（生物医学工程专业论文）谱仪系统中序列地址发生器的功能研究与重现.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t m c t r e s e a r c ha n dr e d e s i g no fs e q u e n c ea d d r e s s g e n e r a t o ri l ls p e c t r u mc o n s o l e a b s t r a c t t h ep a p e rd e s c r i b e st h es e q u e n c ea d d r e s sg e n e r a t o ri ng r a d u a t eb o a r df o rs p e c t r u m c o n s o l ei nm 砌( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) i ti n c l u d e sa d d r e s sg e n e r a t o r sf u n c t i o n r e s e a r c h ，r e d e s i g n , d o w n l o a d ，v e r i f i c a t i o na n du s i n gi nt h es y s t e m t h e r ei sl i t t l ed a t aa b o u t t h ec h i p sf u n c t i o na n d j u s tc a l la n a l y z ei t sf i m c f i o nb ys o m es i m p l eu s e rm a n u a l t h ec h i pi s j l a s tl i k e a b l a c kb o x b yas e r i e se x p e r i m e n t sw i t hc h a n g i n gt h ei n p u tp i n st i m i n g r e l a t i o n s h i p ，ig o te v e r yo u t p u tp i n st i m i n gc h a r a c t e rt h r o u g h tl o g i ca n a l y z e r b yr e s e a r c h i n g t h ec h i p si n t e m a ls e q u e n c er e l a t i o n sg o ta l lo fi t sf u n c t i o na n di m p l e m e n t e dt h ec h i p s f i m c f i o n b y t h e d e s i g n m e t h o d o f e d a ( e l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n ) a l t h o u g h t h e p a p e r j u s ti n t r o d u c e st h es e q u e n c ea d d r e s sg e n e r a t o r sr e s e a r c h i n ga n di m p l e m e n t a t i o n ，t h ed e s i g n i d e aa n dm e t h o di su n i v e r s a l t h ee m p h a s e sa n dd i f f i c u l t yi st h es e q u e n c ea d d r e s sg e n e r a t o r f u n c t i o n sr e s e a r c h i n ga n da f f i r m a t i o n m a i n l yr e s e a r c hi t si n s t r u c t i o nf u n c t i o n t o p - t o - d o w nd e s i g nt a c t i c si sa d o p t e d t h r o u g h u s i n ge d ad e s i g nl a n g u a g e - - - - v h d l ( v e r y - h i g h - s p e e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ， d e s c r i b et h ec h i p sf u n c t i o nb e h a v i o rl e v e l a n dd e s i g nt h ei m e r n a ld a t af l o w t h e nu s e x i l i n x sf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r m y ) c h i pd e v e l o p i n gs o f t w a r ef o u n d a t i o n3 。