（生物医学工程专业论文）基于fpga的mri谱仪窄带接口板的设计和实现.pdf

东北大学硕士论文 a b s t r a c t i m p l e m e n t a t i o na n dd e s i g nb a s e d o nf p g a f o rn a r r o w b a n di n t e r f a c eb o a r di nm i u s p e c t r u mc o n s o l e a b s t r a c t m r i ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) i sa n o t h e ra d v a n c e dt o m o g r a p h yi m a g i n gm e d i c a l d i a g n o s i se q u i p m e n ta f t e rc t ( c o m p u m rt o m o g r a p h y ) a n db u l t r a s o n i c c o m p a r e dw i t hc t , m r ih a sm a n ya d v a n t a g e so fh i g ho r g a n i s md i f f e r e n c e ，s p a c i a ld e f i n i t i o n ，f e w e rf a l s em a r k s a n dl e s sr a d i od e s t r o y t h en a r r o w b a n di n t e r f a c eb o a r dp e r f o r m sm o s to ft h es i g n a lp r o c e s s i n go ft h er e c e i v e d s i g n 丑li nt h en a r r o w b a n dr fu n i to fm r js y s t e m t h er e c e i v e di n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y s i g n a li sd i g i t a l l yd e m o d u l a t e d ，d e c i m a t e da n db u f f e r e di naf i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) ，t h e o u t p u to f w h i c hi ss u p p l i e dt ot h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gb o a r d ( d s p 8 5 0 0 ) i tr e c e i v e sa n d l a t c h e sd a t aa n dc o m m a n df r o mm r 3 0 2 0a n dm r 3 0 3 1 t h e ni tg e n e r a t e st h ed a t af o r m a t t e d b yt a x ia n ds e n d st od d s i nt xb o a r d b ya n a l y z i n ge v e r yp a r t sa r c h i t e c t u r ea n dc i r c u i tp r i n c i p l ei ni n t e r f a c eb o a r d ，id e s i g n e d a n di m p l e m e n t e dt h ec i r c u i ti ni n t e r f a c eb o a r dw i t hf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) s p a r t e ni ia n dp c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) f i l e a n dt h ep c bw a sd e b u g g e da f t e ra l lt h e i s o l a t e dm o d l l l e sh a db e e nd e b u g g e d t h ew h o l ed e s i g no fi n t e r f a c ei n c l u d e sf o u rp a r t s t h r e e o f t h ef o u rp a r t sh a v e b e e ni m p l e m e n t e ds u c c e s s f u l l y a n di ts a t i s f i e st h es y s t e mi m a g et e s t i n g e n t i r e l y t h el a s tp a r ti sn