（无线电物理专业论文）基于ad9910的高速数字频率源的研制.pdf

d 印a r t t i l e n t ：d 印a n m e n to fp h y s i c s s p e c i a l i z a t i o n ：r a d i op h y s i c s r e s e 副c hf i e l d ：n m rt e c h n i q u e s u p e n ，i s o r ： l ig e n g y i n g ，p r o f e s s o r s t l l d e n t ： “q i n g m a y ， 2 0 1 l 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基寸厶，印c c 、6 禹虚毒支钙久，毒沥、的研挑 系本人在华东师范大 学攻读学位期间在导师指导下完成的砸壬博士( 请勾选) 学位论文，本论文的 研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用 此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学 位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查 阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进 行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理 复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密”学位论文 于年月 ( 协2 不保密， 导师二谚 日解密，解密后适用上述授权。 适用上述授权。 本人签名壅叁 洳1 1 年尹月刁日 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 奎麽硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 杈善氏老久镜牮寺、n 币范榔醒孑 、 主席 嘞虹 面教馒错唧渤渤匆袒互 荔墒 岛1 纸使 性唧菟磁场梯 ， 、- i v 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 摘要 磁共振成像技术从诞生至今取得了巨大的成功。随着其继续快速发展以及应 用范围的拓展，对成像设备的要求也就越来越高。磁共振谱仪是磁共振成像系统 的核心控制部分，谱仪系统的发展影响着磁共振技术的发展，因此谱仪技术的研 究具有重要意义。 数字频率源是磁共振谱仪系统的核心部件之一，被用于产生射频脉冲，激发 样品，得到病人的生理信息。针对实验室之前自主研发的频率源的不足和高场 m 对谱仪系统对频率源更高的要求，本文提出了基于a d 9 9 1 0 的高速数字频率源 技术。本文将围绕着设计方法和实现方法进行详细的研究，并给出实验结果。 本文的主要内容如下： 第一部分将介绍三种频率合成技术和d d s 的基本原理，并重点介绍在磁共 振谱仪系统中选择d d s 作为频率源的原因。 第二部分将介绍d d s 板卡硬件设计原理和具体功能实现方法，包括硬件各 组成部分、a d 9 9 1 0 寄存器的配置、a d 9 9 1 0 系统时钟的设置、以及f p g a 控制 读写s d 洲、f p g a 写a d 9 9 l o 寄存器、保持射频发射和接收通道相位相干等 的具体实现过程。 第三部分将介绍实验结果和性能分析，给出了测试过程中得到的实验结果， 以及实验数据分析，最后给出在o 3 t 磁共振系统中的成像实验结果。 舻 关键词： 磁共振成像系统，数字频率源，d d s ，a d 9 9 1 0 v 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 a b s t r a c t o v e rm el a s t d e c a d e s ，s i g n i f i c a mi m p r 0 v 锄 1 e n t s i n m 孵l e t i c r e s o n a n c e i m a 西n g ( m r i ) h a v eb e e nm a d e n e v e r m e l e s s ，m ei m p l e m e n t a t i o no fm o r e 趾dm o r e c o m p l i c a t e ds c 锄i n gp r o t o c o l sr e q u i r e sh i 曲e r 趾dh i 曲e rp e r f b 咖a i l c eo fm r i e q u i p m e n t s ，a s m ec o r e ，t 1 1 es p e c t r o m e t i e rc o n 仃o l so t h e r p a r t s i nt l l em i u s y s t e m t h u s ，t h ec 印a b i l i t ) ，a n dm ef l e x i b i l i t ) ，o ft h es p e c t r o m e t e rs l i b ，s y s t e mi so n e i m p o r t a n tf i a c t