（生物医学工程专业论文）基于DSP运算处理的MRI梯度波形发生器的研究与实现.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f m i ug r a d i e n tw a v eg e n e r a t o ru s i n gd s p a b s t r a c t g r a d i e n ts u b s y s t e mi so n eo fh a r dc o r eo fm r i ( m a g n e t i cr e s o n a n c el m a g i n g ) s y s t e m i ti su s e dt oo b t a i nt h eo r i e m a t i o ni n f o r m a t i o ni nm a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g i no r d e r t oc h a i l g em a i nm a g n e t i c 西e j dd y n a m i c a i l y ，g r a d i e n ts u b s y s t e m s h o u l dp r o v i d e “n e a ra n ds w i t c hr 印i d l yg r a d i e n t 矗e l d t h eg r a d i e n tw a v e g e n e r a t o ri st h ec o r eo fg r a d i e n ts u b s y s t e m i tc o n t r 0 1 st h eo t h e rp a r to fg r a d i e n t s u b s y s t e mt og e n e r a t et h eg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l da c c o r d i n gt o t h eo r d e ro f m a s t e ru n i to fm r is y s t e m t h r o u 曲m a t r i xt r a n s f o m ，g r a d i e n tw a v e f o r mg e n e r a t o rm a k et h em r in o t o n l yp r o d u c et r a n s v e r s ei m a g e ，c o r o n a li m a g eo rs a g i t t a li m a g e ，b u ta l s op r o d u c e a r b i t r a r yo b l i q u ei m a g e d s p ( d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) s y s t e mo nt h eg r a d i e n t w a v e f o 册g e n e r a t o ri su s e dt oa c c o m p l i s hm a 订i xt r a n s f o r m t h ed s ps y s t e m i n c l u d ei n t e r f a c ec i r c i u t ，d s p 3 2 c ，d u a l - p o nr a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) ， m u l t i p l i e ra c c u m u l a t o ra n dd a c ( d i g i t a la n a l o gc o n v e r t o r ) c i r c u i t e a c hp a r ti n d s p p r o c e s s i n gs y s t e mh a sb e e nd e p i c t e dd e t a i l e d l y i no r d e rt or e s o l v et h ep m b l e it h a td s p 3 2 cw i l ln o tb ea v a i l a b l ei nn e a r f u t u r e ，an e ws c h e m eh a sb e e np r o d u c e di nt 1 1 i se s s a y t h i ss c h e m eh a se x p l a i n e d h o wt or e p l a c ed s p 3 2 cw i t ha d s p 2 11 6 0w i t h o u tc h a n g i n gt h eo t h e rpa r t0 f d s p s v s t e m k e y w o r d s ：m 砌，g r a d i e n tf i e l d ，d sp ii n t e m l p t ，d m a ，d a c l i i 独创性声明 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，不包含其他人己经发表或 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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：起蔚；良 日 期：2 疗f 学位论文版权使用授权书 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： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 核磁共振现象最早由美国理论物理学家布洛赫和珀塞尔发现，后又由达马迪 安和劳特伯等学者用于医学成像。