o tf i n i s h e dy e tf o rt h em o m e n ta n di tw i l lb ed o n ei nt h ef u t u r e b a s e do ni n t e r f a c eb o a r d sf u n c t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e s a n a l y s i s ，id e s c r i b e i n t e r f a c e si m p l e m e n t a t i o na n dd e s i g nb ys e p a r a t i n gi ti n t or e c e i v i n gp a r ta n ds e n d i n gp a r t i t i n c l u d e st h e o r ya n a l y s i s ，s u c ha sf s m ( f i n i t es t a t em a c h i n e ) a n ds y n c h r o n i z a t i o nd e s i g n ，a l l t h em o d u l e sa r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o na n a l y s i sa n di t s i m p l e m e n t a t i o n ，t h es y s t e m s d e b u g g i n gp r o c e s sa n dt h er e a c h e dp a r a m e t e r s t h ei m p l e m e n t a t i o na n dd e s i g nf o rn a r r o w b a n di n t e r f a c eb o a r di nm r i s p e c t r u mc o n s o l e m a k e si tm o r ee a s i l yb u i l tb yo u r s e l v e s i tn o to n l yr e a c h e st h eo l dm i u s y s t e m sp a r a m e t e r s ， b u ta l s oc a nr u nw i t l lah i g h e rf r e q u e n c y a n di tl o w e r st h ep r i c e e c o n o m i z e st h ec o s ta n d t a k e ss o m ee c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ；f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ；f i r s ti nf i r s t i i i 东北大学硕士论文 a b s t r a c t o u t ；f i n i t es t a t em a c h i n e 一 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：互需蠢 签字日期：。蔓争) 碉f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期 东北大学硕士论文第一章前言 第一章前言 磁共振成像( m r i ) 技术是2 0 世纪七十年代术随着计算机技术、电子技术、超导 技术和磁性材料的飞速发展而出现的一种先进的影像诊断技术，m r i 信号包含了空 间、时间、自旋密度、t 1 、t 2 、化学位移以及液体扩散等多维信息。m 砌图像能提供 人体各部位的解剖图像，它的优点是：分辨率高；无电离损伤，m r i 使用的射频( r f ) 能量比x 射线低1 0 1 2 倍；在神经系统和软组织诊断上优于x c t ，因此m m 已成为 众所瞩目的医用影像技术。m r i 系统由磁头、梯度线圈、射频线圈、梯度放大器、射 频放大器、谱仪、操作机及操作软件组成。谱仪作为m r i 的核心部件，控制着整个 m i u 系统的时序和各种波形信号的产生与发射、接收与处理。谱仪系统总体上相当于 由计算机协同控制下的一个信号发射器和一个信号接收器的有机组合体，发射的信号 是射频信号和梯度信号，接收的信号是磁共振自主产生的自由感应衰减f i d 信号。 1 1 项目背景介绍 目前国内还没有实用的医用核磁共振关键设备谱仪的生产能力。中国科学院武汉 物理所在谱仪研究方面作了许多工作。北京大学核物理研究所、北京天坛医院、西安 交通大学生物医学工程研究所等许多医院、研究机构对核磁共振的临床应用等也作了 许多卓有成效的工作。而国外m r i 整机生产厂家，其谱仪大都采用自行研制的方式， 其核心技术都属于高度机密，不对外开放。因此，国内自主生产谱仪就显得特别重要 和有意义。国家每年要花费大量的外汇用于进口此类设备。为了开发具有先进水平、 拥有自主知识产权的高档m r i 设备，开发自己的m r i 谱仪是必经之路。