1i t os i m u l a t et h ed e s i g na n dd o w n l o a d t a k ef p g ac h i p - 一x c 4 0 0 5 ，w h i c hc a nb cb o u g h tn o wt o r e p l a c et h ef o r m e rx c 4 0 0 3f o rc o n v e n i e n c e a n dt h et a r g e t - r e p l a c i n gc h i pi ss p a r t a ni is e r i e s c h i px c 2 s 2 0 0 t h er e d e s i g n e dg r a d u a t o rb o a r di sa b l et ow o r ki nt h es y s t e ms u c c e s s f u l l y , a n d m e e tt h ee n t i r ep e r f o r m a n c ei n d e x 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 ；e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ；v e r y - h i 曲一s p e e d h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ；f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ；g r a d i e n tb o a r d l h 独创声明 本人声明所里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 获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：引、寤 签字日期： z9 d f 1 、一r 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： 东北大学硕士学位论文 第一章前言 第一章前言 在电子设计领域，可编程逻辑器件的广泛应用，为数字系统的设计带来了极大的灵 活性。由于器件可以通过软件编程对其硬件结构和工作方式进行墼构，使得硬件设计如 同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程乃 至设计观念。 e d a 是电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 的缩写，是9 0 年代初从训 算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 、计算机辅助制造( c o m p m e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 等概念发展而来的l l j 。e d a 技术就是以计算机为工具，在e d a 软件平台上，对以硬件描述语言( h a r d 愀d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，h d l ) 为系统逻辑描 述手段完成的设计文件自动地完成逻辑编译、逻辑化筒、逻辑分割、逻辑综合及优化、 逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工 作f 2 】。设计者的工作仅限于利用软件，即利用硬件描述语言来完成对系统硬件功能的描 述，在e d a 工具的帮助下就可以得到最后的设计结果。e d a 技术中最为瞩目的功能， 也是最具现代电子设计技术特征的功能就是日益强大的逻辑设计仿真测试技术，即只需 通过计算机就能对所设计的电子系统从各种不同层次进行一系列准确的测试与仿真操 作 3 1 。 现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 正处于e d a 技术的前 沿。全新的f p g a 正在越来越多的替代专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ，a s i c ) 和可编程数字信号处理器( p r o g r a m m a b l ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，p d s p ) 用作前端数字信号处理的运算。过去，前端的可编程数字信号处理的算法，如f f t 、f i r 和i i r 滤波器，都是利用a s i c 或p d s p 构建的，但现在大多为f p g a 所代替 4 】。f p g a 具有许多与a s i c 相同的特点，例如：在规模、重量和功耗等方面都宥所降低。而且吞 吐量更高、能够更好的防止未授权复制、元器件和开发成本进一步降低、开发时间也大 大缩短。还县有在线路中可重复编程的特性，从而可以产生更为经济的设计。