CN105929348A - 一种磁共振谱仪及基于fpga的磁共振谱仪控制装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种磁共振谱仪及基于FPGA的磁共振谱仪控制装置，其中，所述控制装置包括：控制单元和转换接收单元，所述控制单元包括时钟源；所述控制装置内部的波形产生单元和信号接收单元经同一个时钟源同步。所述控制装置包括两种工作模式：连续波模式以及脉冲波模式；所述控制装置能够输出经过任意波调制的微波信号，且相较于现有技术中采用多个分离时钟源的电子顺磁共振谱仪控制装置具有较高的同步性和时间分辨率，使得其控制下的电子顺磁共振谱仪产生的脉冲形式的第二微波信号的脉冲宽度和脉冲相对延时的最小可分辨时间小，即所述第二微波信号的时间分辨率高。所述控制装置基于FPGA设计，集成度高，设计灵活，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振领域以及自动控制技术领域，更具体地说，涉及一种磁共振谱仪及基于FPGA的磁共振谱仪控制装置。
背景技术
电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance，EPR)技术是一种检测样品中未成对电子特性的谱学方法，广泛应用于化学、物理、材料、环境、生命科学和医学领域。顺磁共振实验中应用到的电子顺磁共振谱仪的工作模式主要分为脉冲波模式和连续波模式。
电子顺磁共振技术中通常使用连续波式或脉冲波式的微波信号对电子自旋进行激励，最后使用电子学读出的方法对电子自旋的量子态进行测量。微波信号主要由任意波形发生器、方波发生器以及必要的微波器件来产生，电子学读出主要通过基于高速模数转换技术的数据采集单元来完成。
现有集成脉冲波模式和连续波模式的电子顺磁共振谱仪通常采用独立的任意波形发生器、方波发生器、数据采集单元，通过上位机软件分别实现对上述模块的控制。这类设计中，各个模块使用各自的时钟基准源，通过异步触发实现同步，导致谱仪同步性差，难以应用于时间分辨率较高的场合。另外，系统设备繁多，集成度低，成本高，在软件和硬件上都很复杂，不易于调试，难以维护。
因此，如何提高顺磁共振谱仪的时间分辨率，同时又能提高谱仪的集成度，且实现较高的设计灵活性，是技术人员面临的难题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁共振谱仪及基于FPGA的磁共振谱仪控制装置。所述控制装置具有较高的同步性，可以提高所述磁共振谱仪的时间分辨率，同时具有较高的集成度和设计灵活性。
为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种基于FPGA的磁共振谱仪控制装置，应用于电子顺磁共振谱仪，所述顺磁共振谱仪包括：上位机、微波收发机、样品腔，所述微波收发机具有微波开关；所述控制装置包括：控制单元和转换接收单元，所述控制单元包括时钟源；其中，
所述控制单元用于接收所述上位机发送的波形数据和控制指令和根据所述时钟源产生的时钟信号生成工作时钟信号，根据所述控制指令选择所述控制装置的预设工作模式，所述预设工作模式包括连续波模式和脉冲波模式；
当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一数字信号；所述转换接收单元用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号与微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号并向所述样品腔发送，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；并接收所述第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将所述第二数字信号发送给上位机获取样品信息；
当所述控制装置处于连续波模式时，所述控制单元控制所述转换接收单元产生参考信号，并控制所述微波收发机向所述样品腔发送第一微波信号，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述转换接收单元用于接收经过所述参考信号调制的第四微波信号，并将经所述参考信号调制后的第四微波信号转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将所述第三数字信号发送给上位机获取样品信息；
所述控制单元设置于现场可编程门阵列FPGA中。
优选的，当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述波形数据为脉冲波形数据，所述第二微波信号和所述第三微波信号为脉冲微波信号。
优选的，所述转换接收单元包括波形转换单元和信号接收单元；
当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述波形转换单元用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号对所述微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号，所述第二微波信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；
所述信号接收单元用于接收所述脉冲微波信号形式的第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将携带有样品信息的第二数字信号发送给上位机获取样品信息。
优选的，所述控制装置还包括控制时钟管理单元；
所述控制时钟管理单元用于接收所述控制单元输出的工作时钟信号，并进行频率调节以及驱动能力的调节之后，向所述波形转换单元和信号接收单元传输。
优选的，当所述控制装置处于连续波模式时，所述第四微波信号为连续微波信号。
优选的，所述转换接收单元包括波形转换单元和信号接收单元；
当所述控制装置处于连续波模式时，所述微波收发机向所述样品腔发送连续微波信号，所述连续微波信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的连续微波信号形式的第四微波信号；
所述信号接收单元在所述控制单元的控制下发送参考信号；所述信号接收单元用于接收经所述参考信号调制的携带有样品信息的连续微波信号形式的第四微波信号，将其转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将携带有样品信息的第三数字信号发送给上位机获取样品信息。
