，其中，左側(cè)為串口的配置與數(shù)據(jù)采集，包括串口端口號、波特率設(shè)置、采集圖幅數(shù)、發(fā)送的指令、三維10層成像與單層成像選擇、開始時間、結(jié)束時間、采集用時、上傳的數(shù)據(jù)顯示及采集完畢指示燈等模塊，中間部分顯示上傳數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的波形，右側(cè)為成像結(jié)果。

圖4　上位機(jī)GUI界面

2　系統(tǒng)性能測試

2.1系統(tǒng)精度

在試驗鹽水槽上進(jìn)行連續(xù)100次的空場數(shù)據(jù)采集，用式（1）計算系統(tǒng)中各通道的測量精度。

經(jīng)計算，測量精度最大值為0.186%，平均值為0.082%。

2.2信噪比測試

用式（2）計算系統(tǒng)中各通道的信噪比SNR（Signal to Noise Ratio）。

2.3空間分辨率測試

空間分辨率的定義如式（3）所示。

S棒是目標(biāo)棒的橫截面面積，S槽是水槽的橫截面面積。

在直徑為280 mm的鹽水槽中，依次放入直徑為50 mm、40 mm、30 mm、20 mm的有機(jī)玻璃棒，利用圖像重建算法進(jìn)行成像。多次試驗計算，系統(tǒng)空間分辨率可達(dá)0.51%。

3　成像試驗

本實驗中三維電阻抗圖像重建算法均采用共軛梯度算法，其也是常用的比較成熟的算法，很多文獻(xiàn)均進(jìn)行過詳細(xì)闡述，請參考文獻(xiàn)［14］。

3.1三維靜態(tài)目標(biāo)成像

首先，在試驗鹽水槽中距離槽邊界L=20 mm處，放置一根直徑為50 mm的圓柱形玻璃棒，取兩電極層之間的十個層面，其成像結(jié)果如圖5所示。圖像右側(cè)色度條顯示電導(dǎo)率的值，自上而下逐漸減小。由于玻璃棒電導(dǎo)率很小，在圖像中以藍(lán)色區(qū)域顯示。

其次，依次對直徑為50 mm、40 mm、30 mm、20 mm的圓柱型有機(jī)玻璃棒進(jìn)行成像，篇幅所限，僅選取三維圖像中的最上層進(jìn)行顯示，成像結(jié)果如6（a）～6（d）所示。

圖6　不同直徑棒成像效果

最后，對三維分布不均勻的兩種情況進(jìn)行成像，如圖7所示。

在鹽水槽中放入一個直徑為50 mm，高度為200 mm的圓柱形玻璃棒和一個直徑為60 mm，高度為90 mm的礦泉水瓶，礦泉水瓶漂浮在水上層，且礦泉水瓶上表面與水表面基本平齊，如圖7（a）所示，其三維10截面層成像如圖7（c）所示；將礦泉水瓶下沉到鹽水槽底部即礦泉水瓶的底部和鹽水槽的底部平齊，如圖7（b）所示，其三維10層截面成像如圖7（d）所示。

圖7　多目標(biāo)三維成像

當(dāng)?shù)V泉水瓶漂浮在水上層，且礦泉水瓶上表面與水表面基本平齊時，從圖7（c）可以看出，上5幅圖顯示兩個目標(biāo)物，下5幅圖顯示一個目標(biāo)物，表明右側(cè)礦泉水瓶的高度約左側(cè)玻璃棒高度的一半且礦泉水瓶的直徑大于玻璃棒的直徑，與圖7（a）實物圖是相符的。同理，圖7（d）的成像結(jié)果顯示上5幅圖顯示一個目標(biāo)物，下5幅圖顯示兩個目標(biāo)物，且下5幅圖中右側(cè)礦泉水瓶的直徑大于左側(cè)玻璃棒的直徑，與圖7（b）實物圖也是相符的。

4　總結(jié)

本文設(shè)計一套三維電阻抗成像系統(tǒng)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，成像精度較高。經(jīng)實驗測得系統(tǒng)精度與信噪比較課題組先前研究的二維系統(tǒng)都有提高。經(jīng)過比對單目標(biāo)物、多目標(biāo)物的靜動態(tài)三維成像試驗，表明該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測出待測區(qū)域目標(biāo)物的個數(shù)、大小等信息，為今后繼續(xù)研究三維成像以及在工業(yè)檢測和醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅實可靠的基礎(chǔ)。

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陳曉艷（1973-），通信作者，女，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為電學(xué)參數(shù)檢測與處理，cxywxr@tust.edu.cn；

趙驥（1991-），男，碩士，主要研究方向為電阻抗成像技術(shù)，zhaojitust@163.com；

褚猛麗（1990-），女，碩士，主要研究方向為電阻抗成像技術(shù)，chu0995@163.com。

FPGA-Based 3D High-Performance Electrical Impedance Tomography System*

CHEN Xiaoyan*，ZHAO Ji，CHU Mengli
（College of Information and Automation，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China）

A set of 3D FPGA-based high-performance electrical impedance tomography（EIT）system with two-layer 32 electrodes is designed and introduced.The software and hardware are developed and tested through experiments. The images are reconstructed by conjugate gradient（CG）algorithm.The results indicate that the average accuracy of the 3D EIT system can reach 0.082%，the spatial resolution can reach 0.51%and SNR is 60.3 dB.The imaging experiments of organic glass rods are carried out in an lab-made tank filled with saline and the images can accurately display the number of rods and their positions and shapes.Consequently，the research lay a firm foundation for the further study on 3D electrical impedance tomography.

3D electrical impedance tomography；FPGA controller；image reconstruction；CG algorithm

TP212.14

A

1004-1699（2016）04-0474-05

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目（61301246）

2015-11-02修改日期:2015-12-29