正如我们 现在已经看至的，随着f p g a 在数字信号处理中的大规模应用，正在日渐深入的影响我 们的生产和生活，也必将在这一领域引起深刻的变革，本文给出的是在一片f p g a 中实 现谱仪系统的序列地址发生器的功能设计，是利用e d a 技术实现内嵌堆栈设计的一次 尝试，在设计实现的过程中重新设计了数据流图，因而它并非原处理器的结构复制，设 计方法和思想也具有通用性。 1 9 9 9 年国内第一台医用核磁共振设备在沈阳东软数字医疗公司诞生了，东软数字医 疗公司成为世界上第七家能够生产磁共振设备的公司，中国也因此成为世界上第四个能 够生产磁共振设备的国家。其中的关键设备就是谱仪，目前国内还没有完全掌握谱仪技 术，现有的技术是从国外引进的，目的是先学习别人的技术，进而开发拥有自主知识产 一1 一 东北大学硕士学位论文第二章谱杖系统简介 第二章磁共振谱仪系统简介 2 1 磁共振成像简介 2 1 1 磁共振成像的发展史 磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c eh n a g i n g ，m r i ) 是根据生物体磁性核( 氢核) 在磁场中的表现特性成像的高新技术。二十余年来，随着超导技术、低温技术、磁体技 术、电子技术、成像技术和计算机等相关技术的进步，m r i 技术得到了飞速发展。如今， 它已广泛应用于临床，成为现代医学影像领域中不可缺少的一员f 5 1 。 磁共振成像的物理基础为核磁共振( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ，n m r ) 理论。所 谓n m r ，是指与物质磁性和磁场相关的共振现象。也可以说，它是低能量电磁波，即 射频波与既有角动量又有磁矩的核系统在外磁场中相互作用所表现出的共振特性。n m r 的本质为一种能级间跃迁的量予效应。它是以布洛赫和珀塞尔为首的两个实验室于1 9 4 6 年各自发现的，是2 0 世纪核物理研究的重要成果之一峥j 。 2 1 2 磁共振成像原理简介 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1 5 1 。磁菇振现象的产生器具备三个基本 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( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 脉 冲磁场。磁共振现象为成像技术提供了种新思路。磁共振成像就是以磁共振现象为基 础的。 由于磁共振是在原予核内部发生的，所以可以从经典力学上进行解释。原子核般 都包含高速旋转的中予和质子，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。中子虽然是电中性的，但是在它 的体积内各电荷分量的分布却是不均匀的。因此，当它自旋时，就会产生磁矩。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，所观察样本的原子援必须具有净自旋。氢的主要同位素质予 一一在人体中比较多，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 3 如式( 2 1 ) 所示： 珊= ，风 ( 2 。1 ) 式( 2 1 ) 称为拉莫尔公式，式中的y 为核的旋磁比，它定义为磁矩与自旋角动量之比， b 。为外加磁场的强度。式( 2 1 ) 告诉人们，进动角频率与外加磁场及核索的旋磁比有 关。 一一 东北大学硕士学位论文第：章谱仪系统简介 第二章磁共振谱仪系统简介 2 1 磁共振成像简介 2 1 1 磁共振成像的发展史 磁共振成像( m a g n e t i cl h s o n a n c ei m a g i n g ，m p d ) 是根据生物体磁性核( 氢核) 在磁场中的表现特性成像的高新技术。二十余年来，随着超导技术、低温技术、磁体技 术、电子技术、成像技术和计算机等相关技术的进步，m r i 技术得到了飞速发展。如今， 它已广泛应用于临床，成为现代医学影像领域中不可缺少的一员j 。 磁共振成像的物理基础为核磁共振( n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n m l c e ，n m r ) 理论。所 谓n m r ，是指与物质磁性和磁场楣关的菇振现象。也可以说，它是低能量电磁波， i p 射频波与既有角动量又有磁矩的核系统在外磁场中榴互作用所表现出的共振特性。n m r 的本质为一种能级间跃迁的量子效应。它是以布灌赫和珀塞尔为首的两个实验室于1 9 4 6 年各自发现的，是2 0 世纪核物理研究的重要成果之一”j 。 2 1 2 磁共振成像原理简介 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”。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( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 脉 冲磁场。磁共振现象为成像技术提供了一种新思路。磁共振成像就是以磁共振现象为基 础的。 