优选的，所述控制装置还包括存储单元，所述预设工作模式还包括存储模式；
当所述控制装置处于存储模式时，所述控制单元将所述上位机传送的波形数据传送给所述存储单元进行存储。
优选的，当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元用于从所述存储单元中读取所述上位机发送的波形数据，对其进行处理后生成第一数字信号。
优选的，所述预设工作模式还包括方波模式；
当所述控制装置处于方波模式时，所述控制单元在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一方波信号；
所述转换接收单元用于接收所述第一方波信号，并对其进行电平调节获得第二方波信号并向所述微波收发机的微波开关输出，用于驱动所述微波开关，产生微波脉冲信号，所述微波脉冲信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述信号接收单元接收到所述第四微波信号后，将其转换为携带有样品信息的第四数字信号返回所述控制单元，以便所述控制单元将携带有样品信息的第四数字信号发送给上位机获取样品信息。
一种磁共振谱仪，包括至少一个如上述任一实施例所述的控制装置。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种磁共振谱仪及基于FPGA的磁共振谱仪控制装置，所述控制装置包括：控制单元和转换接收单元；其中，所述控制单元内部集成时钟源，所述控制单元根据所述时钟源产生的时钟信号生成工作时钟信号和用于接收所述上位机发送的波形数据和控制指令，根据所述控制指令选择所述控制装置的预设工作模式，所述预设工作模式包括连续波模式和脉冲波模式；当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一数字信号；所述转换接收单元用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号与微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号并向所述样品腔发送，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；并接收所述第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将所述第二数字信号发送给上位机获取样品信息；当所述控制装置处于连续波模式时，所述控制单元控制所述转换接收单元产生参考信号，并控制所述微波收发机向所述样品腔发送第一微波信号，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述转换接收单元用于接收经所述参考信号调制后的第四微波信号，并将经所述参考信号调制后的第四微波信号转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将所述第三数字信号发送给上位机获取样品信息；通过上述工作流程可以发现，所述控制单元通过同一个时钟源产生工作时钟信号，所述控制单元和转换接收单元在同源的工作时钟信号的触发下完成对所述电子顺磁共振谱仪的控制；同源的所述工作时钟信号的同步性较高，因而所述控制装置相较于现有技术中采用多个分离时钟源的电子顺磁共振谱仪控制装置具有较高的同步性，而所述控制装置的同步性越高，在其控制下的电子顺磁共振谱仪产生的脉冲形式的第二微波信号的脉冲宽度和脉冲相对延时的最小可分辨时间宽度越小，即所述第二微波信号的时间分辨率越高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例提供的一种基于FPGA的磁共振谱仪控制装置的结构示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的一种控制单元的结构示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的一种转换接收单元的结构示意图；
图4为本发明的一个实施例提供的一种波形转换单元的结构示意图；
图5为本发明的一个实施例提供的一种信号接收单元的结构示意图；
图6为本发明的一个优选实施例提供的一种控制单元的结构示意图；
图7为本发明的一个具体优选实施例提供的一种基于FPGA的磁共振谱仪控制装置的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有顺磁共振谱仪通常采用独立的任意波形发生器、方波发生器、数据采集单元来实现微波的产生和数据的采集，通过上位机软件分别实现对上述模块的控制。这类设计中，各个模块使用各自的时钟基准源，通过异步触发实现同步，导致谱仪同步性差，难以应用于时间分辨率较高的场合。另外，系统设备繁多，集成度低，成本高，在软件和硬件上都很复杂，不易于调试，难以维护。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于FPGA的磁共振谱仪控制装置，应用于电子顺磁共振谱仪，所述顺磁共振谱仪包括：上位机、微波收发机、样品腔；其特征在于，所述控制装置包括：控制单元和转换接收单元，所述控制单元包括时钟源；其中，
所述控制单元用于接收所述上位机发送的波形数据和控制指令和根据所述时钟源产生的时钟信号生成工作时钟信号，根据所述控制指令选择所述控制装置的预设工作模式，所述预设工作模式包括连续波模式和脉冲波模式；
当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一数字信号；所述转换接收单元用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号与微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号并向所述样品腔发送，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；并接收所述第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将所述第二数字信号发送给上位机获取样品信息；