o ri nt 1 1 em r js y s t e md e s i 弘 d i g i 协1 仔e q u 髓c ys o u r c ei sa ne s s e i l t ：i a lu n i to fm es p e c 仃o m e t e rs y s t e m i ti su s e d t og e i l e r a t er fp u l s e ，a i l de x c i t en u c l e a rs p i l l si ns 锄p l e sf o ro b t a i n i n gp h y s i 0 1 0 百c a l i n f o m 撕o n 1 1 1o r d e rt 0o v e r c o m em es h o r t c o m i n go ft h ee a r l i e r 丘e q u e n c es o u r c ei n 0 1 1 rh o m e - b u i l tm r is c 锄ah i 班- s p e e d d i g i t a l 舶q u e n c es o u r c eb 嬲e d 0 n i n t e g e 瑚瞳e dd i r e c td i 百t a ls y n t h e s i s ( d d s ) c b j pi sd e s i 印e d 锄di l i l p l 锄e i l t e d t h e d e s i 印趾d 衄p l 锄铋t a t i o ni sd e s 谢b e di nd e t a i li nt h i st l l e s i s ，锄dm ep e 墒m a n c eo f t 1 1 e 丘明u e i l c cs o u f c ei sv 耐f i e da 1 1 dd e m o n s 仃a t i 甜i n 也eh o m e - b u i l tm r js c 锄既 t h em a i i l lc o n t e n t so ft 1 1 i st h e s i s 孤- ea sf - 0 n o w s ： t h ef i r s tp a r ti n 仃o d u c e sm r e et y p e so ff r e q u e n c ys y n t h e s i st e d m o l o g ya n dn l e p r i n c i p l eo fd d s a n dm e nm ed i s c u s s i o ni sf o c u s e do n 也ea i l a l y s i so fr e q u i r e m e n t s o f 觚m r j 丘e q u e i l c y s o u r c e t h es e c o n dp 甜p r e s e i l t sm eh a r d w a r ed e s i 弘a n dr e a l i z a t i o no ft h e 丘e q u e i l c y s o l l r c e 、池i c hi sb a u s e do na 如l l ym e g e r a t e dd d s 出p ( a d 9 9 1 0 ) s p e c i f i c a l l y ，l e d e t a i l si n c l u d em ec o n 缸0 11 0 百ci nf i e l dp r o 舯m m e r a b l eg a t e 糊y ( f p g a ) ，t h e c o n f i 删i o no fm ed d sc h i pi n t e m a lr e 百s t e r s ，t h ea c c e s sc o n t r 0 1o fs y n c l u o n o u s d y n 锄i cr a n d o ma c c e s sm e m o 巧( s d r a m ) ，a 1 1 ds oo n ，h la d d i t i o n ，m ec 0 h 黝c e m a i n t e n a n c eb e t w e e n 乜锄s m i ta n dr e c e i v ec h 锄e l s 扣e 绌e ：1 1i 1 1 t oa c c o u n t t h en l i r dp 狐s h o w se x p d 血e n t a lr e s u l t s 觚dp e r f i o m a n c e 缸a l y s i s ，f i n a l l yt h e p r o p o s e d 丘e q u e n c e s 0 1 l r c ei s i n t e 伊a t e dn om eh o m e _ b u i l ts c a i m a n dm r e ) 【p 幽e n t sa r ec a 玎i e do u tt 0d e m o n s 仃a t e l ep e r f i o m a n c co fm ef e q u e n c ys o u r c e k e y w o r d s ： m r i s p e c 仃d m e t d i g i 协lf r e q u 锄c ys o u r c e ，d d s ，a d 9 9 1o v i 第一章 1 1 1 2 