由于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。原子核一股 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。中子虽然是电中性的，但是在它 的体积内各电荷分量的分布却是不均匀的。因此，当它自旋时，就会产生磁矩。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岛旋。 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。氧的主要同位素质子 一一在人体中比较多，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m 如式( 2 ，1 ) 所示： m = r e 0 ( 2 1 ) 式( 2 】) 称为拉莫尔公式，式中的y 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。式( 2 1 ) 告诉人们，进动角频率与外加磁场及梭索的旋磁比有 b o 为外加磁场的强度。式( 2 1 ) 告诉人们，进动角频率与外加磁场及核索的旋磁比有 关。 一3 一 东北尢学硕士学位论文第二章谱仪系统筒介 在放入外磁场后开始的一段时间里，有一部分质子会翻到上锥体( 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。过了较长的一段时间后，会有更多的质子翻动到上锥体 中，达到一个平衡状态，称之为完全磁化。 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，当这个交变 磁场的频率与迸动频率相一致时，原来处于随机相位的进动质子也会趋向于同相。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会产生共振现象，常称 为磁共振现象。发生共振时，质子会大量吸收交变场韵能量，同时向外辐射能量，即用 于磁共振成像的信号。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， 通常称这个交变磁场为射频场或射频信号。 根据质子的共振频率与质子所处的磁场强度成正比这一原理可知，如果能够随意地 改变被检体所在空间内各点的共振频率，就能获得以场强标记的空问信息。这一设想已 通过在静磁场b o 上叠加梯度磁场b 实现。有了变化的磁场，再用含有各种频率分量 的r f 脉冲，而不是单一频率的正弦波，激发一定数量的空间质予，就可以描绘出质子 的空间分布图像。这时，m r i 线隅中接收到的磁共振信号是不周体素内的质子所发出的 不同频率的复合信号，运用傅里叶变换技术即可将这一复合信号还原为其它空间磁场相 对应的位置信号。 用射频信号激励样本后产生翁横向磁化向量将最终决定磁共振信号的强度。为了成 像，当然不能只用一次脉冲激励，因为这样产生的信号太弱，扫描时间也长。通常的办 法是采用一个特定的脉冲序列来激励，这个脉冲序列有一定的时序。不同形式的脉冲激 励将直接影响磁共振图像的灰度、对比度等指标。 人们通过对梯度场的射频脉冲韵变化进行组合，产生了为数众多的成像方法b ”。随 着技术的发展，梯度场的应用越来越灵活。现在，由梯度脉冲的射频脉冲共同编制而成 的各种脉冲序列己屡见不鲜。 2 2 谱仪在m r j 系统中的位置 磁共振成像系统由磁体、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，谱仪在m r 和核磁共振系统中的位踅如圈2 , 1 所示。 2 3 谱仪的功能和结构 谱仪作为m r 的核心部件、控制着整个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，接收的信号是磁菸振自 主产生的f i d 信号。 一4 一 东北大学硕士学位论文第二章谱仪系统简介 图2 1 谱仪在m r i 系统中的位置示意圈l o j f i g 2 1t h ep o s i t i o ns k e t c hm a po f t h es p e c t r u mc o n s o l ei nm r js y s t e m 。 2 3 1 谱仪的功能 功能：谱仪按照预先设定的时序，根据不同的成像参数，产生出梯度信号和r f 脉 冲信号，两种信号分别经梯度放大器和射频放大器放大后，驱动梯度线圈帮射频线圈， 从而产生梯度场和射频场。如果射频场频率和被测质子进动频率相间，在人体内就会自 主产生磁共振信号自由感应衰减( f r e ei n d u c t i o nd e c a y ，f i d ) 信号，该信号经过接 收线圈接收后，送到谱仪射频接收系统进行解调、采样及各种滤波处理，再经快速傅氏 变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 及相应的后处理，最后根据从各个熊度得到磁共振 信号强度重建出可供诊断的人体图像。 