当所述控制装置处于连续波模式时，所述控制单元控制所述转换接收单元产生参考信号，并控制所述微波收发机向所述样品腔发送第一微波信号，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述转换接收单元用于接收经过所述参考信号调制的第四微波信号，并将经所述参考信号调制后的第四微波信号转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将所述第三数字信号发送给上位机获取样品信息；
所述控制单元设置于现场可编程门阵列FPGA中。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种磁共振谱仪及基于FPGA的磁共振谱仪控制装置，所述控制装置包括：控制单元和转换接收单元；其中，所述控制单元内部集成时钟源，所述控制单元用于接收所述上位机发送的波形数据和控制指令和根据所述时钟源产生的时钟信号生成工作时钟信号，根据所述控制指令选择所述控制装置的预设工作模式，所述预设工作模式包括连续波模式和脉冲波模式；当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一数字信号；所述转换接收单元用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号与微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号并向所述样品腔发送，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；并接收所述第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将所述第二数字信号发送给上位机获取样品信息；当所述控制装置处于连续波模式时，所述控制单元控制所述转换接收单元产生参考信号，并控制所述微波收发机向所述样品腔发送第一微波信号，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述转换接收单元用于接收经过所述参考信号调制后的第四微波信号，并将经所述参考信号调制后的第四微波信号转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将所述第三数字信号发送给上位机获取样品信息；通过上述工作流程可以发现，所述控制单元通过同一个时钟源产生工作时钟信号，所述控制单元和转换接收单元在同源的工作时钟信号的触发下完成对所述电子顺磁共振谱仪的控制；同源的所述工作时钟信号的同步性较高，因而所述控制装置相较于现有技术中采用多个分离时钟源的电子顺磁共振谱仪具有较高的同步性，在其控制下的电子顺磁共振谱仪产生的脉冲形式的第二微波信号的脉冲宽度和脉冲相对延时的最小可分辨时间分辨率越高。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于FPGA的磁共振谱仪控制装置，应用于电子顺磁共振谱仪，所述顺磁共振谱仪包括：上位机、微波收发机、样品腔；如图1所示，所述控制装置包括：控制单元200和转换接收单元300，所述控制单元200包括时钟源100；其中，
所述控制单元200用于接收所述上位机发送的波形数据和控制指令和根据所述时钟源100产生的时钟信号生成工作时钟信号，根据所述控制指令选择所述控制装置的预设工作模式，所述预设工作模式包括连续波模式和脉冲波模式；
当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元200在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一数字信号；所述转换接收单元300用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号与微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号并向所述样品腔发送，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；并接收所述第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元200，以便所述控制单元200将携带有样品信息的第二数字信号发送给上位机获取样品信息；
当所述控制装置处于连续波模式时，所述控制单元200控制所述转换接收单元300产生参考信号，并控制所述微波收发机向所述样品腔发送第一微波信号，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述转换接收单元300用于接收经过所述参考信号调制的第四微波信号，并将经所述参考信号调制后的第四微波信号转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元200，以便所述控制单元200将所述第三数字信号发送给上位机获取样品信息；
所述控制单元200设置于现场可编程门阵列FPGA中。
具体的，所述控制单元200利用所述第一数字信号与微波收发机产生的第一微波信号进行的处理一般包括，将所述第一数字信号进行数模转换成为基带信号，基带信号和所述第一微波信号经过调制产生第二微波信号。但上述过程仅为利用所述第一数字信号与所述第一微波信号进行处理的一般流程，本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。
需要说明的是，在现有技术中，上位机分别与所述控制装置的波形产生单元、通讯控制单元200和数据采集单元连接，所述波形产生单元、通讯控制单元200和数据采集单元由其各自内部的时钟源100提供各自的时钟信号，在所述上位机向其输送的控制指令的控制下向所述样品腔输出连续波或脉冲波式的微波信号。并且在现有技术中的控制装置控制下的电子顺磁共振谱仪只能输出一种或几种相位、幅度和频率固定的微波信号，用户不能根据实际实验要求或工作目的调节其输出的微波信号的相位、幅度和频率，用户的自由度低。
