技术领域
[0001] 本
发明涉及核磁共振控制技术，具体的说是一种基于FPGA的核磁共振数据通信实现装置和方法。
背景技术
[0002] 为了便于操作者对核
磁共振成像系统的操作控制，以及便于实现对扫描设备进行实时控制和集中管理，目前核磁共振成像系统均采用控制台置于操作间，而用于序列扫描控制的谱仪置于仪器间的实现模式。由于不同的核磁共振成像系统的实现结构有所不同，控制台所采用的
数据总线模式和谱仪内部各个模
块之间的数据通信协议也不同，从而使得核磁共振谱仪与核磁共振控制台之间的通信方式也不同。
[0003] 在现有的技术中，有两种不同的方法实现控制台与谱仪之间的核磁共振数据通信，其一是采用
铜介质的基于ISA总线局域网技术的数据方式，该方式的数据吞吐量受到限制，不能应用于多接收通道海量数据的传输；其二是采用光纤介质的基于
PCI总线的光电转换数据通信方式，该方式结构复杂，成本高昂，难以支持多通道数据传输。
发明内容
[0004] 针对
现有技术中存在的上述难以支持多通道海量数量的传输等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种用于实现核磁共振谱仪与控制台之间的高速数据通信，支持多接收通道数据的传输，解决海量数据高速通信问题的基于FPGA的核磁共振数据通信实现装置和方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] 本发明基于FPGA的核磁共振数据通信实现装置包括：置于谱仪系统内的光纤以太网扫描控制板和置于控制台中的光纤通信卡，两个独立的板卡之间通过多模光纤实现互联；
[0007] 光纤以太网扫描控制板包括
背板接口、I型通信协议转换器和第1光纤收发模组，I型通信协议转换器通过背板接口与谱仪系统进行通信连接，通过第1光纤收发模组与光纤通信卡进行双向传输；
[0008] 光纤通信卡包括PCIe接口、第2光纤收发模组以及II型通信协议转换器，II型通信协议转换器通过PCIe接口与控制台进行通信连接，通过第2光纤收发模组与光纤以太网扫描控制板进行双向传输。
[0009] 所述I型通信协议转换器通过FPGA实现，具有第1LINK模块、第1LINK2TSE模块、第1TSE2LINK模块、第1TSE IP核模块和第1CFG_TSE模块，其中第1LINK模块通过背板接口与谱仪系统进行串行LINK协议数据的通信，第1LINK2TSE模块将第1LINK模块接收到的LINK协议数据转换成TSE协议数据后与第1TSE IP核模块相连；第1TSE IP核模块通过第1TSE2LINK模块将TSE协议数据转换成LINK协议数据后与第1LINK模块相连；第1TSE IP核模块通过第1光纤收发模组与光纤通信卡进行双向传输。
[0010] 所述第1LINK模块具有四组独立的LINK通道以及接收FIFO和发送FIFO，来自背板接口的串行LINK数据被转成8位的并行数据后写入到接收FIFO中，同时将发送至FIFO中的数据通过LINK通道发送给背板接口。
[0011] 所述第1LINK2TSE模块在第1LINK模块接收FIFO中有数据或者错误标识、分析、复位状态
信号的状态发生变化的条件下，将第1LINK模块接收到的FIFO数据，以及背板接口传来的错误标识信号组合成局域网数据
帧格式，并发送给TSE IP核模块。
[0012] 第1TSE2LINK模块对第1TSE IP核模块所接收到的数据进行属性判断，如果是LINK数据则写入第1LINK的发送FIFO中，如果是分析标识或复位标识状态信号，则直接通过状态信号线传送给背板接口。
[0013] 所述II型通信协议转换器通过FPGA实现，具有第2LINK模块、第2LINK2TSE模块、第2TSE2LINK模块、第2TSE IP核模块、第2CFG TSE模块以及后台数据整合器，其中后台数据整合器通过PCIe接口与控制台进行通信连接，第2LINK2TSE模块将第2LINK模块接收到的LINK协议数据转换成TSE协议数据后与第2TSE IP核模块相连；第2TSE IP核模块通过第2TSE2LINK模块将TSE协议数据转换成LINK协议数据后与第2LINK模块相连；第2TSE IP核模块通过第2光纤收发模组与光纤以太网扫描控制板双向传输。
[0014] 所述第2LINK模块具有四组独立的LINK通道以及接收FIFO和发送FIFO，来自后台数据整合器的串行数据被转成8位的并行数据后写入到接收FIFO中，同时将发送至FIFO中的数据通过LINK通道发送给后台数据整合器。