2 3 2 谱仪的结构 s m i s 谱仪的结构由以下模块组成： 脉冲序列编程器( u 0 2 0 ) 图像序列器( m r 3 0 3 1 ) 梯度波形发生器( m r 3 0 4 0 ) 窄带射频单元( n b r f u ) 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 卡( 8 5 0 0 ) 谱仪各模块连接关系如图2 2 所示 一s _ 东北大学硕士学位论文第二章谱仪系统简介 图2 2s m i s 落仪各横块连接关系示意图i o j f i g 2 2s k 酬t c hm a po f s m i ss p e c m u n ，sm o d u l ec o n n e c t i o n f 6 】 m r 3 0 2 0 ：脉冲序列编程器，用于运行f o r t h 程序。将脉冲序列解释成各种参 数及控制命令 m r 3 0 3 1 ：图像序列器，用予产生提供给射频发送信号的 鼹制波形信号 m r 3 0 4 0 ；梯度信号发生器，用予产生x 通道、y 通道、z 通道梯度波形信号 8 5 0 0：数字信号处理板，对接收到的数字信号进行数据缓冲，为图像璧建作 数据准备 n b r f u ：窄带射频单元 产生提供给r f 功率放大器的己调制的发送信号 对接收到的f i d 信号进行放大、解调及数字化处理 提供附加的逻辑输入和输出 一6 一 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 系统结构概述 梯度波形发生器m r 3 0 4 0 板由序列存储器、序列控制器、波形存储器、d s p 单元、 d p r a m 、m a c 单元等模块组成，其结构如图3 1 所示。 图3 1m r 3 0 4 0 功能结构框图嘟 f i g 3 1f u n c t i o nd i a g r a mo f m r 3 0 4 0 【6 】 3 1 1 序列发生控制器 序列发生控制器是m r 3 0 4 0 的核心，它通过执行序列存储器中的指令，控制读出波 形存储器中的波形值。该指令集包含6 4 k 字指令，由九条指令组成，这些指令分别为 s t a r t ，s t o p ，h o l d ，o u 稚u t ，c o n t i n u e ，b r e a k ，s e t ，r e t u r n 和c o n d i t i o n r e 7 f u r n ，其中包括零开销的循环指令，循环嵌套的最大深度是7 。这些指令是m r 3 0 2 0 经存储器扩展总线下载丽来，m r 3 0 4 0 的高级p p l 函数有时要调用这些指令，但对编程 人员而言，不需要了解这些低级指令。 o u t p u t 指令组用于输出波形值，用它们指定波形在波形存储器中的开始地址，指 定波形存储嚣中的每个点以主采样时钟为基准的闻隔，以及从指定的开始地址开始的波 形点数。o u t p u t 指令也可包含循环结构信息，该信息或者用来指定循环开始和循环数， 或者用来指定循环结束。循环可以指定成无限循环。通过使用波形控制端口的b r e a k 标志，可以打断m r 3 0 4 0 中的任何指令循环。 h o l d 指令( 循环结梅可选) ，使序列发生器进入保持状态，它可以通过m r 3 0 4 0 中的指令，使得波形控制端口的c o n t i n u e 标志被清除。 一7 _ 东北大学硕士学位论文第三章梯度波形发生器 s t o p 指令将无条件停止波形发生。通过m r 3 0 4 0 中的指令，使得波形控制端口的 s t a r t 标志被重新置上启动序列发生器。 m r 3 0 2 0 通过其存储器扩展总线对主波形采样时钟发生器编程。该时钟是基本的定 时源，所有模拟输出更新的都以它为源。 时钟频率编程精度是l o o n s ，最小l u s ，最大4 0 9 6 u 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 加时钟驱动。 3 1 2 序列存储器 序列存储器包括6 4 k 波形生成指令。三个通道以任意比例共享这些指令。m r 3 0 2 0 通过其存储器扩展总线加载序列存储嚣指令。m r 3 0 2 0 可以读写该存储嚣。在序列存储 器运行时，也可以写入指令。写入的最大速度是每个值l u s 。m r 3 0 2 0 程序必须保证写 入数据的速度不比它快。写指令后，至少2 u s 才能读数据。 m r 3 0 2 0 扩展总线有一个端日用来设置要写入指令的地址。与该指令有关的那些域 的值隧后通过m l l 3 0 2 0 扩展总线空间加载，每个指令域一个端口。 3 1 3d s p a t t 公司的d s p 3 2 c 是3 2 位浮点数字信号处理器，用于传输矩阵的实时浮点运 算，计算完的矩阵传输给特定通道上的d p r a m 。m r c o m s 调用下载到m r 3 0 2 0 的含 有d s p 运行代码的b o o t 3 0 4 0 i t l a 文体经存储器扩展臼b o o td s p 。d s p 3 2 c 通过m r 3 0 2 0 存储器扩展端翻自举。通过3 个双端口随即存储器( r r l l d o l l l a c c e s sm e m o r y ，r a m ) ( 每 个端阳一个) ，d s p 3 2 c 非实时计算波形乘法矩阵，向乘法累加器( m a c ) 提供矩阵值。 