核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）技术因其具有高精度和无损检测的特性而被广泛应用于生物医学^[1]、化学分析^[2]和材料科学^[3]等领域，用于研究人体健康、分子结构和分子间相互作用等. NMR谱仪控制台作为NMR系统的核心部件，负责发射射频脉冲、采集磁共振信号并处理、与上位机通信等关键任务，其性能直接影响整个磁共振仪器的功能和应用范围.然而，传统的NMR谱仪通常体积庞大、成本高昂，且操作复杂，限制了其在多领域的现场应用拓展.

近年来，国内外多个科研团队在NMR控制台的小型化领域展开了深入探索.Xu等^[4]采用外围器件互联（Peripheral Component Interconnect，PCI）总线架构，通过分立的多模块功能板卡设计了一款高集成度的磁共振成像控制台，显著缩减了传统谱仪的体积，但受限于多块PCI板卡的物理尺寸，限制了系统的进一步小型化.Li等^[5]基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）设计了一款小型化谱仪硬件系统，有效减小了设备尺寸，然而由于系统由多个独立部件构成，且发射模块依赖商用的直接数字频率合成芯片，集成度较低，不太适合NMR仪器的小型化应用场景.Andreas等^[6]利用高级精简指令集计算机（Advanced RISC Machine，ARM）与FPGA集成芯片开发了一款便携式NMR谱仪控制台，进一步推进了小型化进程，但其仍需外接独立的模数转换器与数模转换器板卡，未能完全实现控制台的高度集成化设计，并且FPGA配置固化后，下变频参数不可动态重构，缺乏实时可调整能力，因此小型化方案仍待完善.

同时，在谱仪控制台与上位机的通信数据协议层面，现有研究方案普遍存在结构复杂、可读性差等不足.Suma等^[7]设计了一款低成本、开源的NMR谱仪控制台，其数据协议采用类汇编指令集与二进制编码结合的方式，要求使用者必须深入了解控制台硬件架构和控制方法，这不仅导致协议可读性降低，还加大了上位机应用软件开发的难度.另外，目前主流厂商的商用谱仪普遍采用封闭式架构，其协议内容不公开，核心部件不单独销售^[8]，更加难以满足多样化的应用场景需求.

在上述研究基础上，本课题组设计了一款高度集成、灵活可定制的小型化谱仪，并提出了一种上位机与谱仪控制台之间的简易化、开放式数据交互协议，以支持用户在无需深入了解硬件架构的情况下，能够根据实际需求方便地自由编写磁共振脉冲序列和开发上位机程序.本文将详细介绍这一谱仪控制台的软件设计与实现，包括谱仪系统框架设计、谱仪控制台的嵌入式控制软件设计以及上位机应用软件设计.通过实验测试，验证了该控制台能够实时、正确地执行自由定制的磁共振脉冲序列，为便携式和高灵活性的NMR仪器研发提供了新的技术路径.

掌上型NMR谱仪控制台是以Red Pitaya公司的STEM 122-16SDR开发板为硬件平台进行设计的.开发板的核心采用了Xilinx公司的Zynq7020芯片，该芯片同时集成了双核Cortex-A9 ARM处理器和85K逻辑单元的Artix-7 FPGA，支持AXI（Advanced Extensible Interface）高速总线互联，具有非常强大的计算能力和灵活性，能够满足复杂NMR信号处理、序列实时控制的众多磁共振应用场景的需求.与传统的嵌入式芯片和FPGA分立方案相比，以Zynq7020芯片作为整体谱仪的核心处理器和逻辑控制，不仅大大缩小了仪器体积、减少了板级设计的复杂性，同时也显著降低了谱仪的系统功耗与成本^[9].

