CN1831552A

CN1831552A - 基于usb总线的一体化核磁共振谱仪控制台

Info

Publication number: CN1831552A
Application number: CN 200610025890
Authority: CN
Inventors: 刘颖; 沈杰; 李鲠颖
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2026-04-20
Also published as: CN1831552B

Abstract

本发明涉及核磁共振仪器，具体的讲是涉及一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，该控制台是将控制/通讯单元、脉冲序列控制单元、射频发射单元与信号接收单元集成于一块电路板卡上，在不降低系统性能指标和功能的前提下，实现了结构简单、集成度高、体积小巧、价格低廉，控制/通讯单元由USB芯片、大规模可编程电路FPGA、存储单元和输入输出设备组成，可利用USB芯片上集成的微处理器，实现两种工作模式，大大增强了灵活性和应用范围。

Description

基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台

技术领域

本发明涉及核磁共振仪器，具体的讲是涉及一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台。

背景技术

核磁共振(NMR)是重要的检测和分析手段之一。随着其应用领域的拓展和深入，核磁共振谱仪技术也不断地发展和完善。

核磁谱仪控制台是仪器的核心，主要包括计算机、射频频率源、发射和接收系统等部分。常规的谱仪控制台部分多采用主从式的结构，一般由两台计算机组成。主计算机主要用于接受用户输入命令、数据处理及显示等操作，从计算机作为控制计算机，用于控制硬件工作，主、从计算机之间通过网线连接进行通信。这类谱仪结构复杂、体积庞大、价格昂贵，因此限制了NMR技术的应用场合。近年来，也出现了由单台计算机组成的谱仪控制台，虽然一定程度上简化了谱仪系统，但硬件上采用计算机插卡式的架构，即谱仪硬件板卡需要插入计算机的ISA或PCI槽。由于计算机的内部扩展槽数目有限，且板卡的插拔麻烦，因此这类谱仪对计算机硬件有很大的依赖性，不能使用笔记本电脑进行控制，阻碍了NMR谱仪进一步小型化、便携化的发展趋势。在许多应用场合下，比如在野外进行岩芯分析，往往更需要一种结构简单、体积小巧、价格便宜、集成度高，甚至可以脱离计算机独立运行的一体化NMR谱仪控制台。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，它仅用一块板卡实现了谱仪控制台的所有功能，包括控制/通讯、脉冲序列控制、射频发射与信号接收，并且可根据需要具有两种工作模式，大大增强了NMR谱仪的灵活性和应用范围。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，其特征在于该控制台是将控制/通讯单元、脉冲序列控制单元、射频发射单元与信号接收单元集成于一块电路板卡上。

控制/通讯单元由USB芯片、大规模可编程电路FPGA、存储单元和输入输出设备组成。

可利用USB芯片上集成的微处理器，实现两种工作模式。

控制/通讯单元的传输模式采用屏蔽地址线、编码全数据流传输、再译码控制，其中再译码控制由FPGA实现。

脉冲序列控制单元可将整个进程的事件对应的电平和保持的时间预先存储到静态存储器(SRAM)中，进程过程中由FPGA预读出SRAM中的数据，由定时器控制触发，实现脉冲序列的逻辑控制。

射频发射单元采用DDS直接数字频率合成技术。

信号接收单元采用超外差式中频数字接收机和数字正交检波技术。

本发明具有下列优点：

1、整个谱仪控制台采用了一体化设计，将控制/通讯、脉冲序列控制、射频发射与信号接收集成于一块电路板卡实现。在不降低系统性能指标和功能的前提下，实现了结构简单、集成度高、体积小巧、价格低廉。