除了m a c 正在使用的矩阵外，d s p 可以处理任何矩阵。 3 1 4 波形存储器 波形存储器包括6 4 k 字节，用于存储由i p c 下载的预定义的形成波形的数据点对。 三个通道以任意比例共享这些点。多个通道可以使用厨样豹波形点。m r 3 0 4 0 的波形数 据是连续的1 6 比特有符号的整型数据对，每个数据对的第一个数据是相应通道的主波 形数据，而第二个数据是次波形数据。每个通道中的波形数据是相邻存放的，并且以相 同的时钟驱动。1 6 位的波形存储嚣是通过8 字节p c 的i 0 空间来加载的，每4 个波形 点对( 共1 6 字节) 划归为一个段。在运行之前，由p c 加载波形点。p c 控制悬序列存 储器，还是p c 有波形存储嚣的访阔权。p c 对波形存储器的访阔通过p ci o 地址空问 实现。自动增量地址发生器提供写入数据在波形存储器中的地址。该发生器可以通过 p c 设置成0 。波形存储器中的数据用波形对的形式组织。各个通道在每个采样间隔使用 两个波形点，不同的矩降值和每个波形点相乘。由于硬件豹瑕制，波形存储器是分段的。 段长度是4 个波形点对。在序列发生器指令中，波形只能指定到段边界。 一8 - 东北大学硕士学位论丈 第三章梯度波形发生器 3 1 5 乘法器和累加器 3 个乘法器和累加器( m u l i p l i e ra n da c c u m u l a t o r ，m a c ) 用d s p 3 2 c 双1 3r a m 中 的预先计算好的矩阵值和波形存储器中的波形值相乘。个监视器检查累加器的扩展 位，看是否有上溢和下溢，检测到故障后，把数模转换器( d i g i t a la n d a n a l o gc o n v e r t e r ， d a c ) 的输出值限制在合适的水平。 m r 3 0 4 0 的每个通道的m a c 输出，分别经各自的最大采样率为1 m s p s 的1 6 位d a c 驱动转化成模拟信号，最后分别经继电器得到各个通道的梯废输出。通过调节m r 3 0 4 2 的电阻值，可以将梯度输出的最大值设定为土1 0 v ( 1 0 ) 。上述的各个通道输出继 电器只有在电源监控电路无异常指示时才能得电工作正常激活继电器，从而得到梯度输 出信号，否则梯度输出接地。 输出是单端、隔离的，输出阻抗2 0 0 欧。每个输出通道的输出电压用电阻网络p c b - - m r 3 0 4 2 预设。对于2 k 负载，范围是1 v 到1 0 v 。 输出有一个滤波电容，可以通过跳线插选用。 3 1 6d p r a m 可存储高达6 4 个矩阵，每个矩阵都包含缩放因予和旋转因子。在这些矩阵当中， 同一一时刻仅有一个矩阵被选中，将选中的矩阵与相应通道数据相乘，从而决定了该通道 梯度的旋转和线性缩放。 3 2 波形生成 p c 机把波形预先加载到全局波形定义存储器，通过访闷该存储器产生波形。和每 个通道相关的序列发生器控制对波形存储器的访问；然后，波形存储器的输出和d s p 计算的矩阵值相乘。 3 2 1 序列发生器指令 序列发生器可以通过m r 3 0 2 0 编程，使得波形可以定义成一系列包含波形的段。 3 个指令结构可以用来定义波形锕。 ( 1 )f r o m a r a t e r o u t p u t n s a m p l e s 【s e tj 】 【m 一一j r e t u r n 】 r e t u r _ n ( 2 ) h o l d s e tj 】 【i f 一j r e t u r n 】 【r e t u r n ( 3 )s t o p 其中： 一9 _ 东北大学硕士学位论文g - - 章梯度波形发生器 a 波形值( 1 6 位) 在波形存储器中以段为单位的开始地址。 r 以主波形采样时钟为单位的采样发生率( 卜4 0 9 6 ) 。 n 波形存储器中，要输出的波形点数( 1 - 4 0 9 6 ) 。 j 循环数( 1 - 4 0 9 6 ) 。 方括号中的指令域是可选的。它们垂直地摊成一组，在一条指令中只能选择个。 该指令被编码成4 位指令。对r ，n 和j ，编码到指令中的值比实际值小l 。 h o l d 指令导致序列发生器处于无限保持状态，直到操作用户在m r 3 0 2 0 波形控制 端口上，用c o n t i n u e 重新触发波形发生为止。随后，波形产生将从下一条指令继续 执行。 s e tj 指令设置循环计数值，并且强制保存当前地址，以便两个r e t u r n 结构中的 一个使用。 如果m r 3 0 2 0 波形控制端口有b r e a k 信号，那么m r 3 0 2 0 可以覆盖r e t u r n 结 构。不管r e t u r n 的状态如何，波形产生从r e t u r n 后的指令继续。 l o o p 结构可以嵌套到7 层。 s t o p 无条件挂起序列生成。只有m r 3 0 2 0 通过波形控制端口发出s t a r t 波形俞令， 才能重新启动序列生成。 3 2 2 矩阵计算和选择 可以用d s p 3 2 c 计算浮点矩阵。用户定义执行的代码。m r 3 0 2 0 用直接映射到 m r 3 0 2 0 扩展空间的d s p p i o 端口来控制d s p 3 2 c 。