而在本实施例中，所述时钟源100用于产生时钟信号；所述控制单元200用于接收所述上位机发送的波形数据和控制指令和用于接收所述时钟信号，根据所述时钟信号生成工作时钟信号，根据所述控制指令选择所述控制装置的预设工作模式，所述预设工作模式包括连续波模式和脉冲波模式；当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元200在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一数字信号；所述转换接收单元300用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号与微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号并向所述样品腔发送，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；并接收所述第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元200，以便所述控制单元200将所述第二数字信号发送给上位机获取样品信息；当所述控制装置处于连续波模式时，所述控制单元200控制所述转换接收单元300产生参考信号，并控制所述微波收发机向所述样品腔发送第一微波信号，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述转换接收单元300用于接收经过所述参考信号调制的第四微波信号，并将经所述参考信号调制后的第四微波信号转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元200，以便所述控制单元200将所述第三数字信号发送给上位机获取样品信息；通过上述工作流程可以发现，所述控制单元200通过同一个时钟源100产生工作时钟信号，所述控制单元200和转换接收单元300在同源的工作时钟信号的触发下完成对所述电子顺磁共振谱仪的控制；同源的所述工作时钟信号的同步性较高，因而所述控制装置相较于现有技术中采用多个分离时钟源100的电子顺磁共振谱仪控制装置具有较高的同步性，而所述控制装置的同步性越高，在其控制下的电子顺磁共振谱仪产生的脉冲形式的第二微波信号的脉冲宽度和脉冲相对延时的最小可分辨时间分辨率越高。
进一步的，本发明实施例所述的控制装置可以接收上位机传送的波形数据，并根据所述波形数据产生所述第一微波信号。用户可以编写时域上一定带宽范围内的任意波形数据，这意味着最终产生的第一微波信号的波形的幅度、相位、频率都是可以实时控制的，以所述任意波形数据为基带信号，与微波收发机产生的第一微波信号进行调制后可实现所述第一微波信号的幅度、相位、频率的实时快速调制。因此所述第一微波信号的幅度、相位和频率可以由用户通过所述上位机输入不同的波形数据而获得，满足了用户不同的实验或工作需求，提高了用户的自由度。
还需要说明的是，在本实施例中，由于所述上位机需要将波形数据向所述控制单元200进行传送，因此所述控制单元200与所述上位机之间需要利用高速的数据传输接口，以满足所述波形数据的传输需求。而所述控制指令相较于所述波形数据而言，其对数据传输速度的要求很低，只要能够满足所述波形数据的传输需求，就能满足所述控制指令的传输需求。在本发明的一个实施例中，所述上位机与所述控制单元200之间通过串行数据接口连接；在本发明的另一个实施例中，所述上位机与所述控制单元200之间通过并行数据接口连接；在本发明的一个优选实施例中，所述上位机与所述控制单元200之间通过USB数据接口连接；本发明对此并不做限定，具体视实际情况而定。
进一步的，现成可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)是一种硬件可重复编程的芯片，FPGA的可重复编程不仅体现在内部逻辑单元的功能可现场重新配置，其I/O管脚以及工作时钟分配都可以重新定义，因此基于FPGA的磁共振谱仪控制装置具有成本低、集成度高、配置灵活等优点。FPGA内部的时钟源100可以为所述控制装置提供时钟信号，但在本发明的其他实施例中，所述时钟源100并不与所述控制单元200集成于同一块FPGA中，所述时钟源100设置于其他芯片或器件中。本发明对此并不做限定，具体视实际情况而定。
在本发明的一个实施例中，所述FPGA为SRAM型，其型号为Virtex-7，所述型号的FPGA具有性能强、速度快且可重复配置的优点。但在本发明的其他实施例中，所述FPGA为DRAM型。本发明对所述FPGA的具体类型和所述FPGA的具体型号并不做限定，具体视实际情况而定。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述波形数据为脉冲波形数据，所述第二微波信号和所述第三微波信号为脉冲微波信号。
所述转换接收单元300接收到所述第一数字信号后，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号对所述微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成脉冲微波信号形式的第二微波信号，所述脉冲微波信号形式的第二微波信号用于激励样品腔中的样品产生脉冲微波信号形式的携带有样品信息的第三微波信号；并接收所述第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元200，以便所述控制单元200将携带有样品信息的第二数字信号发送给上位机获取样品信息。
在上述实施例的基础上，在本发明的另一个实施例中，所述转换接收单元300包括波形转换单元和信号接收单元；
当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述波形转换单元用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号对所述微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号，所述第二微波信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；
所述信号接收单元用于接收所述脉冲微波信号形式的第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元200，以便所述控制单元200将携带有样品信息的第二数字信号发送给上位机获取样品信息。
在上述实施例的基础上，在本发明的又一个实施例中，所述控制装置还包括控制时钟管理单元；
所述控制时钟管理单元用于接收所述控制单元200输出的工作时钟信号，并进行频率调节以及驱动能力的调节之后，向所述波形转换单元和信号接收单元传输。
需要说明的是，在本实施例中，设置所述控制时钟管理单元的目的是集中管理所述控制单元200输出的工作时钟信号。
在上述实施例的基础上，在本发明的再一个实施例中，当所述控制装置处于连续波模式时，所述第四微波信号为连续微波信号。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述转换接收单元300包括波形转换单元和信号接收单元；