控制台硬件设计主要分为ARM和FPGA两部分，其系统设计框图如图1所示.为确保射频脉冲的实时产生和NMR信号的实时采样，控制台采用具有高速、并行处理特性的FPGA进行脉冲序列的实时控制及算法处理，其核心逻辑架构包含了时序控制器、信号发生器、数控振荡器、数字下变频和先进先出（First In First Out，FIFO）存储器等功能模块.其中时序控制器负责产生各模块的门控信号和触发信号.信号发生器和数控振荡器基于直接数字频率合成技术，分别生成射频激励信号和数字下变频所需的本振信号，两个信号的参数均支持单独调整，且相位分辨率达0.005 5˚.同时，谱仪控制台采用数字参考源时钟设计方法，保证了发射机和接收机之间的相位相干性，并采用与本课题组Liao等^[10]相同的LoopBack序列进行了200次回环测试，信号的相位抖动在0.03˚以内.数字下变频则用于对接收的磁共振信号进行检波、滤波和抽取^[11]，FIFO存储器用于缓存脉冲序列参数和下变频后的磁共振数据.

基于上述由本课题组Li等^[9]设计的硬件架构与功能模块，Zynq7020的ARM部分主要负责与FPGA部分实现实时控制和数据传输、与上位机进行网络通信并解释数据交互协议等，充分发挥了其高速和灵活的处理特性.上位机作为整个系统的用户接口，承担用户界面设计、参数配置以及NMR信号的后处理等任务.下面将从谱仪控制台的嵌入式控制软件设计与上位机应用软件设计的具体实现展开详细讨论.

谱仪控制台的嵌入式控制软件设计包括驱动程序与控制程序，其设计框图如图2所示.Zynq芯片分别由ARM处理器系统（Processing System，PS）和FPGA可编程逻辑（Programmable Logic，PL）两部分组成，两者通过AXI总线实现了端到端的高速数据传输.

ARM处理器将存储空间分为用户空间和内核空间两部分，内核空间的驱动程序主要实现硬件内存映射、动态中断策略和FIFO数据流控制，以及与用户空间的命令控制和磁共振数据传输.用户空间的控制程序主要实现数据协议解释、传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）多进程网络通信、硬件控制与数据管理、错误诊断与实时监控，并通过套接字（socket）网络通信实现与上位机的数据交互.

传统磁共振控制系统通常采用复杂封闭的通信数据格式进行参数配置，这不仅导致参数的可读性差、配置效率低下，还限制了多场景应用的进一步开发.为了解决这个问题，本实验室参考了多种目前常用的数据通信格式^[12,13]，提出了一种专用于磁共振的数据协议（Magnetic Resonance Data Protocol，MRDP）.

MRDP通信数据协议结构与示例如图3所示，其中图3(a)为结构框图，图3(b)为数据示例图.其数据的基本表达形式为“配置项：配置内容”的配置项对，其中配置项必须为字符类型，配置内容可以是字符、数值、对象和数组四种类型.字符类型是以双引号包围的任意字符集合，例如图中的“RF Amplitude”、“Time”；数值类型是双精度浮点型的十进制数，例如图中“T1_1”配置项所对应的配置内容5.0；对象类型以“{”开头和“}”结尾，中间是由无顺序的配置项对组合而成的集合，各项之间以“，”分隔，例如图中“Sequence”配置项所对应的配置内容；数组类型以“[”开头和“]”结尾，中间是由字符、数值或对象某一特定类型而组成的有序集合，例如图中“Transmit1”配置项所对应的配置内容是由对象组成的数组，按先后次序排列.

同时，MRDP采用层次分明的数据结构，所有内容都在“{”与“}”之中，整体从外部顶层逐渐向内，配置项的等级依次递增.这种设计不仅使数据结构清晰明了，还便于磁共振实验参数的逐级配置和解析，确保了数据传输的高效表达.在磁共振应用中，上位机传输到谱仪的数据内容主要包括序列信息和谱仪的具体控制指令.因此，MRDP的数据内容可分为三类：序列表达、参数表达与命令表达，共同构建层次化、可扩展的通信数据框架.