[0015] 所述第2LINK2TSE模块在第2LINK模块接收FIFO中有数据或者错误标识信号的状态发生变化的条件下，将第2LINK模块接收到的FIFO数据，以及后台数据整合器传来的分析和复位状态信号组合成局域网数据帧格式，并发送给第2TSE IP核模块。
[0016] 所述第2TSE2LINK模块对第2TSE IP核模块所接收到的数据进行属性判断，如果是LINK数据则写入第2LINK的发送FIFO中，如果是错误标识状态信号，则直接通过状态信号线传送给后台数据整合器。
[0017] 所述后台整合器一方面执行将来自第2TSE2LINK模块的错误标识和来自第2LINK模块的LINK数据以及LINK通道空/满标识和PCIe数据包是否准备好标识发送给PCIe接口模块的操作；另一方面根据所接收到的数据属性，将LINK数据以及复位信号和分析信号解析出来，并分别发送给第2LINK模块和第2LINK2TSE模块。
[0018] 所述I型通信协议转换器还具有第1CFG_TSE模块而II型通信协议转换器还具有第2CFG_TSE模块，第1CFG_TSE模块用于对第1TSE IP核模块的MAC地址和局域网数据帧最大长度进行配置，由一个状态机来控制配置流程，当配置完成后，如果第1TSE IP核监测到光纤连接状况发生变化，则需要重新对第1TSE IP核模块进行配置；第2CFG_TSE模块用于对第2TSE IP核模块的MAC地址和局域网数据帧最大长度进行配置，由一个状态机来控制配置流程，当配置完成后，如果第2TSE IP核监测到光纤连接状况发生变化，则需要重新对第2TSE IP核模块进行配置。
[0019] 本发明基于FPGA的核磁共振数据通信实现方法包括以下步骤：
[0020] 通过光纤以太网扫描控制板和光纤通信卡分别接收谱仪系统和控制台发送的数据；
[0021] 分别在光纤以太网扫描控制板和光纤通信卡同时对谱仪系统和控制台发送的数据进行处理，分别得到各自的光纤信号；
[0022] 光纤以太网扫描控制板将自身得到的光纤信号经光纤介质输出至光纤通信卡；同时光纤通信卡经光纤介质将自身得到的光纤信号输出至光纤以太网扫描控制板；
[0023] 光纤通信卡将光纤以太网扫描控制板传入的光纤信号进行处理后，发送至控制台；同时光纤以太网扫描控制板将光纤通信卡传入的光纤信号进行处理后，发送至谱仪系统。
[0024] 所述在光纤以太网扫描控制板对谱仪系统发送的数据进行处理包括以下步骤：
[0025] 谱仪系统发送的数据通过背板接口送至光纤以太网扫描控制板的I型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理后发送至第1光纤收发模组，形成串行光纤信号，经光纤介质传输至光纤通信卡；
[0026] 所述在I型通信协议转换器进行数据合成及转换处理过程如下：
[0027] I型通信协议转换器接收背板接口传入的LINK数据和错误状态标识；
[0028] LINK数据通过第1LINK模块传输至第1LINK2TSE模块，错误状态标识直接传输至第1LINK2TSE模块；
[0029] 第1LINK2TSE模块将上述接收的LINK数据和错误状态标识整合成局域网格式数据经第1TSE IP核模块进行
并串转换后发送至第1光纤收发模组。
[0030] 所述第1LINK2TSE模块的处理过程如下：
[0031] 开始，进入空闲状态；
[0032] 判断是否有LINK数据输入，或者状态信号是否发生变化或首次执行状态机生变化；
[0033] 如果满足上述三个条件之一，则进入数据包头发送状态；
[0034] 判断是否首次执行状态机，如是，则进入索引标识发送状态；
[0035] 当索引标识＝0x1f时，进入错误标识发送状态，返回索引标识发送状态；
[0036] 当索引标识＝0x3f时，进入分析标识发送状态，返回索引标识发送状态；
[0037] 当索引标识＝0x7f时，进入复位标识发送状态，返回索引标识发送状态；
[0038] 当索引标识＝0x1c时，进入FIFO空标识发送状态，返回索引标识发送状态；
[0039] 当索引标识＝0x1b时，进入FIFO满标识发送状态，返回等待一个时钟周期状态，然后进入空闲状态；
[0040] 如果不是首次执行状态机，则判断是否有LINK数据；
[0041] 如果有LINK数据，则进入LINK索引发送状态，然后进入数据长度发送状态；
[0042] 当索引标识＝0x01时，进入LINK0通道数据发送状态；
[0043] 当索引标识＝0x03时，进入LINK1通道数据发送状态；
[0044] 当索引标识＝0x07时，进入LINK2通道数据发送状态；
[0045] 如果上述索引标识的状态均不成立时，进入LINK3通道数据发送状态。