第二章 2 1 2 2 第三章 3 1 3 2 3 2 3f p g a 控制读写s d r a m 2 2 3 2 4f p g a 控制写a d 9 9 1 0 2 4 3 2 5 射频发射和接收通道相位相干问题的解决2 7 第四章实验结果和性能分析2 9 4 1 测试实验结果2 9 4 2 性能分析3 1 4 3m r i 实验结果3 4 第五章讨论与展望3 8 参考文献3 9 致谢4 1 v 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磁共振成像技术的发展近况 n m r ( n u c l e a rm a g m a t i cr e s o n a l l c e ，核磁共振) 是1 9 4 6 年由美国斯坦福大 学布洛赫( f - b l o c k ) 和哈佛大学珀赛尔( e m p w c e l l ) 各自独立发现的，经过6 0 多年 的发展，核磁共振现在已经成为一门有完整理论的学科。 核磁共振设备属于高端的医疗影像设备，核磁共振的应用也越来越广泛，例 如在物理、化学、生物、医学等方面。m 砒在应用方面还在快速的发展，并要 求磁共振成像系统具有更高的分辨率和更快的成像速度。现在磁共振更高的磁场 强度成为人们追求的目标，因为磁共振成像的灵敏度、分辨率和成像速度会随着 磁场强度的增加而显著的增加。但是m r i 更高的磁场强度在应用上也受到了限 制，首先是系统的售价和维护费用很高，并且在更高的磁场下成像要求更大的射 频场强度和梯度场强度，而过多的射频沉积和过大的梯度场变化率都会对人体造 成一定的伤害。并且单纯通过提高磁场强度来提高图像的质量和成像的速度估计 也会受到一定的限制。在这种情况下，并行成像技术应运而生。并行成像指的是 使用多个射频通道同时对成像对象进行成像，依次达到提高图像的灵敏度和成像 速度的目的。并行通道的数量越大，成像的速度就越快，图像的灵敏度就越高。 目前临床上应用的并行通道数达到了8 1 6 个，而在实验室条件下，9 6 和1 2 8 通 道的系统也在研发的过程中。 目前，发达国家的磁共振成像方面的技术发展的比较成熟，每百万人口拥有 4 卜7 0 台。核磁共振的核心技术，基本都掌握在国外几家的大型跨国公司中， 比如西门子、g e 、飞利浦、日立等。并且在全球m r i 市场销售中，美国品牌大 约占到4 0 ，欧洲品牌大约占到3 0 ，日本品牌大约占到1 5 。并且发达国家 1 5 t 和3 t 的高场的超导磁共振成像系统也已经相当普及，4 t 和7 t 系统也开始 有少量装机。以动物为试验对象、用于波谱成像或分子成像的系统也达到了1 l t 。 国内核磁共振技术的应用与国外有很大差距。目前我国每百万人口m r i 拥 有量尚不足3 台。国内磁共振成像行业经过多年的发展，目前也具备了相当的规 模，每年国产m r i 系统的装机量也达到了百台以上。截止到2 0 0 8 年，国内装机 总量5 0 0 多台，保有量2 0 0 0 多台。目前国内一些公司也具有研发高场磁共振成 1 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕士学位论文 像系统的能力，国家也大力支持医疗器械的发展，尤其是磁共振成像系统。2 0 0 9 年提出新医改方案，在2 0 0 9 2 0 1 1 年间，各级政府将投入8 5 0 0 亿元用于五项医 改。新医改方案的出台，意味着政府将加大对医疗保障的投入，并建设覆盖城乡 居民的基本医疗卫生制度。政府也更加重视国内医疗器械公司的发展，国内的很 多医疗器械公司也出现快速发展的机遇和势头。当然，我们对m r i 的研究工作 也就具有了重要的意义。 1 2 本文的研究内容和意义 本文的主要研究内容是用于磁共振谱仪系统的数字射频频率源。此频率源是 基于d d s ( d i r e c td i g i t a js y i l t l l e s i z e r ，直接数字频率合成) 技术，与模拟频率源 相比，d d s 频率源具有输出更新速度快、频率分辨率高、成本低等优点。本设 计使用的是a d 9 9 1 0 ，是a n a l o gd e v i c e s 公司近年来推出的一种高性能d d s 芯 片。其系统时钟达到l g h z ，最高输出频率为4 0 0 m h z ，可以满足1 5 t 核磁共振 成像系统谱仪对工作频率的要求。并为以后开发用于3 t 仪器的频率源打下基础。 2 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 第二章频率合成技术介绍 2 1 三种频率合成技术 传统的频率合成技术主要有：基于直接模拟合成的频率源技术和基于锁相环 的频率合成技术。现在广泛应用的是d d s 频率合成技术。 2 1 1 直接模拟合成的频率技术 直接模拟合成的频率技术( d i r e c ta n a l o gs y n t h e s i z e r ，d a s ) 是最早的频率 合成方法。这种频率合成技术原理简单。d a s 频率合成器由标准的参考频率源、 滤波器、倍频器、分频器和混频器组成，由一个或多个参考频率合成输出一系列 特定的频率。其中，混频器用于实现频率的加减法，倍频器用于实现频率的倍乘， 分频器用于实现频率的倍除，滤波器用于提取所需要的频率信号而抑制不需要的 频率信号。直接模拟频率合成器的合成方法可分为两类，一类是非相关合成方法， 另一类是相关合成方法。