序列表达主要用于描述磁共振脉冲序列信息，包括射频发射、信号接收及梯度通道的时间信息和波形（事件）信息.顶层配置项“Sequence”下可设置发射、接收、梯度等多个不同通道，以单个发射通道为例（图3），通过“Time”（时间长度）与“Event”（事件类型）的配置项来定义脉冲序列.“Time”配置项对应的配置内容是数值类型（单位：微秒），决定了当前事件持续的时间长度；“Event”配置项对应的配置内容是对象或字符类型，当配置内容为字符“NONE”时，代表发射通道无任何波形发射，当配置内容是对象时，代表当前事件需要发射对应的波形信号，且配置内容可细化为射频脉冲类型、射频脉冲参数（如脉冲幅度、相位等）.

参数表达以配置项对的形式对序列表达中的全局变量和实验参数进行赋值，因此其配置内容必须为数值.序列表达中的配置项支持数值直接赋值（如“Time”: 20）或字符参数引用（如“Time”:“T1_1”），当需要采用字符参数引用时，就需要通过参数表达对序列的具体参数进行赋值，例如图中“‘T1_1’:5.0”等. 此MRDP数据协议允许只单独修改特定参数来快速调整脉冲序列，避免了反复传输脉冲序列表达等冗余数据，尤其适用于序列参数需要反复调整的实验情况.

命令表达通过专用配置项“Command”来实现磁共振序列的控制功能，配置内容的不同字符串代表不同的命令，可以运行序列中断、启动等操作. 以图中“Command”:“Start”为例，代表着当前序列读取并解释后直接启动脉冲序列运行.若单次需要传输多个命令，可将配置内容用字符串数组的形式来表达，用于区分命令执行的先后顺序.同时命令表达也支持单独下发，即上位机首先发送完整的序列表达和参数表达后，再单独发送“Command”配置信息，以提高ARM控制的灵活性.

在磁共振脉冲序列中，有时序列中的部分时段需要重复执行，如CPMG需要重复发射180˚射频脉冲同时得到多个回波信号.若这类脉冲序列的重复子序列部分通过序列表达直接顺序列出，势必会造成传输效率较低的问题.因此为了提高序列的传输效率，MRDP在序列表达时通过循环标识实现子序列的重复表达.该设计在采用线性数组对不同通道进行序列表达时，在循环开始处，加入{“Repeated Point”:“Begin”，“Repeated Num”: N}内容标记循环初始边界，其中N代表子序列的循环次数；在循环结束位置加入{“Repeated Point”:“End”}表示循环结束，其作用范围涵盖起始标记至结束标记之间的所有事件单元.与直接重复传输序列的方式相比，该表达方式通过三个专用字段即完成循环控制，且支持多级嵌套扩展，既维持了通道事件的串行结构，又进一步减少了传输的序列数据量.并且在解析过程中，谱仪能够自动识别标记并构建循环栈，有效降低了解析算法的时间复杂度^[14].

综上，MRDP数据交互格式具备可读性好、传输效率高等优势，大大降低了上位机开发人员设计脉冲序列的难度，方便了对谱仪控制台的二次开发.

控制程序一方面需要维持与上位机的网络通信，另一方面又需要与驱动程序进行实时控制与数据传输，因而采用多进程架构进行设计^[15].控制程序软件设计流程图如图4所示，左侧为主进程，负责管理socket网络连接与子进程的创建；右侧为子进程，负责MRDP解释与实时监控以及硬件控制与数据传输.

控制程序开始执行时，主进程首先创建socket，并配置服务器的地址信息与端口号，完成socket绑定后开始监听指定端口，等待上位机连接.当指定端口检测到上位机的连接请求时，会创建新的子进程以处理具体任务并关闭指定端口的监听.创建完子进程后，主进程会定时监查子进程的运行情况，若子进程结束则重新进行网络循环监听，等待上位机连接.