到1 9 8 0 年前后，国际上磁共振成像装置方才实 现商品化。 核磁共振技术是继x 线、计算机断层成像( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h ，c t ) 和超声波之后的又一先进的数字成像技术。它具有无辐射伤害、高的空间分辨率、 任意的断面扫描方向和众多的成像参数等优点。主要在中枢神经系统( 特别是脑 和脊髓) 的诊断和肿瘤、梗塞等的早期发现上具有其他技术不可替代的优点。它 不仅能提供人体的解剖图像，还可以反映人体组织的生理化学信息。近二十年来， 核磁共振设备已经普及到省市级的大医院，与x 射线、c t 、彩超相配合，成为不 可缺少的现代化的医学诊断设备。 1 1 课题的来源 目前，磁共振成像系统已成为现代医学影像领域中最先进、最昂贵的诊断设备 之一。全世界磁共振年销量为1 0 0 0 台左右，中国市场容量为每年7 0 1 2 0 台，目 前国内已有的核磁共振设备以进口为主。 谱仪是核磁共振成像系统的核心部件，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。国外m r j 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。国家每年要花费大量的外汇用 于进口此类设备。因此，国内自主生产谱仪就显得特别重要和有意义。本文所研 究的梯度波形发生器正是核磁共振谱仪的组成部分，该课题来源于核磁共振谱仪 国产化的工程实践。 1 2 课题的任务 在进行本课题的设计过程中，课题组成员手头的资料非常有限，在困难重重 的情况下，首先进行了梯度波形发生器的结构和原理分析。通过对s m i s 公司梯 度波形发生器的电路分析，确定梯度波形发生器上各个部件的功能，在此过程中 学习了数字信号处理器( d 垮t a ls i g l l a lp m c e s s ，d s p ) 的结构和原理，熟悉f o r n l 语言，用逻辑分析仪进行芯片测试分析，确定各部件的工作原理和它们之间的通 信过程。课题的最终目的是设计实现自主研发的梯度波形发生器。 东北大学硕士学位论文第二章核磁共振成像原理简介 第二章核磁共振成像原理简介 2 1 核磁共振的经典力学解释 自然界中共振现象是普遍存在的，它是许多物体及设备吸收和发射能量的基 础。但是，共振又是有条件的。发生共振必须满足一定的频率条件和相位条件。 在共振的条件下，物体的能量交换才是最有效的。 对于原子核来说，其共振频率是由原子核的特性和磁场强度共同决定的。下 面从经典力学角度来进一步分析核磁共振现象及共振条件。 原子由原子核和绕核运动的电子所组成。原予核又分为质子和中子两个部分。 电子、质子和中子都是微观粒子，有着自旋的特性。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。要想产生核磁共振现象，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丰度大，而且它的磁矩便 于检测，因此，用它来获得核磁共振图像是很合适的。 图2 1 中左面画出的是一个质子自旋时的情况，它产生的磁矩相当于微小磁 棒产生的磁场( 图2 1 右图) 1 j 。 ( a ) ( b ) 图2 1 质子的自旋和磁矩 f 培2 1s p i i la n dm a g n e t i cm o m e m o f p m t o n 当自旋的质子被置入一个外加的磁场b o 时，它就会绕着磁场方向进动，就好 像一个旋转的陀螺在地球引力场的作用下绕垂直方向进动一样。 这个进动频率五是 工= ( 勉) 缄 ( 2 1 ) 2 东北大学硕士学位论文第二章核磁共振成像原理简介 上式称为拉莫尔公式，式中的r 为核的旋磁比，它定义为磁矩与自旋角动量 之比；鼠为外加磁场的强度，五为拉莫尔频率，单位是赫兹，拉莫尔频率也可以 用角频率表示，即比= 2 z ，单位是每秒弧度。核磁矩在外磁场且中与拉奠尔 频率厶的交变磁场相互作用，改变其取向便是核磁共振。 对于质子，它的磁矩在外磁场中只有两种取向，它的拉奠尔频率 工= 4 2 5 7 6 i 王岔鼠( r ) ( 2 2 ) 当研究个样本时，所涉及的不是一个质子，而是一大群质子，或叫做质子 的“集”。图2 2 ( a ) 所示的就是一群质子在没有外加磁场作用时自旋的情况，箭头 所指是磁矩的方向，现在它们的指向是随机的。当它们被置入一个外加的磁场后， 所有的质子将绕z 轴( 外加磁场的方向) 进动，其倾斜角都是一样的。