这两种方法的主要区别是所使用的参考频率源的数目不 同。下面作简单介绍： ( 1 ) 非相关直接频率合成器：由多个晶体参考频率源合成一系列特定频率 的频率合成器称为非相干直接频率合成器。它的缺点在于难以保证多个晶体具有 相同频率稳定度和精度，而且制作成本高。 ( 2 ) 相关直接频率合成器：只使用一个标准晶体参考频率源并通过分频、 混频、倍频等方法合成一系列特定频率的频率合成器，称为相关直接频率合成器。 该频率合成器与标准晶体具有一致的频率稳定度和精度，因此这种直接频率合成 器广泛应用在各个领域。 采用此技术的频率源可以输出长期和短期稳定性好、频率分辨率高、频率切 换速度较快的射频信号。因此，它仍然被广泛用于高场磁共振波谱仪和磁共振成 像系统。但是，由于它采用了较多的模拟器件实现频率合成，其体积庞大、价格 昂贵、功耗高、可靠性差、结构复杂等。因此并不适合于在较低成本的m r j 谱 仪系统中使用。 3 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 2 1 2 基于锁相环的频率合成技术 基于锁相环的频率合成技术( p h 嬲e l 0 c k e dl o o p ，p l l ) 是根据压控振荡器 的输出信号与参考信号的相位差来调整压控振荡器的，从而使压控振荡器的输出 信号锁定在特定频率上。由于锁相环的频率合成技术具有优良的特性，特别是随 着数字电路的迅猛发展，锁相环频率合成器所用的器件模块化、集成化，并且它 具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声中的信号，用 高稳定的参考振荡器锁定，可作为提供一系列高频稳定度的频率源，可进行高精 度的相位和频率测量。所以被广泛的应用在各种电子设备和系统中。 根据锁相环路的电路类型，可将其分为模拟锁相环路、模数混合锁相环路和 数字锁相环路三种。 p l l 有明显的优点，比如：结构简单、杂散抑制性好、良好的短期和长期稳 定度、良好的窄带跟踪特性等，可以很好的选择所需要的频率信号，并且避免了 使用大量的滤波器，非常利于小型化、集成化。但是p l l 也有其缺点，比如频 率切换速度慢、对带内杂散信号的抑制能力差等。难以满足对频率转换时间要求 快的电子系统的要求。在m r i 谱仪系统中需要有快速的频率、幅度、相位切换 能力。所以锁相环频率合成技术也不适用于m r i 谱仪系统中。 2 1 3d d s 频率合成技术 d d s 是美国学者j t i 锄c y 、g r a d e r 和b g o l d 于1 9 7 1 年提出的。d d s 是 从相位的概念出发，由不同的相位给出不同的电压幅度，即相位正弦幅度变换， 最后滤波，平滑输出所需要的频率的一种频率合成技术。简单的说就是直接查表 得到任意一点波形所对应的数字值，与m a t l a b 的s t e m 函数类似。 d d s 的主要优点是： ( 1 ) 输出频率相对带宽宽：理论上从直流到f c 陀，实际上从直流到2 f c 5 ； ( 2 ) 频率分辨率高：d d s 的分辨力= 以2 ，n 为相位累加器的字长，如对 于a d 9 9 1 0 ，n = 3 2 ， 正= 1 0 0 0 m h z ，分辨力= o 2 3 2 h z ；对于a d 9 8 5 4 ，n = 4 8 ， c = 3 0 0 m h z ，分辨力= 1 0 7 1 0 - 6h z ； 4 华东师范大学2 0 1 l 届研究生硕士学位论文 ( 3 ) 频率转换时间快：一般只需要几个时钟周期，如无= 1 0 0 0 m h z ，转换 时间为几个纳秒； ( 4 ) 频率转换时相位保持连续； ( 5 ) 任意形状的周期信号均可以合成，如：锯齿波信号、方波信号、脉冲 信号、三角波信号、正弦波信号等； ( 6 ) 具有同时输出正交信号的能力； ( 7 ) 数字调制能力强，可以完成f s k 、p s k 、m s k 等； ( 8 ) 集成度高，体积小； ( 9 ) 控制方便，便于与计算机相连接。 d d s 也有其缺点，即杂散大，这是由于相位量化、幅度量化以及d a 变换 器产生的阶梯波通过非理想的滤波器形成的噪声等引起的，并且抑制性差，在输 出的频谱中夹杂着很多高频分量，但是我们可以利用低通滤波器把不需要的杂散 信号滤除。为了充分说明我们选择d d s 技术作为核磁共振频率源的原因，下面 给出核磁共振频率源要求： ( 1 ) 较高的频率稳定性； ( 2 ) 较高的频率分辨率； ( 3 ) 较低的相位噪声。； ( 4 ) 宽的输出频率范围； ( 5 ) 具有任意波形输出能力； ( 6 ) 能进行相位切换； ( 7 ) 具有幅度调制能力； ( 8 ) 较快的频率、相位和幅度转换时间。 针对核磁共振频率源的要求，传统的两种频率合成技术都不适合作为核磁共 振谱仪系统的频率源。近年来，随着数字集成电路技术的发展，高集成度、高性 能的完整d d s 芯片( c o m p l e t ed d s ) 不断涌现，完全能够达到磁共振谱仪系统 对频率源功能和性能的要求，并且降低了成本，简化了设计。因此，我们选择 d d s 作为核磁共振谱仪系统中的频率源。 5 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 2 2d d s 的基本原理 d d s 技术是根据正弦函数的产生机理来实现的。