核磁共振是原子核在静磁场下受到特定频率的电磁波激发而发生能级跃迁的共振现象，主要涉及成像、频谱分析和弛豫分析三类技术，在各行各业有着广泛应用，比如医疗^[1,2]、食品卫生^[3]、化学和生物^[4]等领域.相比其他勘测方法，核磁共振技术可以提供更丰富的物质信息，因此在现场石油勘测领域应用中具有极大优势^[5].此外，通过对水分和脂肪的检测，核磁共振技术也可以用于对肉制品的品质分析^[6].不管是对于井下核磁共振应用^[7]，还是肉制品的品质分析等其他领域的应用，皆要求核磁共振仪器便于携带或可移动，因而小型化的核磁共振仪器有着广阔的应用前景.

一直以来，较多科研团队致力于小型化核磁共振控制台的研究.例如Xu等^[8]设计的数字化磁共振成像控制台，对脉冲序列发生器、射频波形发生器、梯度波形发生器和接收机，均采用了模块化的集成设计，在一定程度上缩小了控制台的体积.然而由于其每个功能模块分别采用独立的外围器件互联（Peripheral Component Interconnect，PCI）板卡设计，且必须依赖台式机或者工控机进行工作，导致其体积无法继续缩小.另外，Liu等^[9]设计了基于USB总线的一体化核磁共振控制台，该方案在一块板卡内实现了控制台的所有功能.但是由于使用了单独的直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）、模拟正交检波器等商用芯片，限制了控制台的小型化.随后，Lei等^[10]又提出了基于高级精简指令集计算机（Advanced RISC Machine，ARM）的一体化核磁共振控制台设计方案，主要包括母版和核心板两个部分.其中母版通过现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）实现核磁共振控制台的逻辑控制，核心板通过ARM进行软件控制并与上位机进行数据交互.由于ARM和FPGA是两块独立的芯片，且该方案同时还使用了专用的DDS、数字下变频（Digital Down Converter，DDC）等商用芯片，这均占用了一定的电路板面积，限制了控制台体积的进一步缩小.此外，Tang等^[11]提出了一种基于高速串行链路的核磁共振成像控制台，采用高速光纤连接和点对点互连方式，与波形生成模块和接收模块等进行通信.其中接收模块采用FPGA实现了完整的DDC功能^[12]，极大程度简化了接收模块的电路设计.该控制台比较适合磁共振成像这种结构复杂、接收机通道较多的系统，在弛豫分析等小型化应用领域具有局限性.David等^[13]提出了一种便携式的谱仪设计方案，采用包括ARM和FPGA的可编程片上系统芯片作为核心控制器件，极大程度缩小了控制台的体积.但是，该控制台采用了单独的模数转换器（Analog-to-Digital Conversion，ADC）板卡，并且依赖上位机的MATLAB实现DDC处理，集成度较低.

为此，本文利用Redpitaya公司的STEM122-16SDR开发板，采用单片同时包含ARM和FPGA的Zynq-7000器件，设计了掌上型核磁共振控制台.通过编写FPGA硬件代码完成了全部逻辑控制，并实现了DDS和DDC的全部算法功能，通过ARM核构建和控制程序设计，能够支持复杂的核磁共振实验.如图1所示，该控制台长10.6 cm，宽6.0 cm，高1.9 cm，质量为92.9 g，具有较小的体积和质量.