但是，质 子在外加磁场作用下，只有两种可能指向平行( 或称自旋向上) 和反向平行( 或 称自旋向下) ，这两种状态分别对应于高、低能两种状态。当它们刚刚被放入磁场 的那一刻，有一半的质子绕+ z 轴进动，另一半质子绕一z 轴进动，如图22 r b ) 所示。 t 8 )( b ) 图2 2 质子的自旋和磁场下的进动 f i g 2 2s p i no f p 删o n s 锄di t sm o v e m e n tj mt h em 础h c f j e l d 这两组分别绕+ z 和z 轴进动的质子可咀用两个相对的顶点都在原点的圆锥 体表示。在这种表示方法中，上锥体表示自旋向e 的质子，下锥体表示自旋向下 的质子。个别的质子会在两个锥体中上下翻动，但是，总的效果可以看作为这两 个相对的圆锥体。 在放入外磁场后丌始的一段时间里，有一部分质子翻动到上锥体( 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，如图2 3 ( b ) 所示。这时所处的状态称为部分磁化。在过了较长的 一段时问后，就有更多的质子翻动到上锥体中，最后达到一个平衡状态，如图23 r c l 所示，这时称为完全磁化。 东北大学硕士学位论文第二章核磁共振成像原理简介 问已知部分的每一个点p ( x ，y ，z ) 都可确定一个向量： 塑f + 堡，+ 塑七( 2 3 ) 嘞咖。 。z 该向量就称为函数u 。( x ，y ，z ) 在点p ( x ，y ，z ) 梯度，记作伊a d 巾( x ，y ，z ) ，即 g r a d 中( x ，y ，z ) ：娑f + 娑，+ 娑| j ( 2 4 ) o z卿 o z 向量函数掣a d 由( x ，y z ) 同时确定了一个向量场，这就是梯度场。 2 2 ，1 2 梯度磁场的作用及产生 拉莫尔方程告诉我们，质子的共振角频率等于其旋磁比y 与外磁场鼠的乘 积。由此可见，改变磁场鼠就改变共振频率w 0 ，也就是说，如果能使扫描平面 上每一点具有不同的磁场强度，人体不同部分受激发的原子核，将在不同频率下 共振，这种思想首先由劳特伯提出，并成功地用来编码受激原子核的空间信息， 即进行空间定位。劳特伯采用的办法是在主磁场鼠叠加一个变化的小磁场a b ， 从而使成像层面上各处的磁场得以改变，我们注意到，b 不仅同鼠一样，具有 向量场的性质，而且是变化的向量场，即具有上面所讲的梯度场的特点，因此， b 又叫梯度磁场，并简称为梯度场。 由此可见，所谓梯度磁场，就是指沿直角坐标方向呈线性变化的磁场，也就 是说，对于梯度磁场，每单位长度上的磁场是线性递增的。 为了得到任意层面的空间信息，m 系统在x 、y 、z 三个坐标方向均使用梯 度磁场，它们分别被称为g x 梯度、 梯度和梯度。6 膏、6 和分别由互 相垂直的三个梯度线圈产生。其中每个线圈的工作特性和激励电路完全相同，扫 描时，它们所产生的梯度磁场b 与主磁场鼠叠加后共同作用于相关的体素，可 见梯度线圈的作用就是动态地修改主磁场。 2 2 1 3 梯度场的数学模型 m r j 系统所使用的梯度磁场是线性梯度，即随着时间t 的推移，梯度场成比 例地上升或下降，且只有在扫描周期才出现，另外，梯度到达预定值后，需持续 一段时间( f ：) 才开始下降，梯度场的这种工作过程如图2 5 所示。图中衄一 为梯度场的预定值， 和f ，分别为梯度开始上升和到达预定值的时间，f ，和，分 别为梯度关闭和恢复至零值的时间。显然，f l f ：就是常说的梯度上升时间或梯 度预备时间， ，是梯度持续时间，f ，为梯度下降的时间，以后又开始一 个新的梯度场周期。 一6 东北大学硕士学位论文第二章核磁共振成像原理简介 一t 图2 5 梯度场a b 周期 f i g 2 5 p e r i o do f g r a d i e n tf i e l d b 设梯度的上升和下降时间相等，则上述过程可用函数式表示为 曲= 式( 2 5 ) 中，蝗建f ，为梯度场的斜率，也就是梯度的变化率。它和梯度上 一f o 升时间都是梯度系统的重要指标，在梯度场预定值一定的情况下，上升时间越短， 即梯度的斜率越大，系统的性能就越好。 2 2 1 4 梯度场与主磁场的叠加 主磁场鼠是匀强磁场，其大小和方向是固定不变的，但是，梯度场b 的大 小和方向均可改变。b 产生后是叠加在玩之上的，使玩+ b 也随着发生梯度 性的变化。在图中我们用水平箭头表示静磁场鼠的方向、用向上的箭头表示各个 点上的场强。图2 6 ( a ) 为将要施加的线性梯度场。这里箭头的长短表示各点上梯 度场的大小，箭头的方向为梯度场的方向( 箭头向上为正梯度场，向下为负梯度 场，二者分别起增强和消弱主磁场的作用) 。值得注意的是，梯度场中心的场强总 为零，这说明它与主磁场叠加后，磁体中心的磁场总是不变的。图2 6 ( b ) 和图2 6 ( c ) 分别表示梯度场叠加前后的情况。从图2 6 ( c ) 可以看到，静磁场b o 和梯度磁场b 的叠加使得每个点上的场强发生了变化，表明每点的拉莫尔频率也不同了。 一7 一 仉骘生仉 东北大学硕士学位论文第二章核磁共振成像原理简介 强减弱，而磁体中心的场强不变。 