CN103616563B - 一种开放式频谱仪接收通道扩展系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，将实时总线分成下行实时总线和上行实时总线，将下行实时总线的接收控制部分作为外扩接收信号实时总线，并配合其他信号扩展，完成接收通道的扩展，并且采用2-4台频谱仪组合实现从32到64通道甚至更多扩展。本发明不用上位机额外控制就可实现扩展，成本低，使用难度低，同步效果好。

Description

一种开放式频谱仪接收通道扩展系统

技术领域

本发明涉及一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，用于核磁共振成像、检测分析，属于医疗诊断影像领域。

背景技术

频谱仪是核磁共振测量装置或仪器中的核心部件，是高复杂度和高精度的仪器。它主要完成序列生成器工作，可发出激发波形，包括射频激发波形和梯度波形，得到核磁共振信号，将接收的核磁共振信号数字化后发送给上位机用于成像或波谱分析。

其中接收线圈的通道数目越多，图像的信噪比(SNR)越好，均匀区越大，图像的质量越好，对于成像越有利。还有一些特定功能应用中也要求更多的接收通道数。所以现在的磁共振成像系统要求不断的提高接收线圈的通道数，从开始的单通道线圈到正交线圈，4通道线圈，16通道线圈等，实验室中已经实现了64-128通道线圈的模型和试验。

随着接收线圈通道数的增加，频谱仪的接收通道也需要相应增加，但是现在的频谱仪接收通道多在16通道或者以下，再增加对频谱仪数据量的处理存在很高的难度。一种扩展方法是扩展同步时钟，而采用上位机发指令控制，因为上位机多采用非实时系统，这样接收指令的到达就可能相差N个时钟，存在接收不同步的风险，并且将控制工作交给上位机处理，带来应用的难度，并且对后期数据重建带来很大难度，图像质量不能保证。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，以解决接收通道受限的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，包括频谱仪、上位机、千兆网口，其特征在于：所述频谱仪包括主板、数据同步和时钟生成板、信号激发板、接收板和实时总线；所述主板是频谱仪的中央控制单元，其与数据同步和时钟生成板通过高速总线连接，与上位机通过千兆网口连接；所述实时总线分为下行实时总线和上行实时总线，数据同步和时钟生成板与主板通过高速总线连接，和信号激发板、接收板通过下行实时总线、上行实时总线连接并与控制和监测总线连接，其中接收板可连接1-4块；数据同步和时钟生成板通过外扩同步时钟和外扩接收信号实时总线、控制和监测总线与扩展频谱仪连接，进行频谱仪的接收通道扩展，所述频谱仪为2-4台，甚至更多。

所述频谱仪在多台连接使用时，其中一台为主控制机(英文为Master)频谱仪，其他均为从控制机(英文为Slave)频谱仪，上位机通过千兆网口与主控制机频谱仪和从控制机频谱仪连接，所述主控制机频谱仪中包括信号激发板，从控制机频谱仪中不包括信号激发板。

一种开放式频谱仪接收通道扩展方法，其特征包括以下内容：

①.主板主要执行序列计算，生成激发信号数据，接收共振信号的计算、滤波，并实现和上位机的通讯；

②.数据同步和时钟生成板将激发信号实时的发送给信号激发板，同时将接收板的接收信号数据实时的读取回来，发给主板；数据同步和时钟生成板为系统提供实时时钟，数据同步和时钟生成板将下行实时总线中的接收控制指令通过可编程门控阵列(英文缩写为FPGA)转化成低电压差分信号(英文缩写为LVDS)信号，形成了外扩接收信号实时总线；

③.信号激发板和数据同步和时钟生成板连接，从而得到波形数据，经过数字式频率合成器处理，将数据生成实时的射频波形和梯度波形发出；

④.接收板和数据同步和时钟生成板连接，接收板中集成了4路接收信号，可同时连接和处理4路接收波形，经过数模转换和数字下变频控制变换后发送给数据同步和时钟生成板；

⑤.将下行实时总线中的接收控制信号外扩，形成了外扩接收信号实时总线，控制从控制机频谱仪中的接收板工作，接收数据通过从控制机频谱仪本地的上行实时总线发到本地主板，处理后通过千兆网口发送给上位机；

⑥.主控制机频谱仪和从控制机频谱仪通过外扩同步时钟、外扩接收信号实时总线、控制和监测总线连接，主控制机频谱仪发出所有的控制指令，激发信号和同步时钟，接收信号分别由主控制机频谱仪的接收板和从控制机频谱仪的接收板分别接收和处理，并采用网线通过千兆网口将接收数据直接发给上位机。

所述主控制机频谱仪生产同步时钟，并传输给从控制机频谱仪，从控制机频谱仪可以选择同步时钟源，使能和关闭板上时钟，从控制机频谱仪发出的同步时钟是将输入时钟整形后发出，多级连接也可以保证信号质量。