否则，我国 m r j 技术将永远落在别人的后面，永远也摆脱不了跟在别人后面的被动局面。同时， m r i 谱仪作为整机的核心部件，其进口价格也一直居高不下，谱仪的成本约占到整机 成本的1 3 。为了降低整机的成本，生产出具有价格优势的高档m r j 设备，实现进入 国内市场的目标，必须对谱仪进行国产化。所以说，开发自主版权的谱仪，不但有很 高的经济价值，还有更大的社会意义。 在东北大学生物医学工程研究所硕士研究生学习期间，我有幸被派到东软飞利浦 公司进行实习，参与了m r j 谱仪窄带接口板的改进设计。该接口板上有一些e o l ( e n d o f l i f e ) 的器件需要替换掉，包括4 块x i l l n x 公司的3 0 0 0 系列的f p g a 和1 个h m u l 7 ( 1 6 位的乘法器) ，同时重新制板。在实习期问，学习了很多先进的专业相关知识， 同时结合现有资料和网上以及图书馆的资料和本人的努力，成功的实现了接口板的改 进设计。利用先进的f p g a 替换了旧的e o l ( e n do fl i f e ) 的f p g a 器件，经过在整机 上的调试表明重新设计的接口板各个参数均达到了标准。不仅如此，新的接口板还能 够运行在更高的频率之上，而且更加稳定。 东北大学硕士论文第一章前言 1 2 论文的结构安排 第一章简要介绍了磁共振成像m r i 的优势、本课题的研究背景以及整体论文结构 进行了说明。 第二章介绍了磁共振成像的原理、磁共振成像设备的构成以及谱仪的功能、结构 及组成部分。 第三章对f p g a 技术进行了简介的介绍，主要内容包括f p g a 的工作原理、可用 资源、配置方法等。 第四章分析了窄带接口板整体模块图和各模块的详细介绍。包括接口板有哪几大 部分组成，各部分之问是如何协调工作的以及它们各自的工作原理，接口板与外设之 间的通讯协议等。 第五章介绍了m r i 谱仪窄带接口板中接收部分功能模块的设计和实现方法。包括 各个组成模块的详细介绍、工作原理和所用理论介绍等。 第六章分析了m i u 谱仪窄带接口板中发送部分功能模块的设计和实现方法。包括 各个组成模块的详细介绍、工作原理和所用理论介绍等。 第七章是接口板p c b 的设计和调试，介绍了接口板的设计和调试情况，包括基于 老的芯片的接口板的调试情况和重新设计以后的接口板的调试情况。 2 东北大学硕士论文 第二章磁共振系统介绍 第二章磁共振系统介绍 磁共振成像( m r i ，m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 是根据美国斯坦福大学的布洛 赫( f e l i xb l a c h ) 和哈佛大学的帕塞尔( e d w a r dp u r c e l l ) 在1 9 4 6 年分别用吸收法和感应法 独立发现的核磁共振现象( n m r ) 成像的高新技术，它的物理基础是核磁共振理论， 其实质是一种能级间跃迁的量子效应。纽约k l l 立- 大学的达玛迪安( r a y m o n dd a m a d i a n ) 和劳特伯( p a u ll a u t e r b u r ) 在2 0 世纪7 0 年代初期将磁共振现象用于医学成像，1 9 8 0 年 前后，在国际上磁共振成像装置才实现商品化。医学成像是生物医学工程学科的重要 研究领域。磁共振成像技术是研究以不同的射频脉冲序列对组织激励后，用线圈检测 技术获得组织弛豫信息和质子密度信息，通过图像重建形成磁共振图像的方法和技术。 2 1 磁共振原理简介 磁共振成像是以核磁共振现象为基础的，核磁共振现象是指某些特定的原子核在 静磁场内受到一个适当的射频脉冲磁场的激励时，所出现的吸收和放出射频电磁能量 的现象。核磁共振现象的产生需具备三个基本条件：即具有自旋磁矩的原子核，静磁 场以及适当频率的射频脉冲磁场。 由于核磁共振是在原子核内部发生的，所以可以从经典力学上进行解释。原子核 一般都包含高速旋转的中子和质子，因为它们自旋且具有质量，因此具有角动量。质 子是带正电的，它的自旋将产生一个小小的磁场，称为磁矩。虽然中子是电中性的， 但是在它的体积内各电荷分量的分布是不均匀的。因此，当它自旋时，也能产生磁矩。 当原子核中含有奇数个中子或奇数个质子或两个都为奇数时，这个原子核本身就存在 净自旋。要想产生磁共振现象，所观察样本的原子核必须具有净自旋。氢的主要同位 素质子在人体中大量存在，而且它的磁矩便于检测，因此，用它来获得磁共振图像是 很合适的。 这个进动角频率6 0 是 国2 绒 ( 2 1 ) 上式( 2 1 ) 称为拉莫尔公式，式中的，为核的旋磁比，它定义为磁矩与自旋角动量之 比，玩为外加磁场的强度。上式告诉人们，进动角频率与外加磁场及核素的旋磁比有 关【2 1 。 在放入外磁场后开始的一段时间里，有一部分质子翻转到上锥体( 即较低能量的锥 体) 中。这样，从平均的效果看，在上锥体中进动的质子将多于在下锥体中进动的质子。 这时所处的状态称为部分磁化。在过了较长的一段时间后，就有更多的质子翻转到上 锥体中，最后达到一个平衡状态，称为完全磁化。 