2 2 2 核磁共振成像的空间定位 图2 7x 轴梯度 f 培2 7 xa x i sg r a d i e n t 在m r i 系统上为了要在成像范围内造成一个磁场分布，都运用三个轴向的梯 度磁场，磁感应强度分别沿三个坐标轴成线性分布，图2 7 中是一个x 轴梯度的 示意图，用t m ，即每米特斯拉为单位。在y 与z 方向有同样的梯度场，这些梯度 场是通过对三对( x 、y 、z ) 梯度线圈提供电流产生的，可以人为地分别控制它 们的通和断。m 就是利用这三组梯度给不同位置上的核磁矩带上空间位置的信 息，这称为编码。然后对采集到的信号进行解码，恢复其位置来实现图像重建的。 下面分别说明。 2 2 2 1 选片梯度场 为了说明人体的方位，解剖学中定义了三个标准断面它们是矢状面( 于前 后方向将人体纵断为左右两部的断面) 、额状面( 于左右方向将人体纵断为前后两 部的断面) 和水平面( 垂直于矢状面和额状面，将躯体横断为上下两部的断面) 。 这三种断面亦用于m r i 中。尽管m 可任意方向断层，但所有层面都是以上述 某一标准面为基准向其他方向旋转( 也可不旋转) 得到的。在m r l 中，平行于矢 状面、额状面和水平面切取的层面分别被称为矢状位( 面振频率，只有鼠= 2 厅磊y 的一层 烈鞘拍；薤甫登瓤簧台锚矬疆i 耋? 等豢铝捱 状位( 面) 像和横轴位( 面) 像。z图2 8 选片梯度场与坐标系f i 9 2 8s l i c eo radiem fieldandcoordinaie 东北大学硕士学位论文第二章核磁共振成像原理简介 系可知，v 3 较v 2 有更快的进动频率，而v 2 的进动又要快于v 1 ，正如图2 9 ( c ) 所示。 避动频率的不同必然导致进动相位不同。设相位编码梯度的持续时间为t y ，则t ， 时间后相移编码方向上各体素的进动相位o ，为 西，= 印，= ，口o + 少g ，芦， ( 2 8 ) 图2 9 ( c ) 中，我们用0 l 、m 2 和0 3 分别表示相位编码梯度结束时m l ，m 2 和m 3 的进动相位。 由此所产生的相位差m 可用下式计算： 中，= ，_ ，g ，r ，= ，。 ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 中的m 是相位编码坐标y 即g ，的函数。由此可见，在g ，的作用 下，信号中已包含了沿y 方向的位置信息。 在t = t v 时刻，相位编码梯度关断。这对各体素再次置于相同的外磁场中，其 进动频率均恢复至g 。作用前的数值( 同频率) ，但是g 。所诱发的进动相位差却被 保留了下来，这就是相位编码的所谓“相位记亿”功能。图2 9 ( c ) 表示了这一情 形。从这个意义上讲，相位编码就是通过梯度磁场对选中层面内务行间的体素进 行相位标定，从而实现行与行之间体素位置识别的技术，也就是说，相位编码的 作用是确定层面在一维上的体素。 在每个数据采集周期中，相位编码梯度只是瞬间接通。因此，它总是工作于 脉冲状态。有多少个数据采集周期，该梯度就接通多少次，梯度脉冲的幅度也就 变化多少次( 每次旖加时采用的梯度值均不同) 。习惯上将相位编码梯度的一次变 化称为一个相位编码步。对于1 2 8 1 2 8 的图像来说，需要1 2 8 个相位编码步才能 完成。 ( 2 ) 频率编码梯度 相位编码梯度作用后在x 的平行方向形成了一行行的等自旋线，即它只在 维方向提供了体素的识别信息。为了产生x 方向体素的位置信息，还需加入g x ， 在m r i 中，g 。对体素的识别采用频率编码的方案，所谓频率编码，就是利用梯 度磁场造成相关方向上各磁化矢量进动频率的不同，并以此为根据来标记体素空 间位置的编码方法。图2 1 0 是频率编码的原理示意图。可以看出，由于g x 的存 在，使成像层面中频率编码方向上的体素列位于不同的场强中。这时与y 轴平行 之各列体素的进动角频率0 ) ；由下式决定： 峨= y ( b o + 石g ，) ( 2 1 0 ) 从上式清楚地看出，( o 。为x 坐标的函数，即不同的x 决定了不同的进动角频 率。由此可见，r f 信号中编码了x 坐标的位置信息。 例如，图2 1 0 中c 2 列处的场强高于c l 列，这时c 2 列内各磁化强度矢量将 以比c 列更快的速度进动。磁化矢量进动频率的变化，将从r f 信号中反映出来。 也就是说，我们所接收到的信号中己包含有体素的空间位置信息。通过傅里叶变 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章核磁共振成像原理简介 换，便可将这种带有频率编码的位置信息分离出来。 相位编码形成的是一行行与g ，相垂直的等自旋线( 相位编码线) ，而频率编 码的结果将出现一列列与g 。垂直的等自旋线( 频率编码线) 。等自旋线上所有体 素磁化矢量的进动角频率均相同。在频率编码中，两条等自旋线间的频差为 峨= 弘蝴。 ( 2 1 1 ) 式中x 为两条等自旋线间沿x 方向的坐标差。可见，两自旋线相距越远， 其频差越显著。 与相位编码不同的是，每个周期的频率编码脉冲均相同，即频率编码梯度以 相同的幅度周期性重复出现。另外，频率编码梯度一般只在m 信号出现时旖加， 所以它又被叫做读出梯度或测量梯度。 我们知道，m r j 线圈中接收到的信号是 受激层面内各体素所产生的m r 信号的总和。