利用d s pd m a ，m r 3 0 2 0 可以读写 d s p 存储器。m r 3 0 2 0 为了发信号，也可以中断d s p ，例如，指示可以执行一个运算。 通过双口鼬删，d s p 和m a c 可以访问矩阵值。 在存储器扩展空间，m r 3 0 2 0 有一个指向m a c 双口r a m 地址的端口。从该地址 开始，m a c 取矩阵值，执行计算。d s p 可以修改双口r a m 中所有其他的矩阵值。 3 2 3 生成输出值 序列发生器产生的波形值和d s p 3 2 c 计算好的矩阵僮裙乘。 每个通道都有指定的波形。波形点是按照成对的方式从波形存储器中读出的，所以， 波形存储器只是相对数值独立的，蔼不是相对时间的。 m r 3 0 2 0 由加载开始地址，通过波形控制端口发启动( s t a r t ) 命令，启动执行波 形生成序列。m r 3 0 2 0 通过波形控制端口发停止( s t o p ) 命令，可以随时终止波形生成 序歹0 。 可以由6 个波形和一个6 * 3 矩阵相乘，以l u s 的速率生成三个波形。输出电压在2 k 欧和l n f 电容并联的等效负载下，以l u s 时间常数稳定下来。 一l o 卢 东北大学硕士学位论文 第三章梯度波形发生器 3 1 3 常见故障及其检测方法 3 3 1 错误代码指示 m r 3 0 4 0 的运行错误有时通过m r 3 0 2 0 错误代码指示出来，这些代码是： ( 1 ) 一1 0 、1 1 、一1 2 、一1 3 ：此错误信息是由于用b o o t m r 3 0 4 0 f t h 文件初始化 m r 3 0 4 0 时产生的。产生的原因一般是由于m r 3 0 4 0 和r m 3 0 2 0 之间的扁平电缆线接触 不良造成的。 ( 2 ) 一1 5 ：m r 3 0 4 0 地址选择错误。产生这一错误的原因是m r 3 0 4 0 地址选择开 关设置不当造成的，也可能是m r 3 0 4 0 板本身器件损坏造成的。 3 3 2 通道无波形输出 m r 3 0 4 0 较为常见的故障是x 、y 、z 三梯度输出通道均无输出或仅有一路无输出。 检测该故障所需的设备及必要的说明： 检查m r 3 0 4 0 的梯度输出使能线与i n t e r f a e e p l 7 连接无误，运行p r e a d j u s t s p p r ，将 示波器的输入阻抗设置为1 m f j 、直流用x l 探头将示波器与m r 3 0 4 0 的d b 9 接口相 连。该d b 9 各个针的物理意义如图3 2 所示。 “x 遘灌输出 2 。t 遘道输出 3 一z 遥遵循出 4 、5 、9 ln c 6 一x 通道她 7 y 迸道她 8 tz 避邋地 图3 2m r 3 0 4 0 的d b 9 各针的物理意义说明图刚 f i g 3 2p i n s p h y s i c a lm e a n i n gf i g u r eo f d b 9i nm r 3 0 4 0b o a r d t ”1 在测试过程中，示波器的电源接地线应作隔离处理，x 、y 、z 输出通道的信号要 分别测量。备通道输出的信号均应当是清新的脉冲波形，重复的脉冲个数应与设定的回 波数相同，脉冲宽度也应当与设定的脉冲宽度相同。当d a c = 3 2 7 6 7 时，各个通道的标 准输出应当是1 0 v l o ( 最大输出值) 。 ( 1 ) 如果各个通道均无梯度信号输出，可能有三种原因： 第一种：m r 3 0 4 0 板上的n a c 小板( m r 3 0 4 1 ) 直流电源供给出现异常。检测方法： 用万用表2 v 直流档测量m r 3 0 4 0 板的p 5 p 1 2 个各测试点，个各测试点的标准电压值 应均为o 2 1 v 左右，如果某一点电压大子1 0 v ，则表明d a c 小板( m r 3 0 4 1 ) 电源供 给异常，三路输出均为零。第二种：m r 3 0 4 0 板的d p r a m 由端口地址线缓冲器 ( 7 4 f c t 5 7 3 ) 损坏。第三种：m r 3 0 4 0 梯度信号输出使能线与i n t e r f a c e 板p l 7 的连接 出现异常。 ( 2 ) 如果有一路通道( 或两路通道) 无梯度信号输出，应从输出端开始逐步检查。 一1 l 一 东北大学硕士学位论文 第三章梯度波形发生器 3 3 3 梯度输出的非线性 当梯度输出非线性情况严重时，会直接导致图像伪影的增强。检查非线性的方法： 运行p r e a d j u s t 8 序列，使能m r 3 0 4 0 各个通道输出，将1 0 0 m h z 示波器按入梯度放大器 各通道输出电流监测端。示波器的输入阻抗应设置为1 m 欧姆值流。 注意：在测试m r 3 0 4 0 各个通道输崽数据时，确保示波器的接地线与m r 3 0 4 0 的x 轴、y 轴、z 轴输出通道的接地端不混同，即示波器的接地线应作隔离处理，m r 3 0 4 0 的x 轴、y 轴、z 轴输出通道的信号要分别测薰。 在理论上，每一个d a c 单位相当于3 0 51 tv 。如果d a c 值设定为1 0 0 0 0 时，梯度 输出的理论值应当是3 0 5 v 。