在观察的样本磁化后，如果再对它施加一个与主磁场垂直的交变磁场，当这个交 一1 东北大擘硕士论文第= 章磁共振系统介绍 第二章磁共振系统介绍 磁共振成像( m r i ，m a g n e t i cr c s o l m n c ei m a g i n g ) 是根据美国斯坦福大学的布洛 赫( f e l i xb l a c h ) 和哈佛太学的帕寒尔( e d w a r dp u r c e l l ) 在1 9 4 6 年分别用吸收法和感应法 独立发现的核磁共振现象( n m r ) 成像的高新技术，它的物理基础是核磁共振理论， 其实质是一种能级间跃迁的量了效应。纽约州立大学的达玛迪安( r a y m o n dd a m a d i a n ) 和劳特伯( p a l i ll a u t e r b u r ) 在2 0 世纪7 0 年代初期将磁共振现象用_ ：医学成像，1 9 8 0 年 前后，在国际上磁共振成像装置才实现商品化。医学成像是生物医学工程学科的重要 研究领域。磁芡振成像技术是研究以不同的射频脉冲序列对组织激励后，用线圈检测 技术获得组织弛豫信息和质子密度信息，通过图像重建形成磁共振图像的方法和技术。 2 1 磁共振原理简介 磁共振成像是以核磁共振现象为基础的，核磁共振现象是指某些特定的原子核在 静磁场内受到一个适当的射频脉冲磁场的激励时，所出现的吸收和放出射频电磁能量 的现象。核磁共振现象的产生需具备j 个基本条件：即具有自旋磁矩的原子核，静磁 场以及适当频率的射频脉冲磁场。 由于核磁共振是在原子核内部发生的，所以可以从经典力学上进行解释。原子核 一般都包含高速旋转的中子和质子，因为它们自旋且具有质量，因此具有角动量。质 子是带正电的，它的白旋将产生一个小小的磁场，称为磁矩。虽然中子是电中性的， 但是在它的体积内各电荷分量的分布是不均匀的。因此，当它自旋时，也能产生磁矩。 当原子核中含有奇数个中子或奇数个质子或两个都为奇数时，这个原子核本身就存在 净自旋。要想产生磁共振现象，所观察样本的原子核必须具有净自旋。氢的主要同位 素质子在人体中人量存在，而且它的磁矩便于检测，迭i 此，用它来获得磁共振图像是 很合适的。 这个进动角频率。是 口2 芦o ( 2 1 ) 上式( 2 1 ) 称为拉莫尔公式，式中的，为核的旋磁比，它定义为磁矩与自旋角动量之 比，b o 为外加磁场的强度。上式告诉人们，进动角频率与外加磁场及核素的旋磁比有 关i ”。 在放入外磁场后开始的段时间里，有部分质了翻转到上锥体( 即较低能量的锥 体) 中。这样从平均的效果看，存上锥体巾进动的质子将多于在下锥体中进动的质了。 这时所处的状念称为部分磁化。在过了较长的一段时间后，就有更多的质子翻转到上 锥体中，最后达到一个平衡状念，称为完全磁化。 在观察的样本磁化后，如果再对它施加一个与主磁场垂直的交变磁场，当这个交 在观察的样本磁化后，如果再对它施加一个与主磁场垂直的交变磁场，当这个交 一1 一 东北大学硕士论文第二章磁共振系统介绍 变磁场的频率与进动频率一致时，原来处于随机相位的进动质子将趋向于同相。这种 同相的现象称为相位相干现象。当质子的进动相位完全一致时就发生了共振现象，常 称为核磁共振现象。发生共振时，质子大量吸收交变场的能量，同时向外辐射能量， 这就是用于核磁共振成像的信号。在研究人体成像时，这个交变场的频率一般都在射 频的范围内，因此通常称这个交变磁场为射频场或射频信号【2 。 2 2 磁共振系统结构 图2 1 是整个磁共振系统的原理框图，其中谱仪部分，主要包括如下系统：射频 发送系统、射频接收系统、窄带接口板、梯度波形形成系统、图像重建和显示系统。 l 量霍霉 操作计算机 图2 1 磁共振系统的原理框图 f i g 2 1p r i n c i p l es t r u c t u r eo f m r is y s t e m 工作时，操作员从操作计算机选好扫描序列和扫描参数，经网卡传送到谱仪的工 控机中。工控机把有关的参数传给各个电路板，形成发送的射频和梯度信号，经放大 后，输出给射频和梯度线圈，产生的回波信号经接收线圈给接收系统，经处理后产生 数字信号，传给图像重建系统，重建出扫描部位的图像，再传递给操作计算机显示出 图像。 典型的核磁共振成像设备的系统组成主要包括： ( 1 ) 磁体系统：包括永久型磁体、三组梯度线圈、发射接收线圈和前放、自动调 谐系统。 ( 2 ) 梯度功率放大系统：驱动三组梯度线圈，在成像空间内产生梯度场，给出成 一d 一 东北大学硕士论文第二章磁共振系统介绍 像部位的空问坐标，使图像中各像素与人体成像部位一一对应。 ( 3 ) 射频功率放大系统：发射大功率r f 脉冲，驱动发射线圈。 ( 4 ) 谱仪系统：包括射频单元、窄带接口板、梯度波形发生单元、图像处理板和 工控机。产生射频脉冲序列和梯度波形序列，接收线圈感应人体的信号，经过低噪声 前放后，输入计算机采集处理成为扫描需要的图像。 ( 5 ) 心电门控：通过心电监护来测出病人心脏的跳动规律，再通过心电监护仪触 发谱仪在心脏跳动到某一特定位置时进行扫描，从而得到一t l , 脏的清晰图像。 ( 6 ) 激光照相机把扫描后的图像照成胶片形式，便于医生诊断。 