但是，在二维成像技术中由于相位 编码梯度和频率编码梯度的共同作用，各相邻体素产生的信号在频率和相位上均 存在细微的差别。这种差别表现在相位编码方向上就是进动相位的不同，表现在 频率编码方向上就是进动频率的不同。两个体素问的距离越远，上述差别就越大； 两个体素间的距离越近，上述差别就越小。通过二维傅里叶变换，就可以使频率 和相位表示的差别转换为体素空间位置的差别1 2 j 。 图2 1 0 频率编码的原理 f 毽2 1 0f r e q u e n c yc o d 协gt h o e r y 1 3 东北大学硕士学位论文 第三章梯度波形发生器 第三章梯度波形发生器 3 1 梯度子系统简介 梯度子系统是指与梯度磁场有关的一切电路单元。它的功能是为系统提供线 性度满足要求的、可快速开关的梯度场，以便动态的修改主磁场，实现成像体素 的空间定位。此外，在梯度回波和其它一些快速成像序列中，梯度场的翻转还起 着射频发射后自旋系统的相位重聚作用。因此，梯度子系统是m r j 系统的核心部 件之一 1 】o 梯度子系统由梯度线圈、梯度控制器、数模转换器、梯度放大器和梯度冷却 系统等部分组成。各部分之间的关系如图3 1 所示。 梯度电流 图3 1 梯度子系统工作流程图 f i g 3 1g m d i e ms u b s y s t e mw o r kf l o w ( 1 ) 梯度线圈 m r j 系统需要3 个互相正交的梯度磁场作为图像熏建的定位依据，这3 个梯 度场分别由3 个梯度线圈来提供。 产生z 向梯度场的线圈g z 可以有多种形式，最简单的是马克斯威尔对。这 是一对半径为a 的环形线圈。电磁场理论的计算表明，当两线圈的间距等于3 a 时，线圈取得最好的线性。另外，如果在两线圈中分别通以反相电流，便可使中 间平面的磁场强度为零。 x 向和y 向梯度线圈g x 和g y 的原理稍微复杂些。为得到与g z 正交的磁场， 人们根据电磁学中著名的毕奥一萨伐尔( b i o t - s a v 叭) 定律，研究了无限长导体 周围的磁场，发现四根适当放置的导线通以电流便可产生所需梯度，即产生的磁 场在几何形状确定的前提下只与线圈的电流有关。这就是鞍形梯度线圈。 ( 2 ) 梯度波形发生器和数模转换器 梯度波形发生器( g r a d i e n tw a v eg c n e r a t o r ，g w g ) 的任务是按系统主控单 元的指令，发出数模转换器( d i 百t a l a n a l o gc o n v c n o r ，d a c ) 所需要的标准输入 信号。系统不仅要求梯度磁场能够快速启停，而且要求其大小和方向均可改变。 - 1 4 - 东北走学项士学位论丈第三章梯度波形发生器 在梯度子系统中，对梯度放大器的各种精确控制正是由g w g 和d a c 共同完成的。 d a c 是将数字量变为模拟量输出的部件，d a c 的精度( 分辨率) 由输入端 的二进制位数决定。现在的梯度系统大多采用1 6 位的d a c 。d a c 收到梯度控制 器发送的、标志梯度电流大小的代码后，立即转换成相应的模拟电压控制信号， 以驱动梯度放大器输出梯度电流。 ( 3 ) 梯度放大器 梯度场是在流经梯度线圈的电流( 即梯度电流) 的激励下产生的，而这一电 流正是由梯度放大器提供的。 梯度放大器是整个梯度控制电路的输出级。它必须具有功率大、开关时间短、 输出电流精确和系统可靠等特点。 为使3 个梯度线圈的工作互不影响，一般都安装3 个相同的电流驱动放大器。 它们在各自的梯度控制单元控制下分别输出系统所需的梯度电流。 ( 4 ) 梯度冷却系统 梯度子系统是大功率系统。为得到理想的梯度磁场，梯度线圈的电流往往超 出1 0 0 a 。如此大的电流将在线圈中产生大量焦耳热，如果不采取有效的冷却措施， 梯度线圈就有烧毁的可能。常用的冷却方式有风冷和水冷两种。 3 2 梯度波形发生器 梯度波形发生器的任务是按系统主控单元的指令，发出数模转换器所需要的 标准输入信号。系统不仅要求梯度磁场能够快速启停，而且要求其大小和方向均 可改变。下面以s m i s 公司的梯度波形发生器( m r 3 0 4 0 ) 为例，介绍梯度波形发 生器。 s m i sm r 3 0 4 0 板在一块板上提供了三个模拟输出通道，主要用于磁共振成像 系统的梯度控制。它是一块功能非常强大的控制板，这块板集成了如下六种主要 功能口l ： ( 1 ) 一个3 2 位浮点d s p 用于进行矩阵变换的计算； ( 2 ) 1 m 的存储空间用于存储预先定义形状的波形段； ( 3 ) 3 个序列发生器，共用6 4 k 的指令存储器，这些指令用于把多个波形段 连接成一个复杂的波形，这其中包括暂停、零点挂起的计数循环和无限循环； ( 4 ) 3 个乘法累加器( m u l t i p l i e ra c c u m u l a 幻r ，m a e ) ，将存储在存储器中的 矩阵值和波形值相乘。该存储器可存储6 4 个3 3 矩阵，这些矩阵值用于幅度上 的缩放，并把序列发生器的输出分配到三个模拟输出通道； ( 5 ) 一个可编程的时钟，时钟频率编程精度是1 0 0 n s ，最小1 肛s ，最大4 0 9 6 斗s 。 