测试导线不应太长，要求d a c 数值从一3 2 7 6 7 一1 2 8 、1 2 8 3 2 7 6 7 问的对应输出的偏差不大于5 ：d a c 数值在一6 4 6 4 闯的对应输出偏差不大于 15 。 1 2 东北大学硕士学位论文 第四章序列地址发生器的功能研究及方案设计 第四章序列地址发生器的功能研究及方案设计 4 1 序列地址发生器的功能研究 在对梯度板的研究过程中，资料缺乏，仅能够通过一些简单的用户使用文档来推测 其内部的序列地址发生器的具体功能；谱仪系统只有在d o s 平台下才可以控制些序 列的变化，而且由于d o s 平台是用于测试梯度板是否可以正常使用，里面的指令都特 别简单，很多逻辑状态都没有出现，在这个情况下对梯度波形发生器全部功髓的研究显 得有点力不从心。经过多次的研究讨论，提出一个设想，能不能将梯度板和m r 3 0 2 0 板 隔断开丽人为的给它送执行指令。根据它对已知指令的执行结果来推断内部的功能时 序? 后来的实验证明，这个假想完全可行。 4 1 1 初期的研究及简单测试 由第三章的介绍和一些相关文档材料的学习，可以猜测序列蟾址发生器( s e q u e n c e a d d r e s sg e n e r a t o r ，s a g ) 所实现的坊能是否就是序列控制器? 丽猜想是必须用实验来 证明的，进行实验之前，先来看看序列地址发生器的输入输出引脚，如图4 1 所示。 1 1 f 1 4 1 序列地址发生器引脚功能图剐 f - g 4 1i l l u m i n a t i o no f p i n sf o rs e q u e n c ea d d r e s sg e n e r a t o r 。1 1 这里，利用逻辑分析仪证实猜想。首先，将m r 3 0 4 0 板的序列地址发生器的各个功 能引脚上焊接引线，将线分组并对每根线坐具体的标记以标识，而后连接到逻辑分析仪 的信号输入端；启动逻辑分析仪，根据连接线的位置关系设置相关的输入信号名称，设 一1 3 东北走学硕士学位论文第四章序列地址发生器的功能研究及方案设计 定触发方式、触发信号条件：运行谱仪系统，根据触发时序条件采集得至触发条件下的 输入输出时序图。 最初采集到得图案很多信号都没有什么变化，因而刚开始的时候采集信号很盲目， 设置的触发条件则是根据要测试哪个信号则设成该信号的跳变，第一个得到变化规律并 初步总结出其功能的信号则是i s d 信号。经过研究总结归纳出，所谓的i s d 信号就是l 指令信号的串行转换信号，因为在生成梯度波形的过程中i 指令显得尤为重要，它决定 着所生成的梯度波形是否正确，因而系统为它提供了验证功能，就是将一个四位的i 指 令写入对应地址的存储器中后，同时将它串行转换返回给系统验证是否正确。图4 2 给 出了所测得的i s d 信号回读的时序。 圈4 2i s d 串行回读时序图 f i g 4 2t h ec y c l et i m i n gd i a g r a mo f s e r i a lr e a db a c ks i g n a li s d 经过几次的采集信号，可以篱单的得出一个规律，就是x s a 、i 、c h e s e l 这三个 信号之间的时序逻辑关系。它们的相对位墅关系一童懿圈4 3 所示。 圈4 3x s a 、i 、c h e s e l 之间静时序关系豳 f i g 4 3t h er e l 删a pd i a g r a ma m o n gx s a , l a n dc 翻匿s e l 接着开始通过谱仪系统黔波形控铡端口改变波形的运行捷态。当操作为x 、y 、z 通道都为s t a r t 时，经过多次的反复操作将采集到的镞序馕对眈总结，最后可以发现 一个规律，就是每当有一个通道s t a r t ，则就会对废产生一个p w r 2 3 4 5 有效信号，给 对应的通道赋值，完成之屠将会有产生一个p w r i 信蟹，两舞，s 毯r ：r 的通道对应的 b s t o p 信号变为低电平，对应的l f m 信号产生一个周期的糍电平。如图4 4 所示，是 在波形控制端口将三个通道都设置为s t a r t 后所采集到的时序图。 一1 4 一 东北大学硕士学位论文 第四章序列地址发生器的功能研究及方案设计 图4 4 序列蟪址发生器中主要信母鼹对摩关系圈 f i g 4 4t h es e q u e n c er e l a t i o n s h i pd i a g r a mo f t h em a i n $ j 删i ns e q u e n c ea d d r e s sg e n e r a t o r 当然这里还可以通过波形控稠端日将醛应涟邋设霉为b r e a k 、c o n t i n u e 、s t o p ， 这些操作所得到的时序图就不在迭羹绘港，具体的功裁鹈对痔关系将在下章进行设计 的时候再详细叙述。然而，进行蓟这显，秘黪韵鞒襄置彳| | 兰麓遇到了羼障。既然称之为序 列地址发生器，从字面意思上就可以知道慕珐携应该燕产生序列瓣拖址，然而采集得到 的地址仅仅是那么寥窭的几个，虽然在进彳亍0 罐误测敲麓濑b 潍度板怒否好用时有给出全 部的地址变化，但那只是进行简单的地址加1 掇作，且i 指令的值始终为0