当所述控制装置处于连续波模式时，所述微波收发机向所述样品腔发送连续微波信号，所述连续微波信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的连续微波信号形式的第四微波信号；
所述信号接收单元在所述控制单元的控制下发送参考信号；所述信号接收单元用于接收经所述参考信号调制的携带有样品信息的连续微波信号形式的第四微波信号，将其转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元200，以便所述控制单元200将携带有样品信息的第三数字信号发送给上位机获取样品信息。
在上述实施例的基础上，在本发明的另一个优选实施例中，所述控制装置还包括存储单元，所述预设工作模式还包括存储模式；
当所述控制装置处于存储模式时，所述控制单元200将所述上位机传送的波形数据传送给所述存储单元进行存储。
需要说明的是，设置所述存储单元的目的在于当所述控制装置工作时，可以预先将常用的所述波形数据向所述存储单元中进行存储，而不用每次都要从所述上位机中向所述控制装置中传输波形数据。简化所述控制装置的工作流程。当所述控制装置处于存储模式时，所述上位机向所述控制单元200发送所述波形数据以及控制指令，所述控制指令中包含存储地址；所述控制单元200根据所述存储地址将所述波形数据存储到所述存储单元中。由于根据存储地址向内存中存储数据的流程已为本领域技术人员所熟知，本发明在此不做赘述。
在本实施例中，所述存储单元的内存规格为DDR3型。但在本发明的其他实施例中，所述存储单元的内存规格为DDR4型。本发明对所述存储单元的内存规格的具体类型并不做限定，只有能够实现快速存储与读取数据即可，具体视实际情况而定。
在上述实施例的基础上，在本发明的又一个优选实施例中，当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元200用于从所述存储单元中读取所述上位机发送的波形数据，对其进行处理后生成第一数字信号。
在上述实施例的基础上，在本发明的再一个优选实施例中，所述微波收发机具有微波开关，所述预设工作模式还包括方波模式；
当所述控制装置处于方波模式时，所述控制单元200在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一方波信号；
所述转换接收单元300用于接收所述第一方波信号，并对其进行电平调节获得第二方波信号并向所述微波收发机的微波开关输出，用于驱动所述微波开关，产生微波脉冲信号，所述微波脉冲信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述转换接收单元300接收到所述第四微波信号后，将其转换为携带有样品信息的第四数字信号返回所述控制单元200，以便所述控制单元200将携带有样品信息的第四数字信号发送给上位机获取样品信息。
需要说明的是，所述第二方波信号用于控制所述微波开关的开关状态；当所述第二方波信号处于高电平时，所述微波开关开启，所述微波收发机发送的第一微波信号得以通过；当所述第二方波信号处于低电平时，所述微波开关关闭，所述微波收发机发送的第一微波信号不能通过，从而实现对所述第一微波信号的调制，生成所述微波方波信号。但在本发明的其他实施例中，也可以当所述第二方波信号处于低电平时，所述微波开关开启，所述微波收发机发送的第一微波信号得以通过；当所述第二方波信号处于高电平时，所述微波开关关闭，所述微波收发机发送的第一微波信号不能通过。用户可以通过调节所述第二方波信号高低电平的持续时间来调节所述微波方波信号的周期。
还需要说明的是，在本实施例中，所述微波脉冲信号可以应用于不需要幅度、相位、频率快速调制的场合。并且所述控制单元200将所述上位机发送的波形数据进行数据并转串处理，实现数据率翻倍，并结合延时链技术进行延时处理，使得所述微波方波信号的时间分辨率可以达到50ps的量级，相较于在任意波模式下输出的微波方波信号的时间分辨率更高。由于利用所述延时链技术对方波进行延时处理的方法已为本领域技术人员所熟知，本发明对其具体过程和原理本发明在此并不做赘述。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述控制单元200包括管理模块210、方波数据产生模块230、任意波数据产生模块240、时钟管理模块250、数据读取模块220和串行外设接口管理模块260；
所述时钟管理模块250用于接收时钟源100产生的时钟信号，并根据所述时钟信号生成工作时钟信号，所述工作时钟信号包括系统工作时钟信号、数据率加倍时钟信号和参考时钟信号；
所述管理模块210用于接收所述上位机传送的波形数据和控制指令，根据所述控制指令选择所述控制装置的预设工作模式，所述预设工作模式包括连续波模式、脉冲波模式、存储模式和方波模式；
当所述控制装置处于存储模式时，所述管理模块210将上位机传送的波形数据与控制指令中的存储地址将所述波形数据存储到所述存储单元中；
所述波形数据包括原始任意波数据和原始方波数据；
当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述管理模块210从所述存储单元中读取原始任意波数据并将其传送给所述任意波数据产生模块240，所述任意波数据产生模块240在数据率加倍时钟信号的触发下对所述原始任意波数据进行高速并转串处理实现数据率翻倍，获得第一数字信号并向所述波形转换单元传送；
当所述控制装置处于连续波模式时，所述管理模块210通过所述数据读取模块220在所述参考时钟信号的触发下，控制所述转换接收单元300产生参考信号；
当所述控制装置处于方波模式时，所述管理模块210从所述存储单元中读取原始方波数据并将其传送给所述方波数据产生模块230，所述方波数据产生模块230在数据率加倍时钟信号的触发下对所述原始方波数据进行高速并转换处理实现数据率翻倍，并结合延时链技术对其进行延时处理后获得第一方波信号向所述转换接收单元300发送；
所述控制指令通过所述串行外设接口管理模块260向所述转换接收单元300传输。