首先介绍一下正弦函数产 生机理，更好的解释d d s 技术的原理。 寨蓬喜；、等等等蜚翟 沙形 叉莘。擎量曼量菩寒二7 7 i 7 、。 i 入 4 窿 一 一 ( a ) 图2 1d d s 相位码和幅度码之间的关系 图2 1 所示为半径r 为1 的单位圆，半径r 绕圆心旋转，并设与x 轴的正方 向的夹角为o 。假设r 在y 轴上的投影为电压的瞬时振幅，当半径r 连续不断 的绕圆心旋转时，电压的瞬时振幅值将在+ 1 1 之间取值，e 在0 2 兀的范围 内变化，在时间轴上形成s i n 波形的电压信号。如果半径r 不是连续不断的绕圆 旋转，而是以等步长的相位增量阶跃式旋转，那么旋转一周则会形成阶梯式的电 压信号，此时相位变化为2 。若相位增量越小，阶梯式的电压信号就越接近于 正弦信号。 典型的d d s 包括以下基本部分：相位累加器、相位幅度变换器( 即波形查 找表r o m ，u j t ) 、d a 变换器( d a c ) 、低通滤波器( l p f ) 和参考时钟。 d d s 的原理框图如图2 2 所示： 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 d d s 各部分介绍： 1 相位累加器 相位累加器由n 位二进制加法器跟n 位并行数据寄存器组成。每接收到一 个时钟脉冲，累加器就将频率控制字k 与寄存器输出的累加相位数相加，再把 相加后的结果送至寄存器的输入端。寄存器将累加器在上一个时钟周期所产生的 相位数据再反馈到累加器的输入端，使累加器在下一个时钟到来时继续与频率控 制字k 相加。当相位累加器累加满量时，就会产生一次溢出，完成一个周期性 的任务，这个周期也就是d d s 信号的一个频率周期。 2 波形查找表 波形查找表是把波形的幅值以二进制数值的形式固化在r o m 中，按照地址 的不同可以输出相应相位的信号的幅值。用相位累加器输出的数据作为波形查找 表的取样地址，进行波形的相位一幅值转换，即可在给定的时间上确定输出波形 的幅值。 在相位序列码到幅度序列码的转换中，相位序列码所对应的实际相位的正弦 值与二进制的幅度序列码所对应的实际数值是不同的，产生了误差，这个误差称 为量化误差。相位累加器的位数越多，量化误差就越小，但存储量就越大。为了 解决存储的问题，可以只存储1 4 周期的数据量，而其余的3 4 的数据量利用求 补电路来完成。 3 d a 转换器 d a 转换器的作用是把已经合成的正弦波、方波或者三角波的数字量转换 成模拟量。合成波形的幅度量化序列经d a 转换后变成包络分别为正弦波、方 波或者三角波的阶梯波。 d d s 选择良好的d a 变换器，必须考虑几个主要原则：位分辨率、变换精 度和速度以及最大参考时钟频率等。另外，线性、温度、稳定性、编码和功耗等 必须根据实际使用需求来选择，因为速度和功耗完全由所使用的数字逻辑来决 j 匕o 4 低通滤波器 利用滤波器的选频特性滤除高频分量，得到平滑的基频正弦信号。 7 图3 1 高速数字频率源实物图 本文研制的d d s 频率源，包括p c i 总线、逻辑控制芯片f p g a 、内存s d 洲、 d d s 芯片a d 9 9 1 0 、门控芯片a d 8 1 8 0 以及运放a d 8 0 0 0 等。图3 1 为本文研制 的高速数字频率源的实物图。 启动时，p c 机通过p c i 总线和f p g a 往s d 删写入做实验所需要的波形 数据，并进行一系列的初始化操作，包括s d r a m 的指针复位、d d s 控制功能 寄存器初始值设置等操作。然后等待脉冲序列发生器提供的外部触发信号，当外 部触发信号到来时，f p g a 将控制从s d 删读出一个波形点数据，并写到d d s 寄存器里边，d d s 就相应的输出一个波形，同时，f p g a 从s d r a m 读取下一 个波形点数据。通过脉冲序列发生器还可以给d d s 板卡提供a d 8 1 8 0 门控芯片 的开关信号。下面是硬件各部分的介绍： 8 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕士学位论文 3 1 1p c i 总线 p c i 总线( p 嘶p h e r a lc o m p o n e n th l t 即c o i l n e c t ) ，即外围部件互连总线，是一 种先进的高性能3 2 6 4 位的局部总线。是一种兼容性强、功能全的计算机总线。 基于此，它迅速取代了i s a 总线成为如今p c 系统的主流总线。p c i 总线是i n t e l 公司于1 9 9 1 年提出的，是目前p c 机中使用最广泛的接口，几乎所有主板产品 上都带有这种插槽。 p c i 总线定义了三种物理地址空间：存储器空间、i o 空间以及配置空间 ( c o n f i g l l r a t i o ns p a c e ) 。配置空间是p c i 所特有的一种空间。通过配置寄存器， 配置软件可了解目标设备的存在、功能及配置等方面的要求。 根据用户设备的性质不同，p c i 设备分为m 酬主设备) 和t a r g 畎从设 备) ，因此p c i 接口类型也就分为m a s t 钎和t a r g e t 两种接口。当作为总线从设备 时，由主机对每个p c i 设备进行识别和配置，所有的读写操作都要由c p u 控制 分配使用总线，并且只能是单字节进行，工作效率较低。当作为总线主设备时， 可以主动申请占用总线，然后将数据以突发传输方式传输到目标地址。