如图4所示，子进程主要进行MRDP解释、实时监控、硬件控制和数据传输和四部分功能.当子进程创建后，其首先进行MRDP文件的解释.子进程先动态分配缓存区，用于接收并存储完整的MRDP文件，进而再对MRDP文件内容预读取并转存至本地内存的树结构中.完成文件预读取后，子进程开始动态分配发射、接收和梯度通道的内存空间，并从树结构中提取各通道的时间段个数以及具体事件信息，进而预创建各通道内容.随后再通过MRDP中的参数表达统一对各通道的具体参数（如射频脉冲宽度、时间长度等）进行赋值，最终生成FPGA各功能模块可使用的控制数据，并释放解析过程中占用的动态内存资源.

在完成MRDP文件的解释后，子进程会打开驱动程序，通过ioctl函数配置接收的磁共振数据量等关键参数，并将硬件数据流转发至驱动程序.若子进程已接收到上位机的启动命令，则直接执行磁共振脉冲序列，否则等待上位机的启动命令.在序列开始执行后，子进程会再次通过ioctl和read函数循环读取内核空间的磁共振数据，并通过socket实时将接收到的数据转发至上位机，直到脉冲序列执行结束.此时，若上位机确认不再执行此脉冲序列，则释放当前子进程占用的所有动态内存资源，并安全终止子进程，反之则继续等待接收MRDP文件.

另外，控制程序中还设计了错误诊断与实时监控的功能.在MRDP解释过程中，子进程能够实时反馈解释进程，若在解释过程中识别出MRDP格式错误、脉冲序列各通道时间不一致等问题，其能够直接终止解释并反馈具体问题，确保了系统运行的可靠性.

由此可见，在整个磁共振序列的执行过程中，嵌入式控制软件中的控制程序主要负责解释、控制、数据传输和监控等任务.

驱动程序作为控制程序与FPGA的“中转站”，主要用于实现控制程序与FPGA之间的数据传输与控制.首先，驱动程序通过Linux内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）的管理机制，将FPGA物理空间映射到本地内存的虚拟地址空间，确保ARM端能够通过系统调用高效访问FPGA的硬件资源.

在脉冲序列执行过程中，为了将控制数据实时写入FPGA的各功能模块，驱动程序会预先把解释好的控制数据全部转存至内核空间的内存中.同时，控制数据的写入与磁共振信号数据的读出都通过中断触发的方式来实现.FPGA中设计了四个FIFO存储器，分别用于时序控制器、信号发生器、数控振荡器、数字下变频四个功能模块的数据缓存，因此在驱动程序中采用多个tasklet中断动态响应机制，分别为这四个FIFO设计了不同的中断服务程序，并通过FIFO的半空或者半满信号来触发中断，进而实现实时的脉冲序列控制与磁共振数据接收.通过这种设计，驱动程序能够快速响应不同的中断信号，在脉冲序列执行期间，确保FIFO存储器不会出现全空（写入数据时）或全满（读取数据时）情况，在确保数据传输实时性的同时，不会造成脉冲序列执行的暂停或中断.

在磁共振数据接收方面，驱动程序在内核空间为接收的磁共振信号构建了一个链表数据结构，用于存储从FPGA读取的磁共振信号数据.每当数字下变频数据超过FIFO的一半数据时触发中断，此时中断服务程序会预先创建链表节点，再调用内核函数，基于AXI总线将数据从FPGA的FIFO缓冲区读取到新建的链表节点中，同时实时更新数据计数器以记录已接收的数据量.当控制程序读取完链表中某一节点的磁共振数据后，又能进一步释放当前节点所占的空间.因此，链表的动态管理使得驱动程序能够灵活处理大规模数据传输，同时避免内存浪费.

控制程序通过字符设备接口实现对驱动程序的调用，使用ioctl命令传递控制数据、设置参数或控制中断状态.此外，驱动程序还设计了read函数接口，应用程序可以通过该接口从链表中读取已接收的数据块，并将其传递到用户空间进行后续处理.在模块加载和卸载过程中，驱动程序完成了设备节点的创建与销毁、中断的注册与释放，以及内存资源的管理.

通过在驱动程序中设计与FPGA和控制程序的接口，配合多个tasklet中断驱动的数据传输机制，实现了ARM处理器与FPGA的实时控制与数据传输.