产生主波形采样时钟的可编程分频器由m r 3 0 2 0 的1 0 m h z 时钟驱动； ( 6 ) 和脉冲序列编程器( m r 3 0 2 0 ) 的可控制的接口，允许3 0 4 0 板上多种进 15 东北大学硕士学位论文第三章梯度波形发生器 生一个主时钟脉冲，因而就会产生一个这样的循环，持续的时间是最后一个主时 钟脉冲开始到分频比率设定完成的时间，加上一个新的循环周期。 ( 2 ) 波形存储 m r 3 0 4 0 的波形存储器提供2 5 6 k 或1 m 字节的波形存储空间。这个存储空间 即可以被主机在初始化加载时访问，也可以在测试进行过程中被序列发生器访问。 波形数据被概念性的分成很多个段，一个波形段被定义成为任意数量的连续的点。 这些波形段是能够被序列发生器寻址的基本单元。每个波形点的主要和次要数据 相互交错，使得每个数据点的1 6 位的次要值紧跟在1 6 位的主要值的后面。主次 数据值被用作独立矩阵变换的输入，随后被结合成为三个模拟通道的输出。 ( 3 ) 硬件乘法器 硬件乘法器将来自波形存储器的三对1 6 b i t 的输出转换成三个模拟板的输出。 这种转换每个主时钟周期执行一次，输出大约在每个主时钟脉冲后的1 h s 被更新。 转换所需的1 8 个转换系数( 组成两个3 3 矩阵) 以1 6 b j t 的整数值的形式从双 口r a m 中读出，这些系数已经预先被矩阵计算器计算好。 在矩阵相乘的过程中，中间结果是3 5 b i t 的整数形式，因此为防止数据溢出， 3 5 b i t 的数据在进行1 6 b i t 的d ，a 转换之前被按比例变成1 6 b i t ( 根据数据的溢出方 向) 。共有6 4 个系数矩阵存储在双口r a m 中，所需的系数矩阵在m r 3 0 2 0 的控 制下被选定。 这个选择可以在序列执行的任意时刻进行，并且在被选择后第一个点被计算 出来开始有效。 ( 4 ) 矩阵计算 矩阵转换系数在m r 3 0 2 0 的控制下由m r 3 0 4 0 上的一个浮点处理器计算。这 个过程执行一个解释程序，由t 3 0 2 0 来决定特定的操作，如对变换矩阵进行旋 转，线性缩放，翻转，向双口r a m 中读和写矩阵，这些矩阵被矩阵乘法器使用。 针对这些操作的数据( 如旋转角度、缩放因子) 以1 6 b i t 整数的形式给出，然后 在处理器内部转换成3 2 b i t 浮点数据来用于计算。这些操作可以在序列执行的任 意时刻对存储在双口r a m 中的任意矩阵进行，除当前正在被矩阵乘法器使用的 矩阵。 ( 5 ) 序列发生器 在m r 3 0 4 0 上共有三个序列发生器，从波形存储器中提供三个逻辑输出，每 个都可以独立控制，序列发生器可由猢r 3 0 2 0 编程，通过指令来指定如何从波形 存储器中取出波形点并传送到矩阵乘法器，并指定当前的波形段执行完成后接下 来做什么。三个序列发生器共享指令存储器，指令存储器共有6 4 k 的指令空间， 如果一个特定的序列需要的话，它们有可能共用一个指令流。 序列发生器的指令集中共有三种类型九条指令，其中包括零开销的循环指令， 一1 7 东北大学硕士学位论文 第四章d s p 结构和原理 第四章d s p 结构和原理 自1 9 8 2 年t i 公舞擅攀列一葡 隧霞谱i 鬟篷囊蠢穗j 囊i 室掣鹭基器舔燮慧战 蓦带攀善赫聊霹查随后j 州对f 薹誊竖霾篱隧理。鐾刎箍楼；盈毪刘这。藿旃 潮群：翦嚣琵韧j 崭静默蜉。峨遵碰瞩匾蹲测聊甥渐烈锄匿毒幽堙：湛灌隧蹲霉 器鹭坚到羹警冀写功葡瞄副尉黜，憾淫淄蕊燃癯翟幽谤浠勇羚强n 积生器编程) ； ( 2 ) 在脉冲序列产生的任意时间触发和再触发序列发生器； ( 3) 定义和选择输出的转换矩阵。 m r 30 4 0 的这些主要特点将在下面做详细介绍。 ( 1) 主时钟 m r3 0 4 0 上所有的运算都由一个1 0 m h z 的系统时钟驱动，这个时钟由 m r 30 2 0 提供。波形点的时间长度由可编程的主时钟定义，可编程的主时钟由系 统时钟驱动。在m r 3 0 2 0 控制的脉冲序列执行的任意时刻，时钟的分频比率是可 编程的，对于波形的每个点对，时钟频率编程精度是1 0 0 n s ，最小1 u s ，最大4 0 9 6 p s 。 m r3 0 4 0 的默认主时钟周期是1 “s 。 在序列有效时，如果主时钟重新编程，一个新的循环就会立即开始，不必产 - 1 x 东北大学硕士学位论文 第四章d s p 结构和原理 第四章d s p 结构和原理 自1 9 8 2 年t i 公司推出第一枚可编程d s p 芯片以来，d s p 技术以其独特的优 势取得了突飞猛进的发展，该技术已经在航空航天、遥测遥感、生物医学、自动 控制、震动工程、通讯雷达、水文科学等领域有着十分广泛的应用。随着微电子 技术以及d s p 算法的深入发展，数字信号处理技术将深入到人们生活的各个方 面。 4 ，1 数字信号处理器技术 信号是信息的载体，信号处理本质上就是对信息的变换和提取，将有用的信 息从各种噪声干扰的环境提取出来，并变换为一种便于为人和机器所使用的形式。 广义的数字信号处理技术是指理论上对数字信号处理的研究，而数字信号处理器 是指实现数字信号处理理论的一类专门芯片。d s p 已经逐渐成为数字信号处理器 的代名词。 4 1 1d s p 的特点 目前d s p 在诸多领域得到广泛应用，这与其自身的优势是分不开的。传统的 微处理器不适用于进行数字信号处理所需的高等数学运算，其运算需要较长的计 算时间，不能满足现代信号运算处理的要求。