一个突 发传输由一个地址段和一个或多个数据段组成，要求目标设各和总线主设备都 必须能理解隐含寻址。突发传输过程不占用c p u 。 p c i 总线有以下几个优点： ( 1 ) 地址总线和数据总线分时复用：这样可以节省接插件的管脚资源，同 时也便于实现突发数据传输。 突发传输指的是如果被传输的数据在内存中存放的地址是连续的，那么在读 取这一组连续数据时，只在传输第一个数据时，需要两个时钟周期，即第一个时 钟周期给出地址，第二个时钟周期传输数据。传输其后的连续数据时，就只需要 一个时钟周期，不必每次都给出地址。 ( 2 ) 即插即用：指的是板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需要的资源 进行分配，如基地址、中断号等，并且自动寻找相应的驱动程序，而不需要像i s a 总线板卡那样进行复杂的手动配置。在p c i 板卡中，配置空间用来存放基地址、 内存地址以及中断等信息。 ( 3 ) 中断共享的实现：p c i 总线由硬件和软件两部分来实现中断的共享。 硬件上，采用电平触发的办法；软件上，采用中断链的方法。 9 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 ( 4 ) 同时可以支持多组外围设备，而且不受制于处理器，为c p u 及高速外 围设备提供高性能、高吞吐量的数据通路。 ( 5 ) 数据传输速率快：例如，p c i 总线工作频率为3 3 z ，位宽为3 2 位， 峰值吞吐率可达13 2 m s 。 目前p c i 总线接口的设计主要有两种方案：一是选用专门的p c i 控制芯片； 二是采用专用的p c i 内核，可以通过一些可编程逻辑器件来实现。 采用可编程器件来实现p c i 接口的优点是比较灵活，有利于系统优化，节省 板卡面积，并且可以选用的可编程逻辑器件也比较多，如f p g a 或者c p l d 。但 是也有很多缺点，比如，设计难度大，对负载要求和传输数据的建立时间要求高， 同时还需要器件内部实现各类寄存器的配置，以及完成逻辑校验、地址译码等工 作的寄存器的配置等等，从而导致需要投入大量的人力、物力来设计p c i 总线接 口，相应的开发周期就会比较长。 我为了缩短开发周期，降低成本，减小开发难度，我们选择使用专用的p c i 控制芯片p c i 9 0 5 2 来实现。 3 1 2 板上内存s d 删 s d r a m ( s y i l c h r o n o u sd y n 锄i cr a n d o ma c c e s sm e m o 拶) ，即同步动态随 机存储器。同步是指存储器工作需要同步时钟，内部命令的发送与数据传输都以 它为基准；动态是指存储阵列需要不断刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不 是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。 s d 凡蝴在一个c p u 时钟周期内即可完成数据的访问和刷新，可以与c p u 的外频同步工作。由于实现了工作频率与c p u 外频同步工作，c p u 在传输数据 时就不需要等待。 s d 洲采用双存储体结构，当c p u 访问一个存储体时，另一个存储体就 做好被访问的准备，两个存储体自动切换。s d 洲最大的特点是高工作频率。 现在最高标称频率的s d 洲是p c i 6 6 ，对应于1 3 g b s 的传输带宽。s d 洲 的工作电压为3 3 v ，具有高性能、低功耗、低价格的优点。 衡量一个半导体存储器性能优劣的主要技术指标有四个：存储容量、存储速 度、可靠性以及性价比。下边主要对比较重要的存储速度做一下解释。 1 0 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 存储器的存储速度用两个时间参数表征，一个是存储时间，另一个是存储周 期。 ( 1 ) 存储时间( a c c e s s e ) ：定义为从启动一次存储器操作，到完成该 操作所经历的时间。例如：在存储器读操作时，从读出命令到所需要的信息稳定 在输出端之间的时间间隔。 ( 2 ) 存储周期( m e m o 巧c y c l e ) ：定义为启动两次独立的存储器操作之间所 需要的最小时间间隔。 为了提高数据的读取速率和降低芯片的功耗，s d 洲有了新的发展，分别 是d d rs d r a m 、 d d r 2s d r a m 和d d r 3s d r a m 。下面分别做简单介绍： ( 1 ) d d rs d ra h 嗄( d o u b l ed a t ar a t es d r a m ) d d rs d 洲在时钟信号上升沿与下降沿各传输一次数据，这使得d d r 的数据传输速度为传统s d r a m 的两倍。d d r 采用2 位数据预取技术，使用 了更先进的同步电路，并且d d r 中有一个延时锁定回路( d e l a y l o c k e dl 0 0 p ， d l l ) ，用来提供一个数据滤波信号，当数据有效时，存储器的控制器可以使用 该滤波信号来精确定位数据，每1 6 b i t s 输出一次，并且同步来自不同的双存储器 模块的数据。其工作电压降为2 5 v 。 ( 2 ) d d i 也s d r a m d d r 2 在d d r 的基础上增加到4 位数据预取( 4b i t sp r e f e t c h ) 。