[0046] 当进入LINK0通道数据发送状态时，判断发送数据的数量＝0x01？[0047] 如果等式不成立，则返回LINK0通道数据发送状态；
[0048] 如果等式成立，则判断LINK1、LINK2、LINK3通道是否有数据；
[0049] 如果有数据，则返回LINK索引发送状态；
[0050] 如果没有数据，则转至索引标识发送状态。
[0051] 当进入LINK1通道数据发送状态时，判断发送数据的数量＝0x01？[0052] 如果等式不成立，则返回LINK1通道数据发送状态；
[0053] 如果等式成立，则判断LINK2、LINK3通道是否有数据；
[0054] 如果有数据，则返回LINK索引发送状态；
[0055] 如果没有数据，则转至索引标识发送状态。
[0056] 当进入LINK2通道数据发送状态时，判断发送数据的数量＝0x01？[0057] 如果等式不成立，则返回LINK2通道数据发送状态；
[0058] 如果等式成立，则判断LINK3通道是否有数据；
[0059] 如果有数据，则返回LINK索引发送状态；
[0060] 如果没有数据，则转至索引标识发送状态。
[0061] 当进入LINK3通道数据发送状态时，判断发送数据的数量＝0x01？[0062] 如果等式不成立，则返回LINK3通道数据发送状态；
[0063] 如果等式成立，则转至索引标识发送状态。
[0064] 所述光纤通信卡将光纤以太网扫描控制板传入的光纤信号进行处理后包括以下步骤：
[0065] 光纤以太网扫描控制板经光纤介质发送的光纤数据经光纤收发模组送至光纤通信卡的II型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理后发送至PCIe接口，形成PCIe总线数据，上传至控制台；
[0066] 所述在II型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理过程如下：
[0067] II型通信协议转换器接收从第2光纤模组传入的局域网数据和错误状态标识；
[0068] 局域网数据通过第2TSE IP核模块传输进行数据解包，通过第2TSE2LINK模块进行局域网数据协议到LINK协议数据的转换，并分检出错误状态标识，转换出的LINK协议数据发送至第2LINK模块经过第2LINK模块转换成串行LINK数据送至后台数据整合器，分检出错误状态标识直接发送至后台数据整合器，后台数据整合器将错误状态标识及串行LINK数据整合后经PCIe接口发送控制台。
[0069] 所述第2TSE2LINK模块的处理过程如下：
[0070] 开始，进入取数状态；
[0071] 进入TSE数据等待状态；
[0072] 判断等待数据接收有效信号＝1？
[0073] 如果上式成立，则有：
[0074] 当TSE接收数据分别为0x01、0x03、0x07以及0x0f时，均进入获取LINK发送数据长度状态；
[0075] 当TSE接收数据为0x1f时，进入发送错误标识状态；
[0076] 当TSE接收数据为0x3f时，进入发送分析标识状态；
[0077] 当TSE接收数据为0x7f时，进入发送复位信号状态；
[0078] 当TSE接收数据为0x1c时，进入发送空标识状态；
[0079] 当TSE接收数据为0x1b时，进入发送满标识状态；
[0080] 当进入获取LINK发送数据长度状态时，如果数据接收有效信号为高电平则有：
[0081] 当数据索引值分别为0x01、0x03、0x07以及0x0f时，分别进入LINK0数据发送状态、LINK1数据发送状态、LINK2数据发送状态以及LINK3数据发送状态，分别在各自的通道内判断数据计数值是否为0且数据接收有效信号为高电平；如果满足上述条件，则均返回至等待数据接收有效信号为1的下一步骤进行处理；如果不满足上述条件，则返回各自通道的数据发送状态；
[0082] 当数据索引值为0x1f时，进入发送错误标识状态；
[0083] 当数据索引值为0x3f时，进入发送分析标识状态；
[0084] 当数据索引值为0x7f时，进入发送复位信号状态；
[0085] 当数据索引值为0x1c时，进入发送空标识状态；
[0086] 当数据索引值为0x1b时，进入发送满标识状态；
[0087] 判断上述发送错误标识状态、发送分析标识状态、发送复位信号状态、发送空标识状态以及发送满标识状态的数据接收有效信号是否为高电平，如果是电平，则均返回至TSE数据等待状态，否则相应返回至各自的状态中。
[0088] 所述光纤通信卡对控制台发送的数据进行处理，得到光纤信号包括以下步骤：
[0089] 控制台传入的PCIe总线数据经PCIe接口传输至II型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理后，由光纤收发模组经光纤介质发送至光纤以太网扫描控制板；