需要说明的是，在本实施例中，当所述控制装置处于存储模式时，所述管理模块210将上位机传送的波形数据与控制指令中的存储地址将所述波形数据存储到所述存储单元中；当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述管理模块210根据上位机传送的控制指令中的地址信息从所述存储单元中读取原始任意波数据，经过实时处理后将其送入所述管理模块210内的高速并转串模块中进行并行数据向串行数据的转换，实现数据率翻倍，得到所述第一数字信号；然后通过FPGA的双倍率数据输出I/O端口向所述转换接收单元300传输；当所述控制装置处于方波模式时，所述管理模块210根据上位机传送的控制指令中的地址信息从所述存储单元中读取原始方波数据，经过所述FPGA内部逻辑进行译码后，将方波数字信号送入所述FPGA内的高速并转串模块中进行并行数据向串行数据的转换，从而实现数据率的翻倍，然后利用延时链技术对其进行延时处理，得到所述第一方波信号并向所述转换接收单元300传输。
还需要说明的是，为了在数据高速传输条件下满足FPGA内部逻辑设计的信号完整性，上述逻辑单元的布局布线都依据FPGA底层设计约束条件设计完成，以将并行数据的输出时间对齐，保证信号输出的正确性。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图3所示，所述转换接收单元300包括波形转换单元310和信号接收单元320；其中，如图4所示，所述波形转换单元310包括方波驱动模块311、第一数模转换模块312和正交调制器313；其中，
所述方波驱动模块311用于在所述控制装置处于方波模式时，接收所述第一方波信号并对其进行电平调节获得第二方波信号，以使其达到驱动微波开关的要求，所述第二方波信号用于驱动所述微波开关，产生微波方波信号；
所述第一数模转换模块312用于在所述控制装置处于脉冲波模式时，接收所述第一数字信号，在所述系统工作时钟的触发下对接收到的信号进行处理获得第一子信号和第二子信号并向所述正交调制器313传输；
所述正交调制器313用于接收所述第一子信号、第二子信号及所述微波收发机发送的第一微波信号LO；对所述第一子信号、第二子信号及所述微波收发机发送的第一微波信号LO进行调制后获得所述第二微波信号，所述第二微波信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号。
如图5所示，所述信号接收单元320包括：模数转换模块321、振荡器322、正交解调器323和检波器324；其中，
所述振荡器322用于在所述控制单元200的控制下产生参考信号；
所述检波器324用于当所述控制装置处于连续波模式时接收经所述参考信号调制的携带有样品信息的连续微波信号形式的第四微波信号，对其进行非相干解调后获得携带有样品信息的连续微波信号形式的第一模拟信号，并将其传送给所述模数转换模块321；
所述正交解调器323用于当所述控制装置处于脉冲波模式时接收所述样品腔返回的携带有样品信息的脉冲波信号形式的第三微波信号，结合所述微波收发机发送的第一微波信号LO进行处理获得携带有样品信息的脉冲波信号形式的第一模拟信号并向所述模数转换模块321传输；
所述模数转换模块321在所述系统工作时钟的触发下，对接收到的信号进行模数转换得到携带有样品信息的第二数字信号或第三数字信号，并向所述模数数据管理模块210传输。
需要说明的是，在本实施例中，如图6所示，所述数据读取模块220包括：数字锁相放大模块221和模数数据管理模块222；其中，
所述数字锁相放大模块221用于当所述控制装置处于连续波模式时，在所述参考时钟信号的触发下控制所述振荡器322产生参考信号，并通过所述模数数据管理模块222接收携带有样品信息的第三数字信号，对其进行处理后传送给所述管理模块210。
当所述控制装置处于连续波模式时，所述模数数据管理模块222用于接收所述携带有样品信息的第三数字信号并传送给所述数字锁相放大模块221；当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述模数数据管理模块222用于接收所述携带有样品信息的第二数字信号，对其进行处理后传送给所述管理模块210。
还需要说明的是，在本实施例中，所述控制单元200与所述上位机之间通过USB总线控制单元200连接；所述存储单元采取DDR3存储格式；所述鼓励模块包括USB控制模块、DDR3管理模块210以及核心管理模块210；其中，
所述USB控制模块用于控制所述上位机与所述控制单元200之间的数据传输；所述DDR3管理模块210用于对所述存储单元进行管理，根据所述上位机的控制指令进行波形数据的读取以及存储操作；所述核心管理模块210执行所述管理模块210的其他功能。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体优选实施例中，如图7所示，所述控制装置包括：控制单元200、波形转换单元310、输出时钟管理单元400及信号接收单元320，所述控制单元200包括时钟源100；其中，
所述时钟源100与控制单元200集成于同一块FPGA中，为了表示方便，图7中并未标识出所述时钟源100；
所述控制单元200包括管理模块210、方波数据产生模块230、任意波数据产生模块240、时钟管理模块250、数据读取模块220和串行外设接口管理模块260；
所述时钟管理模块250用于接收时钟源100产生的时钟信号，并根据所述时钟信号生成工作时钟信号，所述工作时钟信号包括系统工作时钟信号、数据率加倍时钟信号和参考时钟信号；
所述管理模块210用于接收所述上位机传送的波形数据和控制指令，根据所述控制指令选择所述控制装置的预设工作模式，所述预设工作模式包括连续波模式、脉冲波模式、存储模式和方波模式；
当所述控制装置处于存储模式时，所述管理模块210将上位机传送的波形数据与控制指令中的存储地址将所述波形数据存储到所述存储单元500中；
所述波形数据包括原始任意波数据和原始方波数据；
当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述管理模块210从所述存储单元500中读取原始任意波数据并将其传送给所述任意波数据产生模块240，所述任意波数据产生模块240在数据率加倍时钟信号的触发下对所述原始任意波数据进行高速并转串处理实现数据率翻倍，获得第一数字信号并向所述波形转换单元310传送；
当所述控制装置处于连续波模式时，所述管理模块210通过所述数据读取模块220在所述参考时钟信号的触发下，通过所述数字锁相放大模块221控制所述振荡器324产生参考信号；
当所述控制装置处于方波模式时，所述管理模块210从所述存储单元500中读取原始方波数据并将其传送给所述方波数据产生模块230，所述方波数据产生模块230在数据率加倍时钟信号的触发下对所述原始方波数据进行高速并转换处理实现数据率翻倍，并结合延时链技术对其进行延时处理后获得第一方波信号向所述转换接收单元300发送；