2 3 谱仪的功能及结构 谱仪，作为m r j 的核心部件，它肩负着控制整个m r i 系统的时序和各种波形信号 的产生与发射、接收与处理。谱仪系统总体上相当于由计算机协同控制下的一个信号 发射器和一个信号接收器的有机组合体，发射的信号是r f 射频信号和梯度信号，接 收的信号是磁共振自主产生的f i d 信号。m r i 系统模块图如图2 2 所示。谱仪就位于 整个图的下部。 图2 2 m r j 系统模块图 f i g 2 2t h ed i a g r a mo f m r is y s t e m 谱仪的功能是在计算机的控制下，根据不同的成像参数，产生相应的梯度波形及 东北大学硕士论文第二章磁共振系统介绍 射频( i 强) 脉冲波形，同时要求可以灵活地对r f 脉冲波形的频率、相位及幅度进行 精确的控制。梯度信号及r f 脉冲信号按照预先设定的精确时序，分别经梯度功率放 大器和射频功率放大器放大后，驱动梯度线圈和射频线圈产生梯度场和射频场。如果 射频场频率和质子进动频率相同，在人体内就会自主产生磁共振信号，经过接收线圈 接收后，送到谱仪的射频接收系统，进行解调、采样及各种滤波处理后送到主计算机 进行傅氏变换及相应的后处理，最后根据从各个体素得到的磁共振信号强度重建出可 供诊断的人体图像。 谱仪结构如图2 3 中所示。它是由脉冲序列编程器、r f 波形发生器( 图像序列器) 、 梯度波形发生器、数字信号处理卡、射频信号发送系统、射频信号接收系统、窄带接 口板等组成。其中，脉冲编程器控制脉冲序列时间顺序和其它所有的硬件；r f 波形发 生器与射频发送器以及梯度波形发生器，根据扫描序列的要求产生扫描用的脉冲波形， 使质子吸收能量并产生共振，在弛豫过程中产生磁共振信号；射频接收器采集磁共振 信号并由窄带接口板进行相应的处理；图像重建系统接收经过窄带接口板处理后的磁 共振信号，完成图象重建1 3 】【4 】【5 】。 h 敲 彗 ，、 勺 n 巴 - - - - - - - a 塑垦鎏翌垄竺兰 = = ：一， 脉冲序列发生器 图像序列器 数字信号处理卡 i 篡i n t e r f a c e 馁 板1 * 射频接毂都豢l 一r y 拓 ：射频发送 一 i i ! 射频接收 一一n b 盯u j 空盏射频蚤j 正j 图2 3 谱仪硬件框图 f i g 2 3 t h eh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m so fs p e c t r u mc o n s o l e 一6 一 东北大学硕士论文第三章f p g a 技术简介 第三章f p g a 技术简介 f p g a 是新一代面向用户的可编程逻辑器件，但是它的功能密度远远超过 p l d ( p a l 、g a l 、f p l a 等1 器件，电路结构与p l d 也有很大差异。所以，一般不将f p g a 划归为p l d 一类，而将研究、开发和应用f p g a 等内容统称为“f p g a 技术”。本章先 简要介绍两类f p g a 的结构、性能与应用领域，然后重点介绍应用范围最广泛的逻辑单 元型f p g a 的电路结构、工作原理、性能指标和开发系统和开发方法。 3 1f p g a 技术概述 g a l 器件具有功能密度大、设计灵活等优点。但是它存在两个问题：一是集成度 不高；二是i o 引脚数太少。因而它难以构成功能复杂的逻辑部件。1 9 8 5 年研制成功的 f p g a 在较大范围内满足了人们的要求。它的集成度和i o 较g a l 都有很大提高。 3 1 1f p g a 的分类 f p g a 大体上可以分为两大类：一类是逻辑单元型结构( l o g i cc e l l a r r a y ，简称 l c a ) ：一类是p a l 结构扩展型，下面对两种类型分别说明。 l c a 电路结构主要由三部分组成，即逻辑单元阵列( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k 简 称c l b ) 、i o 单元、互连资源。芯片中央是c l b 矩阵，四周配置与芯片弓l 脚相连的 i o 单元，c l b 矩阵的行或列问构成互联资源。这种类型结构的特点是通过对c l b 编 程实现逻辑功能；通过对i o 单元编程确定输入或输出结构；通过对互连资源编程实 现c l b 之间、c l b 与i o 单元之间、i o 单元之间的互连关系。从而实现了以后所需 要的逻辑功能。现在新的l c a 电路还包含有时钟管理模块d c m 以及片内r a m 等【8 】。 x i l i n x 公司的s p a r t e ni i 系列的f p g a 的模块图如图3 1 所示。 固渊豳圈剿d 阉豳剿圈固 i 滔口口圈圈口日日d o d o o e | 口晷 i 墓ilj u o 目o 臼o o 臼u o u o u o o l j u 0 歪u o u o 吕o ll 墓l 弱目囝目口囡口口口口口口口囝日雾目 豳阳囝囝口囵圈口口囝口口囝口罔雪g i 雾吲目目圉目冒目目圈目目围垂l 臣j g 目露蘸0 9 9 d 丽口0 阉g 阅溺目d g 固 图3 1 l c a 结构模块图 f i g 3 1b l o c kd i a g r a mo f l c a 一7 一 东北大学硕士论文第三章f p g a 技术简介 目前，市场上提供的这类结构的公司及其产品有：x i l i n x 公司的x c 4 0 0 0 系列、 s p a r t e ni i 系列等；a l t e r a 公司的f l e x1 0 k 系列、c y c l o n e i i 系列等。 