2、具有两种工作模式，大大增强了灵活性和应用范围。

3、采用工作模式1，系统与计算机通讯采用具有即插即用(plug-and-play)特性的USB接口，使用便捷，更可使之应用于笔记本电脑。

4、采用工作模式2，系统可脱离计算机，在板卡上集成的微处理器控制下独立完成所有进程控制和数据处理等工作，并具有输入和显示功能。这种工作模式使系统应用更加便携。

5、两种工作模式下，系统硬件均不依赖于计算机硬件。硬件上的独立，不仅安装调试方便，更重要的是能抗干扰，利于做到更好的性能指标。

6、采用全数字化设计。其中，脉冲序列进程完全由FPGA控制，避免了计算机的参与，保证了时间控制精度和稳定度。射频频率源采用直接数字频率合成技术(DDS)，保证频率、幅度和相位的快速切换。接收部分采用超外差式中频数字接收机和数字正交检波技术，只需单路采样，再由软件处理得到双路正交信号，消除了由于两路信号不完全正交而产生的镜像峰。

7、系统设计传输模式采用屏蔽地址线、编码全数据流传输、再译码控制。

8、用途广泛，不仅可以作台式NMR谱仪，还可以应用于锁场系统及高斯计等。进一步开发(附加梯度单元)，还能用于磁共振成像。

附图概述

附图1为本发明系统工作模式1设计框图；

附图2为本发明系统工作模式2设计框图；

附图3为本发明脉冲序列控制单元结构框图；

附图4为本发明射频发射单元结构框图；

附图5为本发明信号接收单元结构框图；

具体技术方案

以下结合附图通过实例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5所示，本实施例可以实现两种工作模式。工作模式1：系统由一台计算机控制来完成从对谱仪的实时控制到数据处理及显示的所有任务。采用具有即插即用(plug-and-play)特性的USB接口与计算机通讯(设计框图如图1)。工作模式2：系统独立于计算机工作。整个工作进程由集成的微处理器控制完成，不需要计算机的参与，此外还具有输入和显示功能(设计框图如图2)。

控制/通讯单元1主要由USB(Universal Serial Bus)Microcontroller芯片、大规模可编程电路FPGA(Field Programmable Gate Array)、存储单元和输入输出设备组成。采用CYPRESS的CY7C68013EZ-USB FX2^TM高速USB控制芯片，支持USB2.0规范，传输速率全速为12Mbps，高速可达480Mbps，内含USB收发器(Transceiver)和串行接口引擎(Serial Interface Engine)，控制器含4KB FIFO。在工作模式1中，采用芯片提供的通用型可程序化接口(GPIF)。GPIF是一个可程序化的状态机，用户可自定义总线波形控制FIFO，以达到高速、灵活地传输数据的目的。但是GPIF只提供9根地址线远远小于外部控制的需要，而扩展地址线的操作又会大大降低数据传输速度，所以设计采用屏蔽地址线、编码全数据流传输、再译码控制。其中再译码控制由FPGA实现。FPGA将所有数据流译码为：控制信号、地址、数据三部分，再分别对其他单元实现逻辑控制。因资源所需，设计中选用了2片FPGA用菊花链相连并行工作。

由于CY7C68013芯片还集成有增强型的8051微处理器，使整个系统可以脱离计算机独立工作，保证了第二套工作模式的实现。工作模式2中，系统不与计算机相连，用CY7C68013芯片集成的微处理器控制整个进程。

产生脉冲序列需要一组事件和对应的延时，脉冲序列控制单元将整个进程的事件对应的电平和保持的时间预先存储到静态存储器(SRAM)中，进程过程中由FPGA预读出SRAM中的数据，由定时器控制触发，实现脉冲序列的逻辑控制(结构框图见图3)。因为数据预先存入SRAM，进程中完全由FPGA控制，避免了计算机参与进程，保证了时间控制精度和稳定度。

射频发射单元(结构框图见图4)采用直接数字频率合成(Direct DigitalSynthesis)技术。数字频率直接合成技术与传统的频率合成方法相比(如锁相环PLL、直接模拟合成DAS)不仅输出频率和相位的分辨率高，而且频率和相位可实现高速切换，具有控制简单，且价格低廉的特点。因此，将DDS应用到一体化核磁共振谱仪的频率源中可以达到简化核磁共振谱仪设计和降低谱仪设计成本的目的。