d d i 也内部 采用4b a i l l ( 的结构，内存颗粒单元称为c e l l ，由内存单元阵列( m e m o r yc e n 岫) 构成。内存颗粒的频率分为三种：d 洲核心频率、时钟频率和数据传输速率。 在d d r 2 中，核心频率和时钟频率已经不一样了。由于d d r 2 采用了4b i t sp r e f e t c h 技术，d d r 2 达到了2 倍d d r 的带宽。d d r 采用2 位数据预取技术，其数据传 输速率是核心c e l l 工作频率的两倍。d d i 匕采用4 位数据预取技术，则相应的就 是四倍。也就是说，d d r 2 每个时钟以4 倍于外部总线的速度读写数据。但 是，必须指出的是d d r 2 要2 倍于d d r 的带宽水平的前提是d d i 也的外部时钟 是d d r 的2 倍。其工作电压降为1 8 v 。 ( 3 ) d d r 3s d r a m d d r 3 是第三代d d rs d 黜k m ，其工作频率达到1 0 6 6 m h z ，预取缓冲达到8 位，其工作电压也降为1 5 v 。 1 1 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 我们使用的是m i c r o n 公司的m t 4 8 l c 3 2 m 1 6 a 2 型号的s d 洲。 3 1 3 逻辑控制接口芯片f p g a f p g a ( f i e l d p r 0 掣锄m a b l ega _ t e 岫) ，即现场可编程门阵列，它是在p a l 、 g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它作为专用集成电路 ( a s i c ) 领域中的一种半定制电路出现，既解决了定制电路的不足，又克服了 原有可编程器件门电路数量有限的缺点。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e ua 玎a y ) 这样一个概念，内 部包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g l l r a b l el o g i cb l o c k ) 、输入输出接口模 块i o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 、块r a m ( b 1 0 c kr a m ) 和数字延迟锁相环d l l ( d e l a y l o c k e dl 0 0 p ) 。 圈 口 口 口 口 口 口 口 冒 口 口 口 口口口口口口 口口口 蹄口 口 口口口口 口口口口 口口 口口 口口 口口口口口口口口口口口口 口口口口口口口口口口口口 日髑日髑圈田 口口口口口口口口口口口口 回 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 匕 口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 哪咖咖咖咖咖咖口回 口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口 图3 2f p g a 结构框图 目前，f p g a 市场占有率最高的两大公司x i l i n x 和砧t e r a 生产的f p g a 大部 分都是基于s 洲工艺的，需要外接一个片外存储器以保存程序。f p g a 由片 内的洲来设置其工作状态的，工作时需要对片内洲进行编程。上电时， 1 2 口nu_1j叩叩口几口口nuj九-叩叩口n吼u口nu_-叩叩口口口口nu_j-叩叩口口口口几ujjj叩叩口口口口nul_叩叩口口口口nur一-j叩叩口口口 口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 f p g a 将e p r o m 中数据读入片内r a m 中。配置完成后，f p g a 进入工作状 态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失。因此，f p g a 的使用 非常灵活，能够反复使用，极大的方便了我们调试电路。因为平时调试电路， 需要对f p g a 反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构就不能像a s i c 那样通过固 定的与非门来实现，而只能采用一种易于反复配置的查找表结构。目前主流 f p g a 大部分都采用基于s r a m 工艺的查找表结构，也有一些f p g a 采用f 1 曲 或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。我们可通过烧写b i t 文件改变查找表内容 的方法来实现对f p g a 的重复配置。 查找表( l o o ku pt a b l e ，u j t ) 本质上就是一个洲。目前，f p g a 中多 使用4 输入的l u t ，每一个u j t 可以看成一个有4 位地址线的1 6 x 1 的r a m ， 当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电路后，f p g a 开发软件会自动 计算我们描述的逻辑电路的所有可能结果，并把真值表( 即结果) 事先写入r a m ， 这样，每输入一个信号进行逻辑运算，就相当于输入一个地址进行查表，找出地 址对应的内容后输出即可。 