p a l 结构的特点是与阵列可编程，而或阵列是固定连接的，即每个输出的乘积 项数目是固定的，因而造成互连模式不灵活；内含寄存器数量和i o 引脚数都较少； 造成芯片资源不能有效利用。由此，在p a l 基础上加以改进和扩展，构成p a l 结构 扩展性f p g a 。提供这类结构的产品及其公司有l a t t i c e 公司的i s p l s l l 0 0 0 系列和 i s p l s l 3 0 0 0 系列；a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 系列、m a x 9 0 0 0 系列等。 3 1 2f p g a 的优点 f p g a 是在g a l 器件的基础上发展起来的新一代可编程逻辑器件。它保留了g a l 器件的优点，同时又融合了a s i c 的优点，如功能密度大、用户可用i o 引脚数多， 一片器件便可组成一个小规模的数字系统等。可以说它将两者的优点融合为一体了， 而且它克服了a s i c 存在的设计周期长、价格费用高以及承担设计风险等缺点。与此 同时，厂商或第三方公司都已为产品研制了功能完善的开发系统，不但可以很方便的 实现数据输入、设计实现。还增设了在线实时校验和仿真等功能。显然可见它已将系 统的设计、加工和调试融为一体，并且都是在计算机上完成的。这就彻底更新了传提 的系统设计和生产的方法，具有开发费用低廉、研制周期短和研制人员劳动强度低的 优点；同时也大大提高了系统的性能指标和可靠性。 3 2f p g a 的电路结构介绍 由前面的叙述可知，f p g a 主要由以下这些部分组成：c l b 单元、i o 单元、互 连资源、时钟管理单元d l l 或d c m ( 低级f p g a 不具有该模块) 以及片内r a m 。 下面先对它们的总体连接关系以及在芯片内的分布情况和各个模块的功能进行描述。 f p g a 内部的连接情况如前面的图3 1 所示。时钟管理模块和片内r a m 分布在分 布在芯片内部的四周，它们跟c l b 以及i o 通过互连资源连接起来，实现整个芯片资 源的连通性。各个部分的详细功能介绍如下。 ( 1 ) c l b 主要完成用户的逻辑功能，它通过互连资源跟i o 以及d l l 、片内r a m 连接起来。 ( 2 ) i o 单元主要提供内部逻辑与引脚的接口，配置在芯片四周，每个i o 都有输 入输出使能控制。 ( 3 ) 互连资源构成内部的互连网络。在片内分为行通道和列通道，在行通道和列 通道中配置了丰富的互连资源，可以方便地完成c l b 之间或c l b 单元与i o 之间的连接，即构成互连网络。其中包含有开关矩阵、长线和各种缓冲器等。 ( 4 ) 时钟管理单元主要负责时钟处理。使用它可以方便的对输入时钟进行倍频、 分频、移相等操作，而且其处理过的时钟偏斜比较小、时钟信号质量比较稳 一8 一 东北大学硕士论文第三章f p g a 技术简介 定。 ( 5 ) 片内r a i v l 可供设计使用。它允许用户设计综合是选择片内r a m 使用，扩大 了芯片的r a m 的容量，便于实现更复杂的设计。 3 3f p g a 的编程和配置方法 f p g a 芯片的编程过程就是完成芯片内部各部分的配置过程，不同系列产品的编 程方法的类似，但是由于芯片规模不同，编程数据长度有差异。完成编程数据装入芯 片配置存储器的过程称为加载过程或配置过程。本节以s p a r t e ni i 系列为例介绍 f p g a 的编程和配置方法。 3 3 1f p g a 的编程数据的结构 编程数据由引导数据和配置数据两部分组成。其中，配置数据用于实现内部逻辑 功能和连接，它们可以采用几种加载模式装入芯片这的配置存储器。其数据结构如图 3 2 所示。 d m vb i t s p r e a m b i e c o d e _ c o n f t g u r a t l o np r o g r a ml e n g t h d u m 舶yb i t s ( 4b i t s m i n i m u m ) i 导数鞘 兰197篷conflg嘉”ahonda，tafranseach f r a m e c o n s i s t s o f ：a s t a a b i t a 7 i - b i t d a t a f i e l d b i t s p o s t a n b l d c o d e4 b i t s m i n i m u m 端程张槲 i c l 【o )l ，女 1 獬 t 张 n r e e s 幻p i ) l 图3 2 配置数据结构图 f i g 3 2a r c h i t e c t r u r eo f c o n f i g u r a t i o nd a t a 引导数据共4 0 位，它们是识别码1 1 1 1 i i i i ( 8 位) ，起始码0 0 1 0 ( 4 位) ，2 4 位配 置编程长度码，启动码1 1 1 1 ( 4 位) ；配置数据为帧结构，每一帧含有起始位0 ( 1 位) ， 7 1 位数据，结束位1 1 l ( 3 位) 。