所述控制指令通过所述串行外设接口管理模块260向所述波形转换单元310及信号接收单元320传输。
所述波形转换单元310包括方波驱动模块311、第一数模转换模块312和正交调制器313；其中，
所述方波驱动模块311用于在所述控制装置处于方波模式时，接收所述第一方波信号并对其进行电平调节获得第二方波信号，以使其达到驱动微波开关的要求，所述第二方波信号用于驱动所述微波开关，产生微波方波信号；
所述第一数模转换模块312用于在所述控制装置处于脉冲波模式时，接收所述第一数字信号，在所述系统工作时钟的触发下对接收到的信号进行处理获得第一子信号和第二子信号并向所述正交调制器313传输；
所述正交调制器313用于接收所述第一子信号、第二子信号及所述微波收发机发送的第一微波信号LO；对所述第一子信号、第二子信号及所述微波收发机发送的第一微波信号LO进行调制后获得所述第二微波信号，所述第二微波信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号。
所述检波器324用于当所述控制装置处于连续波模式时接收经所述参考信号调制的携带有样品信息的连续微波信号形式的第四微波信号，对其进行非相干解调后获得携带有样品信息的连续微波信号形式的第一模拟信号，并将其传送给所述模数转换模块321；
所述正交解调器323用于当所述控制装置处于脉冲波模式时接收所述样品腔返回的携带有样品信息的脉冲波信号形式的第三微波信号，结合所述微波收发机发送的第一微波信号LO进行处理获得携带有样品信息的脉冲波信号形式的第一模拟信号并向所述模数转换模块321传输；
所述模数转换模块321在所述系统工作时钟的触发下，对接收到的信号进行模数转换得到携带有样品信息的第二数字信号，并向所述模数数据管理模块222传输。
所述输出时钟管理单元400与所述时钟管理模块250连接，用于接收所述系统工作时钟信号，并向所述波形转换单元310及信号接收单元320提供所述系统工作时钟信号。
在本实施例中，所述数据读取模块220包括：数字锁相放大模块221和模数数据管理模块222；其中，
所述数字锁相放大模块221用于当所述控制装置处于连续波模式时，在所述参考时钟信号的触发下控制所述振荡器324产生参考信号，并通过所述模数数据管理模块222接收携带有样品信息的第二数字信号，对其进行处理后传送给所述管理模块210。
当所述控制装置处于连续波模式时，所述模数数据管理模块222用于接收所述携带有样品信息的第二数字信号并传送给所述数字锁相放大模块221；当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述模数数据管理模块222用于接收所述携带有样品信息的第二样品信号，对其进行处理后传送给所述管理模块210。
还需要说明的是，在本实施例中，所述控制单元200与所述上位机之间通过USB总线控制单元200连接；所述存储单元500采取DDR3存储格式；所述管理模块包括USB控制模块、DDR3管理模块210以及核心管理模块210；其中，
所述USB控制模块用于控制所述上位机与所述控制单元200之间的数据传输；所述DDR3管理模块210用于对所述存储单元500进行管理，根据所述上位机的控制指令进行波形数据的读取以及存储操作；所述核心管理模块210与所述微波收发机的微波桥A11连接以实现对所述微波收发机的控制，并执行所述管理模块210的其他功能。
相应的，本发明实施例还提供了一种电子顺磁共振谱仪，所述电子顺磁共振谱仪包括：至少一个如上述任一实施例所述的控制装置。
相应的，本发明实施例还提供了一种电子磁共振谱仪的控制方法，包括：
步骤一：上位机向谱仪控制装置发送控制命令+地址+数据，选择工作模式，若工作于连续波模式，则进入步骤二，若工作于脉冲模式，则进入步骤三，若工作于数据传输模式，则进入步骤四；
步骤二：FPGA通过所述控制单元内部的串行总线控制模块，控制所述信号接收单元内部的模拟数字转换模块，将采集到的数据经过所述控制单元内部的数字锁相放大模块进一步处理，得到连续波式的样品信号，结束；
步骤三：上位机向谱仪控制装置发送控制命令，控制波形的产生，同时控制所述信号接收单元进行信号采集，经过所述控制单元内部的ADC数据管理模块，得到脉冲式的样品信号，结束；
步骤四：上位机向谱仪控制装置发送波形地址和波形数据；
步骤五：FPGA接受波形地址和波形数据，并解析地址，然后根据地址将数据存入所述存储器中。
综上所述，本发明实施例提供了一种磁共振谱仪及基于FPGA的磁共振谱仪控制装置，所述控制装置包括：控制单元200和转换接收单元300，所述控制单元200包括时钟源100；其中，所述控制单元200内部集成时钟源100，所述控制单元200根据所述时钟源100产生的时钟信号生成工作时钟信号和用于接收所述上位机发送的波形数据和控制指令，根据所述控制指令选择所述控制装置的预设工作模式，所述预设工作模式包括连续波模式和脉冲波模式；当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元300在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一数字信号；所述转换接收单元300用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号与微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号并向所述样品腔发送，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；并接收所述第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元300，以便所述控制单元300将所述第二数字信号发送给上位机获取样品信息；当所述控制装置处于连续波模式时，所述控制单元300控制所述转换接收单元300产生参考信号，并控制所述微波收发机向所述样品腔发送第一微波信号，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述转换接收单元300用于接收经所述参考信号调制后的第四微波信号，并将经所述参考信号调制后的第四微波信号转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元300，以便所述控制单元300将所述第三数字信号发送给上位机获取样品信息；通过上述工作流程可以发现，所述控制单元300通过同一个时钟源100产生工作时钟信号，所述控制单元300和转换接收单元300在同源的工作时钟信号的触发下完成对所述电子顺磁共振谱仪的控制；同源的所述工作时钟信号的同步性较高，因而所述控制装置相较于现有技术中采用多个分离时钟源100的电子顺磁共振谱仪具有较高的同步性，在其控制下的电子顺磁共振谱仪产生的脉冲形式的第二微波信号的脉冲宽度和脉冲相对延时的最小可分辨时间宽度越小，即所述第二微波信号的时间分辨率越高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于FPGA的磁共振谱仪控制装置，应用于电子顺磁共振谱仪，所述顺磁共振谱仪包括：上位机、微波收发机、样品腔，所述微波收发机具有微波开关；其特征在于，所述控制装置包括：控制单元和转换接收单元，所述控制单元包括时钟源；其中，
