基于FPGA的高性能三维电阻抗成像系统*

陈晓艳，赵　骥，褚猛丽

（天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222）

基于FPGA的高性能三维电阻抗成像系统*

陈晓艳*，赵骥，褚猛丽

（天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222）

构建以FPGA为核心控制器的两层32电极的高性能三维电阻抗成像系统，详细描述了系统的软硬件设计、系统性能测试及成像试验，图像重建采用共轭梯度算法。测试结果表明，系统测量精度达0.082%，系统空间分辨率达0.51%，信噪比达60.3 dB。在盛有盐水的实验盐水槽进行成像试验，结果表明该系统能够准确识别待测区域目标物的个数、位置、大小等信息。系统的构建为深入研究三维电阻抗成像等关键技术提供可靠的硬件平台。

三维电阻抗成像；FPGA控制器；图像重建；共轭梯度算法

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

电阻抗断层成像EIT（Electrical Impedance Tomography）是近年来出现的新一代电学无创成像技术［1-4］。基本原理根据物体内部的电阻抗特性，通过在其表面施加一定的电流/电压，测量其表面电压/电流，以所测电信号为基本信息由计算机根据相应的图像重建算法得出被测对象的电阻抗分布图像［5-7］。目前，电阻抗断层成像技术大多为二维（2D）成像，呈现出某一层面的电导率分布情况；而电场的实际分布是三维（3D）空间，因此为了获得更加真实的电导率分布信息，三维电阻抗成像技术成为目前研究的重点课题。

本文研究实现了一套基于FPGA的三维电阻抗成像系统，运用相对简单的软硬件设计实现复杂功能，工作性能稳定并且三维成像清晰，为今后继续研究三维电阻抗成像技术奠定可靠有效的硬件基础。

1　3D-EIT系统

2层32电极3D-EIT系统以FPGA为控制核心，采用准对角激励-相邻测量的工作模式［8］，即激励电极对为上下两层且与正对位置相差一个电极，激励顺序1-24，2-25，…，16-23。在每一次激励中，都进行同层各相邻电极对间的电压测量，激励电极除外，以1-24激励为例，测量顺序为:先测上层相邻电极:2-3，3-4，…，15-16，再测量下层相邻电极25-26，…，31-32，32-17，17-18，…，22-23。通过FPGA对被测对象施加电流激励信号，并采集电压信号，将采集到的数据上传至上位机进行数据处理并成像，系统实物如图1所示。

图1　3D-EIT系统实物图

1.1硬件设计

本系统硬件结构的构建采用模块化设计，包括独立的电源模块、基于FPGA的激励与采集模块及多路复用器模块，3个模块统一装配在同一母板上通过串口将采集数据上传至上位机，3D-EIT系统硬件框图如图2所示。

图2　3D-EIT系统的硬件框图

激励源信号的质量是影响系统测量精度的主要因素之一，本系统利用FPGA自带的DDS （Direct Digital Synthesizer）IP核输出频率为 100 kHz数字正弦信号，经数模转换和低通滤波得到比较纯净的模拟正弦电压信号。此电压信号通过增强型的Howland电流源电路转换成正弦恒流源。通过调节回路中运放的参数，最终得到4 mA的恒流源，输出的恒定正弦电流首先经过一个标准电阻（Rs=10 Ω），通过差分放大获得电阻两端的电压差，经过单刀双掷开关选择通道及ADC转换后送入FPGA进行分析，通过对输出电流进行监测，对其随时间变化及通道切换时的稳定性进行定量分析并且计算恒流源的输出阻抗为 260 kΩ［9-10］。

信号回路中的各种运放对电源的噪声非常敏感，直接影响信号的质量，因此本系统对电源模块采用两级电源结构单独设计，即一级DCDC降压转换器和二级LDO线性稳压器。电源模块的实现已在前期发表论文中详细描述［11］。

1.2软件设计

系统主程序采用VHDL语言完成各元件信号的物理连接，利用FPGA内嵌8 bit PicoBlaze微处理器完成激励电极的切换、测量电极的切换、PGA增益的调节、幅值提取的控制、FIFO启动及串口收发的控制等，利用FPGA片上的DCM（Digital Clock Manager）IP核得到3种性能稳定的5 MHz、50 MHz、125 MHz时钟频率。