为实现与谱仪控制台的数据交互功能，本文基于Python和QT开发了一款Demo版上位机应用软件程序，其界面如图5所示.界面分为上下两部分：上半部分为数据可视化区域，左侧实时显示下变频处理后的磁共振时域信号（I路和Q路），右侧展示信号经傅里叶变换后生成的频域谱图；下半部分为序列参数配置区域，支持单脉冲序列、SE、CPMG三种磁共振序列（图5以CPMG为例），最左侧为序列结构示意图，用户可通过第二列动态调整序列的各段时间参数.第三列主要用于配置90˚、180˚射频脉冲和下变频相关参数.最右侧控制栏包含三个功能按钮：“Load”用于更新序列底层MRDP文件，“Connect/Disconnect”与谱仪控制台建立网络连接，“Acquire”则将MRDP文件发送至谱仪，触发FPGA执行序列并实时接收返回数据.

该程序基于PySide2框架构建图形界面，通过QTcpSocket与谱仪控制台建立TCP/IP通信，并实现MRDP文件的传输与原始数据接收.接收的磁共振数据通过快速傅里叶变换（FFT）生成频谱信息，结合Matplotlib库动态渲染时域波形与频域谱图，确保可视化界面的实时更新.整个上位机程序完整覆盖“文件下发-数据接收与后处理-波形可视化”的功能闭环，能够实时采集磁共振信号并动态显示时域和频域波形.目前上位机程序为Demo版本，用于验证整个谱仪功能链路设计的可行性，后处理部分主要包含数据解析、FFT频谱计算与归一化处理三个功能模块.未来，开发者可以基于Demo版程序进一步开发去噪、特征提取、谱线积分、测量参数敏感性分析^[16]等更多功能模块，通过二次开发以满足不同项目的实际需求.

为了验证谱仪控制台整个系统能够正常、稳定工作，本文在实验室自研的0.5 T桌面式NMR系统上，对不同的磁共振序列进行了测试验证，图6为现场测试系统图.其中，图6(a)为测试系统连接图，上位机通过网络连接谱仪控制台实现系统控制.谱仪控制台生成的射频激励信号，依次通过滤波器、功率放大器输入到磁共振探头.探头接收的磁共振信号依次通过低噪声前置放大器、二级放大器传输至谱仪控制台进行采样和下变频处理.图6(b)为掌上型谱仪控制台的放大实物图.

在此测试系统上，本文分别进行了蒸馏水的单脉冲序列与自旋回波序列实验验证，实验结果如图7所示.在单脉冲实验中，测量时间为15 ms，接收机检波频率为21.375 MHz，下变频带宽约为140 kHz，其得到的自由衰减信号时域波形如图7(a)所示.在自旋回波实验中，先后发射了90˚和180˚射频脉冲，两个射频脉冲时间间隔为15 ms，测量时间为10 ms，接收机检波频率为21.381 MHz，下变频带宽与单脉冲实验相同，得到的磁共振时域波形如图7(b)所示.实验结果表明，该掌上型NMR谱仪控制台系统能够准确实现预期的脉冲序列控制功能，验证了系统设计的可行性与可靠性.

本文基于Zynq7020芯片实现了掌上型NMR谱仪控制台的所有软件设计，包含了谱仪控制台的嵌入式控制软件和上位机的应用软件，大大缩小了谱仪的体积.同时，为了使谱仪控制台能够更好地适用于多种磁共振应用场景，本文也进一步设计了一款简洁、高效的NMR数据协议MRDP，便于开发者在不需要深入了解硬件架构的情况下，能够针对不同应用需求对谱仪进行二次开发.经过多个磁共振脉冲序列的实验验证，掌上型谱仪控制台能够稳定运行，并得到对应的磁共振信号，具有良好的实用价值，为便携式和高灵活性的NMR仪器研发提供了新的技术路径.后续本课题组计划开发相应的格式转换工具，以支持Pulseq等开源序列编辑器的序列文件向MRDP文件的自动转换，进一步拓展系统的开放性与兼容性.

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