所述控制单元用于接收所述上位机发送的波形数据和控制指令和根据所述时钟源产生的时钟信号生成工作时钟信号，根据所述控制指令选择所述控制装置的预设工作模式，所述预设工作模式包括连续波模式和脉冲波模式；
当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一数字信号；所述转换接收单元用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号与微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号并向所述样品腔发送，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；并接收所述第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将所述第二数字信号发送给上位机获取样品信息；
当所述控制装置处于连续波模式时，所述控制单元控制所述转换接收单元产生参考信号，并控制所述微波收发机向所述样品腔发送第一微波信号，激励所述样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述转换接收单元用于接收经过所述参考信号调制的第四微波信号，并将经所述参考信号调制后的第四微波信号转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将所述第三数字信号发送给上位机获取样品信息；
所述控制单元设置于现场可编程门阵列FPGA中。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述第二微波信号和所述第三微波信号为脉冲微波信号。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述转换接收单元包括波形转换单元和信号接收单元；
当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述波形转换单元用于接收所述第一数字信号，在所述工作时钟信号的触发下，利用所述第一数字信号对所述 微波收发机产生的第一微波信号进行处理，生成第二微波信号，所述第二微波信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的第三微波信号；
所述信号接收单元用于接收所述脉冲微波信号形式的第三微波信号，将其转换为携带有样品信息的第二数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将携带有样品信息的第二数字信号发送给上位机获取样品信息。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括控制时钟管理单元；
所述控制时钟管理单元用于接收所述控制单元输出的工作时钟信号，并进行频率调节以及驱动能力的调节之后，向所述波形转换单元和信号接收单元传输。
5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，当所述控制装置处于连续波模式时，所述第四微波信号为连续微波信号。
6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述转换接收单元包括波形转换单元和信号接收单元；
当所述控制装置处于连续波模式时，所述微波收发机向所述样品腔发送连续微波信号，所述连续微波信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的连续微波信号形式的第四微波信号；
所述信号接收单元在所述控制单元的控制下发送参考信号；所述信号接收单元用于接收经所述参考信号调制的携带有样品信息的连续微波信号形式的第四微波信号，将其转换为携带有样品信息的第三数字信号后返回所述控制单元，以便所述控制单元将携带有样品信息的第三数字信号发送给上位机获取样品信息。
7.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括存储单元，所述预设工作模式还包括存储模式；
当所述控制装置处于存储模式时，所述控制单元将所述上位机传送的波形数据传送给所述存储单元进行存储。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，当所述控制装置处于脉冲波模式时，所述控制单元用于从所述存储单元中读取所述上位机发送的波形数据，对其进行处理后生成第一数字信号。
9.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述预设工作模式还包括方波模式；
当所述控制装置处于方波模式时，所述控制单元在所述工作时钟信号的触发下，根据所述上位机发送的波形数据生成第一方波信号；
所述转换接收单元用于接收所述第一方波信号，并对其进行电平调节获得第二方波信号并向所述微波收发机的微波开关输出，用于驱动所述微波开关，产生微波脉冲信号，所述微波脉冲信号用于激励样品腔中的样品产生携带有样品信息的第四微波信号；所述信号接收单元接收到所述第四微波信号后，将其转换为携带有样品信息的第四数字信号返回所述控制单元，以便所述控制单元将携带有样品信息的第四数字信号发送给上位机获取样品信息。
10.一种磁共振谱仪，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-9任一项所述的控制装置。
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