为了缩小核磁共振控制台的体积并实现其全部功能，如图2所示，通过上位机（PC）实现对整个控制台的控制，并在控制台的FPGA内部完成了时序控制单元（Timing Control Unit，TCU）、发射单元（Transmit Unit，TXU）和接收单元（Receive Unit，RXU）三大主要部分的设计.其中TCU包括脉冲序列缓存（TCU_FIFO）和时序控制模块（TCU_CTL），用于在核磁共振脉冲序列执行期间产生射频门控信号，以及实时控制TXU和RXU的触发信号.TXU包括射频信号缓存（TXU_FIFO）、发射控制模块（TXU_CTL）和DDS，并将其输出信号送入14-bit的高速数模转换器（Digital-to-Analog Conversion，DAC），以产生频率、相位和幅度可调的模拟射频脉冲信号（RF Signal）.RXU主要完成产生本振信号和采集核磁共振信号（NMR Signal）两方面功能，其中本振信号缓存（NCO_FIFO）、本振控制模块（NCO_CTL）和数字化本振源（NCO）用于产生频率和相位可调的本振信号；另外，接收缓存（RXU_FIFO）、接收控制模块（RXU_CTL）和DDC模块用于将16-bit的高速ADC采样的核磁共振信号进行下变频处理.为了保证核磁共振信号可被正确累加等处理，需要发射单元和接收单元之间保持相位相干^[14]，为此在FPGA内部设计了数字参考时钟源（REFCLK），在脉冲序列执行期间，同时为DDS和NCO提供参考时钟.

核磁共振的脉冲序列比较复杂，且执行时有较高的时序精度要求.然而基于ARM核运行的Linux作为非实时的操作系统，无法直接控制射频脉冲的实时产生和对核磁共振信号的实时采样.因此，在控制台的架构设计中，采用FPGA进行脉冲序列的实时控制，并在ARM和FPGA之间采用先进先出存储器（First Input First Output，FIFO）作为数据缓存，解决了非实时操作系统和脉冲序列执行之间的实时数据交互问题^[15]. 其中TCU_FIFO、TXU_FIFO和NCO_FIFO分别用于缓存脉冲序列、射频信号和本振信号的相关数据，并设计了TCU_CTL、TXU_CTL和NCO_CTL控制模块，用于实时读取各个FIFO中数据以产生相应信号.在脉冲序列执行期间，为了防止各个FIFO中的数据被读空而造成时序错误，通过ARM实时监控各个FIFO的半空标志，并采用中断方式为FIFO及时补充数据，保证整个序列能正确执行.

对于CPMG等核磁共振脉冲序列，会产生大量的核磁共振数据，无法全部存储在FPGA内部.因此，设计中通过RXU_FIFO对DDC处理后的采样数据进行缓存，并由ARM实时监控该FIFO的半满标志，同样通过中断的方式及时读取RXU_FIFO的数据，从而保证了采样数据的准确性和完整性.

为了产生发射触发信号（TXU_TRIG）、本振触发信号（NCO_TRIG）和接收触发信号（RXU_TRIG）等实时控制信号，首先需要通过ARM将脉冲序列中每个信号随时间的变化，转换成事件和延时的关系表格^[16]，并存储至缓存TCU_FIFO内.在脉冲序列执行期间，再通过TCU_CTL模块以两个为一组顺序读取TCU_FIFO中的事件和延时数据，并执行相应的延时，产生控制台需要的各种触发信号和控制信号，以触发和控制相应的模块，从而产生实时的核磁共振脉冲序列.

TXU用于产生激发样品的射频信号.为了满足不同核磁共振实验对射频信号的要求，并减小控制台的体积，本论文直接在ZYNQ芯片中，设计了DDS数字模块，如图3所示.通过频率控制字（Frequency Tuning Word，FTW）设置输出信号的频率，通过相位加法器（Phase Adder）和相位寄存器（Phase Register）进行累加，并将累加后的相位，通过加法器（Adder）与相位偏置字（Phase Offset Word，POW）产生的初相位相加，得到输出信号的数字相位.然后采用只读存储器（Read Only Memory，ROM）进行相位和幅度转换，再经过幅度比例系数（Amplitude Scale Factor，ASF）进行幅度调整，输入DAC得到模拟射频信号.为了保证发射单元和接收单元之间的相位相干，在每次改变输出信号频率时，均通过REFCLK更新射频信号的参考相位.为了实时产生任意射频信号，设计的TXU_CTL模块在触发信号TXU_TRIG的控制下，实时读取缓存在TXU_FIFO内的FTW、POW和ASF数值并设置到相应的控制寄存器，从而产生具有不同频率、相位和幅度的射频信号.