当我们的程序调试结束时，我们可以生成m c s 文件，把代码烧写到一 片f p g a 的配置芯片e e p r o m 中，不用每次使用时再重新配置。可以把不 同功能的代码放到不同的e e p r o m 中，当需要修改f p g a 功能时，只需更 换一片e p r o m 即可。这样，同一片f p g a ，不同的编程数据，可以产生不 同的电路功能。 用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。f p g a 有如下四种配 置模式： ( 1 )并行模式：并行p r o m 或者f 1 a s h 配置f p g a ； ( 2 )主从模式：支持一片p r o m 配置多片f p g a ； ( 3 )串行模式：串行p r o m 配置f p g a ( 4 )外设模式：将f p g a 作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。 f p g a 的基本特点： ( 1 )采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到适 合的芯片； ( 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的试样片； 1 3 虽然当前市场上销售的电脑大多数内核不止一个，并且可以同时实施不同任 务，但传统多核处理器只能共用一个存储源，这降低了运算速度，现在的做 法是给每个内核分配一定量的专用存储空间，从而就加快了处理器的运算速 度。 在本设计中，使用的数字逻辑接口器件是s p a r t a ni i ( x c 2 s 2 0 0 - p q 2 0 8 ， x i l i l l ) 【i n c ，u s a ) 。s p a r t a l l i i 规模为2 0 万系统门，2 0 8 个管脚资源。这些资源完 全满足本论文研制的d d s 板卡的需求，且能与实验室谱仪系统的其他板卡相兼 容。本部分介绍的f p g a 的优点以及本实验室谱仪系统的特点是我们选择这块芯 片原因。 1 4 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 3 1 4d d s 芯片a d 9 9 1 0 艇f a k 疗 旺f c l c 琵蕊 舢姻 萋 l萋 l 季 |薹： 量 ( 1 ) s i n 西et o n e ( 单频调制模式) ； ( 3 ) d i 百t a lr 锄pm o d u l a t i o n ( 数字斜坡调制模式) ； 在单频调制模式下，d d s 的信号控制参数直接来自于与串行i o 端口相关的 编程寄存器。在洲调制模式下，d d s 的信号控制参数存储在内部的删里， 通过命令来调用。在数字斜坡调制模式下，d d s 的信号控制参数由数字斜坡产 盯 黔 蠹i 萋| 晰 耋蠹兰裟 如 勘2 l 华东师范大学2 0 n 届研究生硕士学位论文 生器提供。在并行数据端口调制模式下，d d s 的信号控制参数直接由并行端口 提供。 在本文的设计中，我们只采用了单频调制模式。在单频调制模式中，d d s 信号控制参数幅度、相位、频率直接从编程寄存器中得到，一个p r o f i l e 寄存器 是一个单独的包含d d s 信号控制参数的寄存器。一共有八个寄存器可以使用。 我们只需要选择使用其中的一个。 每一个p r o f i l e 寄存器都是单独访问的，使用三个外部p r o f i l e 引脚 ( p r o f i l e 2 ：0 】) 来选择我们需要的p r o j f i i e 寄存器。在下一个s y n cc l k 时钟的 上升沿到来时，三个p r o f i l e 引脚的状态改变将会更新使用选择的p r o f i l e 中d d s 指定的参数。比如本文使用的s i n 酉et 0 n ep r o f i l e l ( 地址为0 x o f ) ，这时就需要 把p r o f i l e 2 ：o 设置为0 0 1 来选择这个寄存器。 a d 9 9 1 0 的主要性能指标如下： ( 1 )系统时钟可以达到l g h z ； ( 2 )输出频率：最高可达4 0 0 m h z ； ( 3 )频率寄存器位数。：3 2 位； ( 4 ) 相位寄存器位数：1 6 位； ( 5 )幅度寄存器位数：1 4 位+ 8 位。 ( 6 )功率：8 5 0 m w 。 a d 9 9 1 0 支持高达1 g s p s 的采样速率，也就是a d 9 9 1 0 内部系统时钟可以达 到l g h z 。a d 9 9 1 0 的输出频率厶叮的公式如下： 厶盱2 ( 罟) k 一 公式( 1 ) 其中f t w 是频率调谐控制字，向娜是系统时钟的频率。 当f t w 为1 ，知姗为1 g h z 时，根据公式( 1 ) 可以计算出，最小调谐分 辨率为o 2 3 h z 。根据奈奎斯特采样定律，a d 9 9 1 0 的输出频率最高可以达到 2 5 缸，即4 0 0 m 。 a d 9 9 1 0 采用高级的专利技术，在不牺牲性能的情况下，大大降低了其功耗，