所述下行实时总线和上行实时总线采用通用的TTL电平设计。

所有总线的逻辑控制都是采用可编程门控阵列(英文缩写为FPGA)完成。

外扩接收信号实时总线采用低电压差分信号(英文缩写为LVDS)电平设计，提高了传输的抗干扰性，从控制机频谱仪发出的外扩接收信号实时总线是将输入外扩接收信号实时总线经过可编程门控阵列(英文缩写为FPGA)整形后发出，多级连接也可以保证信号质量。

控制和监测总线用于系统其它非实时数据的传输、参数设置和硬件监测。

本发明采用如上技术方案后，不用上位机额外控制就可实现扩展，只要接受数据就可以，使用难度低；扩展频谱仪因为没有信号激发板，成本低；因为是采用一个接收信号实时总线控制，同步效果好。

附图说明

图1是频谱仪结构示意图；

图中1为主板、2为数据同步和时钟生成板、3为信号激发板、4为接收板、5为下行实时总线、6为上行实时总线、7为外扩同步时钟、8为外扩接收信号实时总线、9为控制和监测总线(CAM)。

图2频谱仪接收通道扩展示意图。

图中12为从控制机频谱仪、13为主控制机频谱仪、14为上位机、15为千兆网口。

具体实施方式

如图1所示，主板1主要与数据同步和时钟生成板2通过高速总线连接，与上位机14通过千兆网口15连接。主板1是频谱仪的中央控制单元，主要执行序列计算，生成激发信号数据，接收共振信号的计算，滤波，并实现和上位机的通讯。

数据同步和时钟生成板2主要与主板1通过高速总线连接，和信号激发板3和接收板4通过下行实时总线5、上行实时总线6与控制和监测总线9连接。数据同步和时钟生成板2通过外扩同步时钟7和外扩接收信号实时总线8和扩展频谱仪连接，进行频谱仪的接收通道扩展。数据同步和时钟生成板2将激发信号实时的发送给信号激发板3，同时将接收板4的接收信号数据实时的读取回来，发给主板1。数据同步和时钟生成板2为系统提供实时时钟。数据同步和时钟生成板2将下行实时总线中的接收控制指令通过可编程门控阵列(英文缩写为FPGA)转化成低电压差分信号(英文缩写为LVDS)信号，形成了外扩接收信号实时总线8。

信号激发板3和数据同步和时钟生成板2连接，得到波形数据，经过数字式频率合成器(DDS)的处理，将数据生成实时的射频波形和梯度波形发出。

接收板4和数据同步和时钟生成板2连接，接收板4中集成了4路接收信号，可同时连接和处理4路接收波形，经过数模转换和数字下变频控制变换后发送给数据同步和时钟生成板2。数据同步和时钟生成板2可以同时连接1到4块接收板4，实现4路信号采集到16路信号采集的不同配置。

如图2所示，将下行实时总线5中的接收控制信号外扩，形成了外扩接收信号实时总线8，控制从控制机频谱仪12中的接收板工作，接收数据通过从控制机频谱仪12本地的上行实时总线发到本地主板，处理后通过网口发送给上位机14。将这样的多台频谱仪组合实现从32至64通道，甚至更多的扩展。

其中必须设置一台仪器为主控制机频谱仪13，通过千兆网线和上位机连接。和从控制机频谱仪12通过外扩同步时钟7，外扩接收信号实时总线8与控制和监测总线9连接。主控制机频谱仪13发出所有的控制指令，激发信号和同步时钟。接收信号分别由主控制机频谱仪13的接收板和从控制机频谱仪12的接收板分别接收和处理，并采用网线将接收数据直接发给上位机14的千兆网口15，这样就避免了一台频谱仪处理过多数据量的问题。

从控制机频谱仪12通过千兆网线和上位机14连接，和主控制机频谱仪13以及其他从控制机频谱仪12通过外扩同步时钟7，外扩接收信号实时总线8与控制和监测总线9连接。

上位机14通过千兆网口与主控制机频谱仪13和从控制机频谱仪12连接。

该扩展系统及方式具有以下特点：

主控制机频谱仪13中包括信号激发板3，而在从控制机频谱仪12中不包括。

上行实时总线6、下行实时总线5采用TTL信号，可满足仪器内可数据传输使用，速度可达到25M×32bit＼s或更高，总线的设计需要考虑地线和端接匹配电阻。

外扩接收信号实时总线8采用低电压差分信号(英文缩写为LVDS)信号实现，速度可达到25M×8bit，可实现信号的长距离传输，因为仅仅外扩的是接收控制信号，8位的总线宽度可以满足功能。

总线电路都是采用可编程门控阵列(英文缩写为FPGA)实现逻辑控制。

主控制机频谱仪13的数据同步和时钟生成板2生产高精度和高稳定度的同步时钟，并通过外扩同步时钟7发给从控制机频谱仪12；外扩同步时钟7为10M时钟；主控制机频谱仪和从控制机频谱仪采用同一个时钟，保证了相位稳定性。