在完成TXU的设计后，通过编写ARM的控制程序，控制该发射单元产生边瓣数为3，波形点数为1 024，相邻点间隔为3.125 μs的辛格（SINC）波，并用示波器对该信号进行测试，如图4所示.获得了总脉冲宽度为3.2 ms的三瓣SINC波形，符合预期，验证了其输出任意波形的能力.

RXU用于接收核磁共振信号，并进行数字下变频处理，再将处理后完全正交的I路和Q路数字信号传输到上位机，通过傅里叶变换等处理手段进行分析.设计中将本课题组Lv等^[17]设计的四通道变带宽接收机的FPGA源代码进行移植和优化，实现了单通道变带宽接收机的全部逻辑，并改进了参数的配置方法，可以实时对本振信号的频率和相位进行更新.

DDC作为RXU的核心模块，由数字正交检波和数字滤波器组所构成，如图5所示.数字正交检波本振信号由NCO产生，与DDS类似，可实时更新频率和相位；数字滤波器组包括两个级联积分梳状（Cascade Integrator Comb，CIC）滤波器、两个对应的级联积分梳状补偿（Cascade Integrator Comb Compensator，CICC）滤波器、5个可选半带（Half Band，HB）滤波器和有限脉冲响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器，对核磁共振信号进行了多级的低通滤波和抽取，获得了较好的滤波性能，并减少了数据量.为了适配不同的带宽，在脉冲序列启动之前，ARM需要对DDC的滤波器组进行参数配置.

为了实时控制接收单元进行采样，在触发信号RXU_TRIG上升沿到来并持续高电平期间，将ADC采样的高速核磁共振信号进行实时的DDC处理，并把处理后的I路和Q路核磁共振数据暂存至RXU_FIFO内.ARM通过监控RXU_FIFO的半满标志，对数据进行不断读取，从而避免了FIFO中数据溢出.

本文完成了掌上型核磁共振控制台的设计和实现，其主要设计指标如表1所示.为了验证整个控制台设计的正确性和各个功能模块之间能否协调一致并稳定工作，在课题组自研的0.5 T桌面式核磁共振系统上进行了自由感应衰减（Free Induction Decay，FID）、SE和CPMG脉冲序列的测试.该系统的核磁共振探头采用铝合金屏蔽盒结构设计，内部同时集成了被动的发射/接收开关.控制台发射单元的输出端口首先连接带通滤波器SBP-21.4+（Mini-Circuit），然后再连接到射频放大器，最后连接到探头的发射端口.采用带通滤波器，主要是为了滤除DDS方法所产生的杂散信号.射频放大器采用TOMCO公司的500W宽带脉冲射频放大器BT00500-AlphaSA，用于放大控制台产生的射频信号，在控制台产生的门控信号为高电平时处于放大状态.探头的接收端口连接总放大倍数为65 dB，噪声系数为0.88 dB的自研多级低噪声放大器，将核磁共振信号放大后输入到控制台的接收端.

为了验证掌上型核磁共振控制台设计的功能，首先采用0.5 g的屈臣氏蒸馏水作为样品，测试其中氢自旋的核磁共振信号，通过最基本的FID脉冲序列进行测试.设置硬脉冲的幅度为满幅度的8.5%，宽度为5 μs，射频信号频率为21.380 7 MHz，与氢的共振频率基本一致；为了观察到核磁共振信号的振荡波形，设置本振信号的频率偏离射频信号频率1 kHz，即为21.381 7 MHz，以频率为122.88 MHz的时钟进行采样，接收带宽为140 kHz，抽取倍数为432，采样点数2 048，对应的采样时间为7.2 ms.