利用VHDL语言设计了一个幅值提取的元件（component）实体，将采集到的数据利用幅值提取元件提取其幅值。为了最大程度的降低噪声的干扰又兼顾速度的平衡，对每一个测量点采用连续采集5个周期的幅值，去掉最大值和最小值后利用算数平均法得到这一个测量点的最终幅值［12-13］。通过串口通信，把提取的幅值上传到上位机进行图像重建，上传速度为77幅/min。系统主控制器软件控制流程图如图3所示。

图3　软件控制流程

1.3上位机GUI界面设计

利用LabVIEW开发环境设计上位机GUI界面，与下位机数据采集模块进行通信并成像，如图4所示，其中，左侧为串口的配置与数据采集，包括串口端口号、波特率设置、采集图幅数、发送的指令、三维10层成像与单层成像选择、开始时间、结束时间、采集用时、上传的数据显示及采集完毕指示灯等模块，中间部分显示上传数据经处理后的波形，右侧为成像结果。

图4　上位机GUI界面

2　系统性能测试

2.1系统精度

在试验盐水槽上进行连续100次的空场数据采集，用式（1）计算系统中各通道的测量精度。

经计算，测量精度最大值为0.186%，平均值为0.082%。

2.2信噪比测试

用式（2）计算系统中各通道的信噪比SNR（Signal to Noise Ratio）。

2.3空间分辨率测试

空间分辨率的定义如式（3）所示。

S棒是目标棒的横截面面积，S槽是水槽的横截面面积。

在直径为280 mm的盐水槽中，依次放入直径为50 mm、40 mm、30 mm、20 mm的有机玻璃棒，利用图像重建算法进行成像。多次试验计算，系统空间分辨率可达0.51%。

3　成像试验

本实验中三维电阻抗图像重建算法均采用共轭梯度算法，其也是常用的比较成熟的算法，很多文献均进行过详细阐述，请参考文献［14］。

3.1三维静态目标成像

首先，在试验盐水槽中距离槽边界L=20 mm处，放置一根直径为50 mm的圆柱形玻璃棒，取两电极层之间的十个层面，其成像结果如图5所示。图像右侧色度条显示电导率的值，自上而下逐渐减小。由于玻璃棒电导率很小，在图像中以蓝色区域显示。

其次，依次对直径为50 mm、40 mm、30 mm、20 mm的圆柱型有机玻璃棒进行成像，篇幅所限，仅选取三维图像中的最上层进行显示，成像结果如6（a）～6（d）所示。

图6　不同直径棒成像效果

最后，对三维分布不均匀的两种情况进行成像，如图7所示。

在盐水槽中放入一个直径为50 mm，高度为200 mm的圆柱形玻璃棒和一个直径为60 mm，高度为90 mm的矿泉水瓶，矿泉水瓶漂浮在水上层，且矿泉水瓶上表面与水表面基本平齐，如图7（a）所示，其三维10截面层成像如图7（c）所示；将矿泉水瓶下沉到盐水槽底部即矿泉水瓶的底部和盐水槽的底部平齐，如图7（b）所示，其三维10层截面成像如图7（d）所示。

图7　多目标三维成像

当矿泉水瓶漂浮在水上层，且矿泉水瓶上表面与水表面基本平齐时，从图7（c）可以看出，上5幅图显示两个目标物，下5幅图显示一个目标物，表明右侧矿泉水瓶的高度约左侧玻璃棒高度的一半且矿泉水瓶的直径大于玻璃棒的直径，与图7（a）实物图是相符的。同理，图7（d）的成像结果显示上5幅图显示一个目标物，下5幅图显示两个目标物，且下5幅图中右侧矿泉水瓶的直径大于左侧玻璃棒的直径，与图7（b）实物图也是相符的。

4　总结

本文设计一套三维电阻抗成像系统，系统性能稳定，成像精度较高。经实验测得系统精度与信噪比较课题组先前研究的二维系统都有提高。经过比对单目标物、多目标物的静动态三维成像试验，表明该系统能够准确检测出待测区域目标物的个数、大小等信息，为今后继续研究三维成像以及在工业检测和医学检测等领域的应用提供了坚实可靠的基础。

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陈晓艳（1973-），通信作者，女，教授，博士，硕士研究生导师，主要研究方向为电学参数检测与处理，cxywxr@tust.edu.cn；

赵骥（1991-），男，硕士，主要研究方向为电阻抗成像技术，zhaojitust@163.com；

褚猛丽（1990-），女，硕士，主要研究方向为电阻抗成像技术，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

项目来源:国家自然科学基金项目（61301246）

2015-11-02修改日期:2015-12-29