从控制机频谱仪12的数据同步和时钟生成板可以选择时钟源，采用外来同步时钟7或者板上时钟，并可控制板上时钟失效。

主控制机频谱仪13的接收控制信号是接收实时数据指令，包括接收的频率，相位，长度，数据同步标识符等，通过外扩接收控制实时总线8发给从控制机频谱仪的接收板4，接收板4将接收数据加上数据同步标识符，发给从控制机频谱仪的主板1。数据同步标识符用于上位机14将数据重建。

主控制机频谱仪13中的控制和监测总线9，用于将一些非实时信息，如接收频率等信息传给从控制机频谱仪12的主板1，接收板3和信号激发板4，将此信号扩展出来，保证了控制通道的一致性。控制和监测总线(CAM)可以接多个的负载。

主控制机频谱仪13和从控制机频谱仪12都采用网线将接收数据直接发给上位机14，这样就避免了一台频谱仪处理过多数据量的问题。

Claims (8)

1.一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，包括频谱仪、上位机、千兆网口，其特征在于：所述频谱仪包括主板(1)、数据同步和时钟生成板(2)、信号激发板(3)、接收板(4)和实时总线；所述主板(1)是频谱仪的中央控制单元，其与数据同步和时钟生成板(2)通过高速总线连接，与上位机(14)通过千兆网口(15)连接；所述实时总线分为下行实时总线(5)和上行实时总线(6)，数据同步和时钟生成板(2)与主板(1)通过高速总线连接，和信号激发板(3)、接收板(4)通过下行实时总线(5)、上行实时总线(6)连接并与控制和监测总线(9)连接，其中接收板(4)可连接1-4块；数据同步和时钟生成板(2)通过外扩同步时钟(7)和外扩接收信号实时总线(8)、控制和监测总线(9)与扩展频谱仪连接，进行频谱仪的接收通道扩展，所述频谱仪为2-4台。

2.根据权利要求1所述的一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，其特征在于：所述频谱仪在多台连接使用时，其中一台为主控制机频谱仪(13)，其他均为从控制机频谱仪(12)，上位机(14)通过千兆网口(15)与主控制机频谱仪(13)和从控制机频谱仪(12)连接，所述主控制机频谱仪(13)中包括信号激发板(3)，从控制机频谱仪(12)中不包括信号激发板(3)。

3.根据权利要求1所述的一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，其特征包括以下内容：

①.主板(1)主要执行序列计算，生成激发信号数据，接收共振信号的计算、滤波，并实现和上位机的通讯；

②.数据同步和时钟生成板(2)将激发信号实时的发送给信号激发板(3)，同时将接收板(4)的接收信号数据实时的读取回来，发给主板(1)；数据同步和时钟生成板(2)为系统提供实时时钟，数据同步和时钟生成板(2)将下行实时总线中的接收控制指令通过可编程门控阵列转化成低电压差分信号信号，形成了外扩接收信号实时总线(8)；

③.信号激发板(3)和数据同步和时钟生成板(2)连接，从而得到波形数据，经过数字式频率合成器处理，将数据生成实时的射频波形和梯度波形发出；

④.接收板(4)和数据同步和时钟生成板(2)连接，接收板(4)中集成了4路接收信号，可同时连接和处理4路接收波形，经过数模转换和数字下变频控制变换后发送给数据同步和时钟生成板(2)；

⑤.将下行实时总线(5)中的接收控制信号外扩，形成了外扩接收信号实时总线(8)，控制从控制机频谱仪(12)中的接收板(4)工作，接收数据通过从控制机频谱仪(12)本地的上行实时总线(6)发到本地主板(1)，处理后通过千兆网口发送给上位机(14)；

⑥.主控制机频谱仪(13)和从控制机频谱仪(12)通过外扩同步时钟(7)、外扩接收信号实时总线(8)、控制和监测总线(9)连接，主控制机频谱仪(13)发出所有的控制指令，激发信号和同步时钟，接收信号分别由主控制机频谱仪(13)的接收板和从控制机频谱仪(12)的接收板分别接收和处理，并采用网线通过千兆网口(15)将接收数据直接发给上位机(14)。

4.根据权利要求3所述的一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，其特征在于：所述主控制机频谱仪(13)生产同步时钟，并传输给从控制机频谱仪(12)，从控制机频谱仪(12)选择同步时钟源，使能和关闭板上时钟，从控制机频谱仪(12)发出的同步时钟是将输入时钟整形后发出，多级连接也可以保证信号质量。

5.根据权利要求3所述的一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，其特征在于：所述下行实时总线(5)和上行实时总线(6)采用通用的TTL电平设计。

6.根据权利要求3所述的一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，其特征在于：所有总线的逻辑控制都是采用可编程门控阵列完成。

7.根据权利要求3所述的一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，其特征在于：外扩接收信号实时总线(8)采用低电压差分信号电平设计，提高了传输的抗干扰性，从控制机频谱仪(12)发出的外扩接收信号实时总线(8)是将输入外扩接收信号实时总线(8)经过可编程门控阵列整形后发出，多级连接也可以保证信号质量。

8.根据权利要求3所述的一种开放式频谱仪接收通道扩展系统，其特征在于：控制和监测总线(9)用于系统其它非实时数据的传输、参数设置和硬件监测。