所以，一帧数据为7 5 位，配置数据的末尾是结束码 1 i l l ( 4 位) 。帧结构如图3 , 3 所示。 一0 一 州呲瞄 懈研 l | 萋一 l i 丽二霉燃兰 陬p 肾一 东北大学硕士论文第三章f p g a 技术简介 转剿蹴姥蠹辍 瓣 图3 3 帧结构图 f i g 3 3a r c h i t e c t u r eo ff r a m e 3 3 2f p g a 的配置流程 f p g a 的配置状态如图3 4 所示。 a l lu s e ri op i n s3 - s t a t e d w i t hh i 曲i m p c d 衄c cp u l l - u ph d c 2 h i g h c l d c = l o w 厂一 、l 一 i n i to u t p u t f f i l o w 图3 4f p g a 配置流程状态图 f i g 3 4a s t a t ed i a g r a mo ft h ec o n f i g u r a t i o np r o c e s s 在上电初始化完成之后，进入清除配置存储器状态。在初始化和清除状态期间，预 置信号i n i t 为低电平，在它们完成之后变为高电平。然后进入检测系统复位信号r e s e t 是否有效。若有效( 低电平) ，则回到检测系统状态；若无效( 高电平) 则转换到加载 模式选择，它是通过对丧模式引脚m o m 2 进行电平检测来确定加载模式，从而进入程 序数据的加载状态。假如加载过程尚未结束，在引脚r e s e t 出现低电平的复位信号， 则返回至清除状态，将清除已装载的那些配置存储器，然后再采样r e s e t 和状态线， 重新进入加载状态。如加载完毕，l c a 产生一个工作开始信号( s t a r t u p ) 便进入 操作模式，芯片在用户逻辑上工作，实现用户逻辑功能。 一】0 一 东北大学硕士论文 第三章f p g a 技术简介 芯片暂时不工作，但需保留配置数据，则可令p o w e r d o w n 为低电平，芯片 进入低功耗模式。其变高电平后，芯片经过s t a r t u p 变进入逻辑操作状态。假如 在两蟊巨亍或d f 引脚上出现低电平，则芯片返回到清除状态，同上述过程一样进行 操作。 3 3 3f p g a 配置加载模式 在配置开始之前，三个模式引脚m o m 2 被供给相应的逻辑电平，对它们采样便完 成加载模式选择，加载模式表如图3 5 所示 p r e c o n f l g u m t i o n c c l k c o n l l g u r a t i o nm o d ep u l l - u p s m 0m 1m 2 d ir e c t i o nd a t aw i d t hs e r i a ld o u t m a s t e rs e f i a lm o d on oo o ty e s y e s o s l a v ep a r a l b im o d e掩s0 1 1 1n o n oo1 b o u n d a r y - s c a nm o d e y e s 1on an o n oo1 s l a v es e r i a ih 州ey e s1旧 1 y e s n o 1 图3 5s p a r t e ni i 配置模式 f i g 3 5c o n f i g u r a t i o nm o d e so fs p a r t e n1 i 由图可知有4 种配置方式，分别为：主串( m a s t e rs e r i a l ) 从并( s l a v e p a r a l l e l ) ； 边界扫描( b o u n d a r y s c a n ) 和从串( s l a v es e r i a l ) 。下面对每种配置模式进行说明。 ( 1 1 主串模式。在该模式下，由f p g a 产生c c l k ( 配置时钟) 输入存储程序数 据的x i l i n x 公司的专用串行配置存储器中。该串行配置存储器根据c c l k 提 供串行数据流给f p g a 提供配置数据。 ( 2 ) 从并模式。在该模式下，由外部向f p g a 提供配置时钟c c l k ，同时以8 位 并行数据连接到d o d 7 上，有b u s y 信号线进行数据流的控制，c c l k 的频 率可在5 0m h z 以上。从并模式是所有配置方式中速度最快的一种。 ( 3 ) 边界扫描模式。在该模式下，不需要专用引脚，整个配置过程可通过i e e e 1 1 4 9 1 测试访问端口完成。 ( 4 ) 从串模式。在该模式下，f p g a 的配置时钟c c l k 由外部驱动，f p g a 允许 被其它逻辑器件配置比如：微处理器或者是以菊花链形式连接的f p g a 。 