而数字信号处理器有以下明显的优 势【4 】： ( 1 ) 数字信号处理器具有较大的动态范围，易于实现机器和设备之间的匹配： ( 2 ) 用于数据处理时具有较高的信噪比，在处理过程中不会产生噪声； ( 3 ) 数字数据具有高度的灵活性，易于处理、缓存、组合，可以时分多用， 并行处理具有极好的重现性、可靠性和预见性； ( 4 ) 执行速度较快，整体性能高，可实现真正的运算处理； ( 5 ) 在现代数字信号处理器的硬件结构上，对噪声、非平衡干扰和多径干扰， 都有相应的方法进行信号处理； ( 6 ) 内部都采用了哈佛总线结构，程序和数据具有独立的存储空间，而且有 各自独立的程序总线和数据总线，与程序和数据共用存储空间的冯诺依曼结构 相比，大大提高了数据处理速度，提高了数据的吞吐率，非常适合于运算信号处 理； ( 7 ) 采用专门的乘法累加器，打破了传统乘法运算由于速度不高而产生的对 数字信号处理的瓶颈限制，能在同一时钟周期内进行相乘和累加运算，大大加快 了数字信号处理算法的运算速度； 1 9 东北大学硕士学位论文 第四章d s p 结构和原理 ( 8 ) 采用流水操作结构，能减少指令执行时间，而且程序执行时间可预测 ( 9 ) 有双地址单元，支持多种寻址方式： ( 1o ) 具有有效的程序控制机制，并有硬件逻辑支持零开销循环； ( 1 1 ) 对输入输出数据流没有限制； ( 1 2 ) 具有特殊的d s p 指令系统，支持汇编和高级语言编程。 4 1 2d s p 芯片的应用 自从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片得到了飞速 的发展。d s p 芯片的高速发展，一方面得益于集成电路技术的发展，另一方面也 得益于巨大的市场。在近2 0 年时间里，d s p 芯片已经在信号处理、通信、雷达 等许多领域得到广泛的应用。目前，d s p 芯片的价格越来越低，性能价格比日益 提高，具有巨大的应用潜力。d s p 芯片的应用主要有： ( 1 ) 信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、 谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等； ( 2 ) 通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、 多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等； ( 3 ) 语音如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、 说话人确认、语音邮件、语音存储等； ( 4 ) 图形，图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、 动画、机器人视觉等； ( 5 ) 军事如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等； ( 6 ) 仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等： ( 7 ) 自动控制如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等； ( 8 ) 医疗如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等； ( 9 ) 家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字 电话电视等。 随着d s p 芯片性能价格比的不断提高，可以预见d s p 芯片将会在更多的领 域内得到更为广泛的应用。 4 2d s p 芯片的结构 在d s p 应用设计中，设计者必须对d s p 的结构有深刻了解，只有这样，设 计的系统才能可靠运行，程序代码的效率才可能大大提高，d s p 的基本结构主要 包括以下四个部分r + j 。 一2 0 东北大学硕士学位论文 第四章d s p 结构和原理 4 2 1 计算单元 由于d s p 在一个周期里必须完成乘累加、加、减、与或、移位等操作，所 以对计算单元硬件结构的优化是d s p 处理器的核心。也正是因为这一点，才将 d s p 和通用微处理器区分开来，通用微处理器需要多个周期才能完成这些操作。 通常d s p 中的乘累加器、算术逻辑单元和桶型移位器( 移位器) ，主要实现 数值运算。乘累加器实现乘累加操作，多数d s p 算法( 例如f j r 、i i r 滤波和快 速傅立叶变换) 中都要用到该操作。算术逻辑单元实现加、减和逻辑操作。位操 作和字操作主要在移位器中进行。 从编程的角度来看，使用计算单元相互分离的d s p 结构使得程序开发具有很 大的灵活性和较高的效率。数据流不会冲突，能够实现单周期的计算操作。d s p 的结构也为乘累加操作提供了较高的动态范围，使乘累加器能处理2 倍输入数 据宽度的乘法结果，而累加器输入时也不会溢出( 对一个1 6 位的d s p ，这特 性等效于1 6 位的数据输入和4 0 位的乘累加器的输出) 。 