本设计选用了Analog Device公司完整DDS芯片(Complete-DDS)AD9854。该芯片时钟频率高达300MHz，48位频率控制寄存器，14位相位寄存器，可得到μHz的频率分辨率(300MHz/2⁴⁸≈1μHz)和0.022°的相位分辨率(360°/2¹⁴≈0.022°)。同时，AD 9854内部有12位幅度寄存器，可对输出频率进行幅度调制。此外，其内部含有同相、正交两个高速12位D/A转换器，因而可以同时输出同相、正交两路信号。根据这一特点，可以使能状态机2，由主机直接控制DDS，脉冲控制单元两根控制线完成0°、90°、180°、270°调相功能。这种控制方式不需要预存储到SRAM中，可用于产生硬脉冲。当需要频率源频率、相位、幅度任意可调(如软脉冲)，可以使能状态机1，将每组频率、相位、幅度预先存储到SRAM中，由脉冲控制单元控制线定时读取触发DDS。

信号接收单元(结构框图见图5)采用超外差式中频数字接收机和数字正交检波技术。接收的磁共振信号经宽带低噪声放大器(LNA)放大，进入混频器(LO)将此信号变频到第二中频，再经带通Σ-ΔADC数字化，送入可编程FIR抽取滤波器(Decimation Filter)后串行输出。接收机的本振(LO)和ADC采样时钟频率(f_clk)分别由两片DDS提供。整个工作进程由FPGA控制，采样前由状态机1设置接收机寄存器，脉冲序列发生单元产生信号触发采样，状态机2将采样的串行数据并行存储到SRAM中，在采样结束后读回主机。采用数字正交检波技术，频率源激发样品后在采样过程中切换到参考频率，仅需要单路采样参考频率和FID信号，再用软件进行移谱和滤波处理分成正交的两路信号，得到的谱图完全避免了因模拟正交检波引起的镜像峰的影响。

本实施例采用全数字化设计，传输模式采用屏蔽地址线、编码全数据流传输、再译码控制。即控制/通讯部分无地址全数据传输，再由两次译码产生地址，完成对各单元的控制。首先在FPGA内部构造译码单元和控制寄存器。第一次译码由硬件实现，采用USB设备请求和自动向量译码技术控制一根I/O口线的电平，低电平时所传输的数据流为控制寄存器的数据，高电平时为译码单元和控制寄存器所选通器件的数据。第二次译码由译码单元和控制寄存器构造片选信号，配合地址计数器产生所控制器件的绝对地址。这一控制模式优化了USB串行通讯控制，极大限度地扩展了地址总线，是系统一体化的技术基础。

系统运行过程中，为保证时间精度，由硬件完全控制脉冲序列，将脉冲序列转化为一组相应时间的控制信号，再进一步控制射频的发射和信号的接收。射频频率源采用直接数字频率合成技术(DDS)，信号接收采用超外差式中频数字接收机和数字正交检波技术。

Claims

1、一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，其特征在于该控制台是将控制/通讯单元、脉冲序列控制单元、射频发射单元与信号接收单元集成于一块电路板卡上。

2、根据权利要求1所述的一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，其特征在于所述的控制/通讯单元由USB芯片、大规模可编程电路FPGA、存储单元和输入输出设备组成。

3、根据权利要求2所述的一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，其特征在于所述的USB芯片上集成有微处理器，利用该微处理器可以独立控制完成整个工作进程，不需要计算机的参与。

4、根据权利要求2所述的一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，其特征在于所述的控制/通讯单元的传输模式采用屏蔽地址线、编码全数据流传输、再译码控制，其中再译码控制由FPGA实现。

5、根据权利要求1所述的一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，其特征在于所述的脉冲序列控制单元可将整个进程的事件对应的电平和保持的时间预先存储到静态存储器SRAM中，进程过程中由FPGA预读出SRAM中的数据，由定时器控制触发，实现脉冲序列的逻辑控制。

6、根据权利要求1所述的一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，其特征在于所述的射频发射单元采用DDS直接数字频率合成技术。

7、根据权利要求1所述的一种基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，其特征在于所述的信号接收单元采用超外差式中频数字接收机和数字正交检波技术。