3 4f p g a 的开发系统 开发系统是设计f p g a 芯片的有效工具。各种类型的f p g a 生产厂商或第三方开 发了多种开发系统。但一一般都是适合自己产品专用的，并且都有配套的用户手册，详 细介绍设计输入、设计实现和设计仿真的编程方法和操作过程。 f p g a 的设计包含有设计输入、设计实现和设计仿真等内容，所以开发系统一般 一1 】一 东北大学硕士论文第三章f p g a 技术简介 都包含有设计管理软件和完成设计输入、设计实现和设计仿真等功能的相应的软件。 3 4 1f p g a 开发系统的组成 由于设计中使用的是x i l i n x 公司的f p g a ，所以这里以x i l i n x 公司的开发系统 f o u n d a t i o n 为例进行介绍。它主要由下面几个重要部分组成。 ( 1 ) p r o j e c tm a n a g e r 。这时将开发系统各个命令和软件集成在一起的设计环境。可 用鼠标选中各个模块进行调用，提供了一个从图形输入到逻辑仿真、时序仿 真及芯片配置的一整套设计环境。 ( 2 ) 设计输入软件。包含有原理图输入软件s c h e m a t c ie d i t o r ，h d l 语言输入软件 h d le d i t o r 和状态机输入软件f s me d i t o r 等。 ( 3 ) 仿真软件。支持功能仿真和时序仿真软件，同时还包括静态时序仿真软件 t i m i n ga n a l y z e r 。 ( 4 ) 配置下载软件。有j t a g 下载软件j t a gp r o g r a m m e r 和直接f p g a 下载软件 h a r d w a r ed e b u g g e r 以及p r o m 文件生成软件p r o mf i l ef o r m a t t e r 等软件。 x i l i n x 公司除了f o u n d a t i o n 开发系统还有i s e 开发系统，其它公司像a l t e r a 公司 有自己的q u a r t u s 开发系统，同时还有一些第三方软件像m o d e ls i m ( 仿真软件) ， s y n p l i f y ( 综合软件) 等。开发f p g a 时可根据f p g a 的类型选择相应的开发系统。 3 4 2f p g a 开发设计流程 一个完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、 实现、布线后仿真和下载调试等重要步骤。流程图如3 6 图所示。 电路设计与输入是根据工程师的设计方法将所设计的功能描述给e d a 软件。常 用的有原理图和h d l 语言输入。 功能仿真是验证电路功能是否符合设计要求，常用的软件有m o d e lt e c h 公司的 m o d e l s i m ，s y n o p s y s 公司的v c s 等。 1 2 东北大学硕士论文第三章f p g a 技术简介 ，孥 “ 蛤”幸太 y 图3 6f p g a 设计流程图 f i g 3 6d i a g r a mo f f p g ad e s i g nf l o w 综合优化是指将h d l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门、r a m 、 寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标与要求( 约束条件) 优化 所生成的逻辑连接，生成e d f 和e d n 等文件，供f p g a 厂家的部件布线器进行实现。 综合后仿真是为了检查综合结果是否与原设计一致，在仿真时，把综合生产的延 时文件反标到综合反真模型中去，可估计门延时带来的影响。该仿真比功能仿真精确 一些，但只能估计到门延时。 实现过程分为：翻译( t r a n s l a t e ) 、映射( m a p ) 、布局布线( p l a c e & r o u t e ) 等3 个步骤。 1 3 东北大学硕士论文第三章f p g a 技术简介 时序仿真是将布局布线中的时延文件反标到设计中，使设计既包含门延时，又包 含线延时信息，该仿真能较好的反映芯片的时间工作情况。 设计开发的最后步骤就是在线调试或者将生成的配置文件写入芯片中进行测试 每个仿真步骤如果出现问题，就需要根据错误的定位返回到相应的步骤更改或者 重新设计。 以上就是f p g a 设计的大体流程。 1 4 东北大学硕士论文 第四章窄带接1 ：2 板的结构功能和工作原理 第四章窄带接口板的结构功能和工作原理 本章将详细介绍一下m r i 系统中窄带接口板在磁共振谱仪中的地位和作用以及 接口板的功能、组成部分、以及各部分直接是如何相互协调工作的。只有对接口板的 功能和工作原理完全掌握才可能做好接口板的设计工作。 4 1 窄带接口板在谱仪中的地位和作用 接口板，顾名思义它是用来提供接口的一个板子。在谱仪中，该板可以看作是序 列发生单元与射频r f 发送单元及数据获取单元与射频r f 接收单元的接口控制板。其 在谱仪中的位置和其它功能板的连接关系