此外，计算单元的其它特性也大大方便了运算系统的编程。计算操作会引起 状态位的变化，对这些状态进行测试，可以确定计算操作是否产生进位、溢出、 饱和等，从而使d s p 可以快速地处理基于计算操作的程序流，实现不同条件下的 连续操作。当然，由于计算单元需要不断地将数据反馈给输入，这将对d s p 存储 器和内部总线结构地设计产生很大影响。 4 - 2 _ 2 存储器部分 d s p 存储器和总线结构是根据处理速度的要求进行设计的。数据和指令必须 在每个指令周期里流入计算和程序控制器单元，而没有延迟和瓶颈的限制。因此， 设计的关键就是如何提高数据的吞吐率。 要提高数据吞吐率，我们先来看看d s p 存储器和通用微处理器存储器设计之 间的区别。以前大多的微处理器都采用冯诺依曼结构，都使用单一的存储器空 间，即存放数据又存放指令，并用一条地址总线和一条数据总线。当在每个周期 需要总线访问时，必须判断是访问指令还是访问数据，这会大大限制数据的吞吐 率。而在d s p 中采用哈佛结构，存储器通常分为程序存储器和数据存储器，两个 存储器都有独立的总线结构，这样就将指令和数据访问分离开来，d s p 能够在每 个周期同时取指令和数据，从而使数据吞吐率加倍。此外，还可以使用其它优化 措旋( 如指令缓存、结果反馈和上下文切换) 来提高d s p 的数据吞吐率。 另外，d s p 存储器结构的优化还包括重复的存储器访问。在大多数d s p 算法 中，例如在数字滤波器的使用中，需要从存储器中反复读取数据。d s p 通过两个 地址产生器支持不同类型的缓冲寻址方式，并通过硬件逻辑以最高的效率执行地 一2 】一 东北大学硕士学位论文 第四章d s p 结构和原理 4 2 1 计算单元 由于d s p 在一个周期里必须完成乘累加、加、减、与或、移位等操作，所 以对计算单元硬件结构的优化是d s p 处理器的核心。也正是因为这一点，才将 d s p 和通用微处理器区分开来，通用微处理器需要多个周期才能完成这些操作。 通常d s p 中的乘累加器、算术逻辑单元和桶型移位器( 移位器) ，主要实现 数值运算。乘累加器实现乘累加操作，多数d s p 算法( 例如f j r 、i i r 滤波和快 速傅立叶变换) 中都要用到该操作。算术逻辑单元实现加、减和逻辑操作。位操 作和字操作主要在移位器中进行。 从编程的角度来看，使用计算单元相互分离的d s p 结构使得程序开发具有很 大的灵活性和较高的效率。数据流不会冲突，能够实现单周期的计算操作。d s p 的结构也为乘累加操作提供了较高的动态范围，使乘累加器能处理2 倍输入数 据宽度的乘法结果，而累加器输入时也不会溢出( 对一个1 6 位的d s p ，这特 性等效于1 6 位的数据输入和4 0 位的乘累加器的输出) 。 此外，计算单元的其它特性也大大方便了运算系统的编程。计算操作会引起 状态位的变化，对这些状态进行测试，可以确定计算操作是否产生进位、溢出、 饱和等，从而使d s p 可以快速地处理基于计算操作的程序流，实现不同条件下的 连续操作。当然，由于计算单元需要不断地将数据反馈给输入，这将对d s p 存储 器和内部总线结构地设计产生很大影响。 4 - 2 _ 2 存储器部分 d s p 存储器和总线结构是根据处理速度的要求进行设计的。数据和指令必须 在每个指令周期里流入计算和程序控制器单元，而没有延迟和瓶颈的限制。因此， 设计的关键就是如何提高数据的吞吐率。 要提高数据吞吐率，我们先来看看d s p 存储器和通用微处理器存储器设计之 间的区别。以前大多的微处理器都采用冯诺依曼结构，都使用单一的存储器空 间，即存放数据又存放指令，并用一条地址总线和一条数据总线。当在每个周期 需要总线访问时，必须判断是访问指令还是访问数据，这会大大限制数据的吞吐 率。而在d s p 中采用哈佛结构，存储器通常分为程序存储器和数据存储器，两个 存储器都有独立的总线结构，这样就将指令和数据访问分离开来，d s p 能够在每 个周期同时取指令和数据，从而使数据吞吐率加倍。此外，还可以使用其它优 x 东北大学硕士学位论文第四章d s p 结构和原理 址修改和比较操作。有些数字信号处理器是通过软件方式实现这种操作，这就限 制了处理器对运算信号处理的能力。 4 2 3 程序控制器 多数d s p 通常都采用递归的算法，在递归软件设计中，d s p 程序控制器可以 实现零开销的程序循环，在程序的末尾处放置条件指令，决定地址指针是返回循 环的起始地址还是跳转到其它地址。然而d s p 通过硬件方式执行条件测试和指令 跳转，而且通过指令流水结构实现指令预测，大大提高了程序的执行效率。 4 2 4 输入输出单元 d s p 需要很高的数据吞吐率，因此数据的输入输出也是很关键的。现代d s p 系统中都设计有专用的输入输出处理器，主要可以完成自举载入、串行口通讯、 d m a 操作、存储器映射等操作。 4 3d s p 系统设计 4 3 1 典型d s p 系统的构成 前面介绍了处理器的结构，下面给出典型的d s p 数据采集和控制系统的组成 框图。 数字 图4 1d s p 典型系统组成框图 f 培4 11 了p i c a ld s ps y s t 啪d l a 乎a m 下面简要说明图4 1 中各组成部分的功能。 ( 1 ) 模拟输入 模拟输入信号可以是电压信号、电流信号，形式