启动ARM控制软件并执行该序列后，通过示波器观察所产生的射频信号和核磁共振信号.如图6(a)，通道1为控制台所产生的射频门控信号，高电平有效，用于开关射频放大器，使其输出放大后的射频信号；通道3是发射单元输出的射频脉冲信号.从图6(a)可知，在产生射频门控高电平信号约0.2 μs后，观察到了脉冲宽度为5 μs的射频脉冲信号.造成0.2 μs延时的主要原因，是由于在发射单元的输出端连接了带通滤波器SBP-21.4+，其主要目的是滤除DDS方法产生的杂散信号，而该滤波器具有一定的输出延迟.另外，图6(b)对核磁共振信号进行了测试，其中通道1为射频门控信号，通道2为接收触发信号，其上升沿到来并持续高电平期间，采集核磁共振信号并进行实时的DDC处理.通道4测到了核磁共振FID信号.从图6(b)可以看出，总的核磁共振信号测量宽度为7.2 ms，和设置的时间一致.并且在核磁共振信号的前端，同时测到了幅度稍小、时间较短的射频泄漏和射频振铃信号.该测试说明设计的控制台逻辑在ARM程序控制下，能够产生正确的FID脉冲序列，并通过示波器测得了正确的FID信号.

同时，针对此FID脉冲序列实验，分析经过DDC实时处理得到的I路和Q路核磁共振数据，如图7(a)所示，可以看到数字化的I路和Q路自由感应衰减信号，且信号的时间和示波器观察到的时间一致，进一步验证了FID序列的正确性，该控制台设计已完整实现了FID序列的射频激励和核磁共振信号测量.为了进一步验证该控制台执行不同序列的效果，本文继续以蒸馏水为样品进行了氢的SE脉冲序列测试.在FID单脉冲序列基础上，通过添加一个幅度为满幅度的17%、宽度为5 μs的180˚脉冲，采样点数为4 096，且两个脉冲之间的时间间隔为20 ms.上位机获得的I、Q两路回波信号如图7(b)所示，该实验不仅验证了SE序列的正确性，也证明了本文设计的掌上型核磁共振控制台可以用于不同的核磁共振序列.

为了支持更为复杂的脉冲序列，并且采集更多的核磁共振数据，进一步对CPMG序列进行了测试.以0.3 g的屈臣氏蒸馏水为样品进行氢的CPMG序列实验，在90˚脉冲10 ms后，发射400次180˚脉冲，且每次间隔20 ms，并读取400个回波信号.经过上位机处理后，得到核磁共振信号的幅值变化如图8(a)所示，可以得到400个呈指数衰减的回波信号，说明控制台能正确产生CPMG序列脉冲波形并全部采集核磁共振信号.

从图8(a)可以看出，采用CPMG序列测得蒸馏水中氢的T₂衰减特性，通过弛豫反演分析，得出该蒸馏水样品中氢的T₂为1.3 s.受探头的射频场和磁体磁场的均匀性等影响，该测试结果与理论值存在一定偏差.采用类似的测试方法，进一步对0.3 g的橄榄油样品（欧丽薇兰）进行了CPMG序列测试，可以得到橄榄油的核磁共振信号如图8(b)所示.最后得到该橄榄油样品含有T₂为59 ms和650 ms的两种组分，小于蒸馏水的T₂，符合实验预期.通过以上实验，验证了本文设计的掌上型核磁共振控制台可以正确产生较为复杂的脉冲序列，并通过大量的数据传输验证了设计的中断机制能够正常工作.

本文基于Zynq-7000器件完成了整个掌上型核磁共振控制台的设计和实现，并进行了FID、SE和CPMG序列的测试，得到了符合实验预期的核磁共振信号，从而验证了控制台整体架构设计的正确性，各个功能模块之间能够互相协调、稳定工作.该设计方案不仅大大提高了控制台的集成度，还提高了其性能，为进一步研制便携型核磁共振仪器奠定了基础.后续本课题组计划进一步完善该控制台的上位机程序，验证不同带宽下DDC的性能，配合课题组前期对宽频射频前端的研制，进而研究开发全数字化的宽频核磁共振仪器以及手持式宽频核四极共振（Nuclear Quadrupole Resonance，NQR）探测仪器.

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