[0090] 所述在II型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理过程如下：
[0091] II型通信协议转换器从后台数据整合器中取出串行LINK数据、复位状态标识和分析状态标识，由第2LINK模块转换成并行LINK数据后与复位状态标识及分析状态标识均传输至第2LINK2TSE模块转换成局域网协议数据，通过第2TSE IP核模块打包后由第2光纤模组经光纤介质传输到光纤以太网扫描控制板。
[0092] 所述光纤以太网扫描控制板将光纤通信卡传入的光纤信号进行处理包括以下步骤：
[0093] 光纤通信卡经光纤介质将串行光纤
信号传输至第1光纤收发模组送至I型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理，数据合成及转换处理后的数据通过背板接口送至谱仪系统；
[0094] 所述在I型通信协议转换器进行数据合成及转换处理过程如下：
[0095] 从第1光纤收发模组获得的局域网串行数据由第1TSE IP核模块进行
串并转换后送入第1TSE 2LINK模块进行数据协议转换，分检出LINK数据和复位状态标识及分析状态标识，第1LINK模块将LINK数据分解成串行LINK数据送至背板接口，复位状态标识及分析状态标识直接送至背板接口后，由背板接口统一将LINK数据、位状态标识及分析状态标识传输至谱仪系统。
[0096] 光纤以太网扫描控制板对谱仪系统发送的数据进行处理包括以下步骤：
[0097] 谱仪系统发送的数据通过背板接口送至光纤以太网扫描控制板的I型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理后发送至第1光纤收发模组，形成串行光纤信号，经光纤介质传输至光纤通信卡；
[0098] 所述在I型通信协议转换器进行数据合成及转换处理过程如下：
[0099] I型通信协议转换器接收背板接口传入的LINK数据和错误状态标识；
[0100] LINK数据通过第1LINK模块传输至第1LINK2TSE模块，错误状态标识直接传输至第1LINK2TSE模块；
[0101] 第1LINK2TSE模块将上述接收的LINK数据和错误状态标识整合成局域网格式数据经第1TSE IP核模块进行并串转换后发送至第1光纤收发模组。
[0102] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0103] 1.本发明提出了一种基于FPGA实现的、采用千兆光纤为传输介质的新型数据通信模式，用于实现核磁共振谱仪与控制台之间的高速数据通信，支持多接收通道数据的传输，解决海量数据高速通信问题。
[0104] 2.实现LINK串行数据协议与Ethernet帧格式数据协议的解析与生成；支持重建数据与控制状态标识同数据包传送，结构简单，集成度高，运行稳定。
附图说明
[0106] 图2为本发明中LINK2TSE模块状态机工作
流程图；
[0107] 图3为本发明中TSE2LINK模块状态机工作流程。
具体实施方式
[0108] 本发明基于FPGA的核磁共振数据通信实现装置由两种独立的板卡构成，分别为置于谱仪系统内的光纤以太网扫描控制板和置于控制台
底板PCIe插槽中的Ethernet-PCIe光纤通信卡；两个独立的板卡之间通过多模光纤实现互联。图1给出了本发明装置的结构框图。
[0109] 光纤以太网扫描控制板包括背板接口、I型通信协议转换器和第1光纤收发模组，I型通信协议转换器通过背板接口与谱仪系统进行通信连接，通过第1光纤收发模组与光纤通信卡进行双向传输；
[0110] 光纤通信卡包括PCIe接口、第2光纤收发模组以及II型通信协议转换器，II型通信协议转换器通过PCIe接口与控制台进行通信连接，通过第2光纤收发模组与光纤以太网扫描控制板进行双向传输。
[0111] 光纤以太网扫描控制板由背板接口、I型通信协议转换器和光纤收发模组(SFP)组成。背板接口用于实现四组LINK通道信号、错误标识(ERROR)信号、以及复位(RESET)和分析(ANALYSE)信号接口连接，I型通信协议转换器用于实现LINK通信协议与Ethernet通信协议之间的转换，光纤收发模组(SFP)用于实现光纤千兆以太网高速串行接口信号与
电信号的转换。
[0112] Ethernet-PCIe光纤通信卡由光纤接口、II型通信协议转换器和PCIe接口组成。光纤收发模组(SFP)用于实现光纤千兆以太网高速串行接口信号与电信号的转换，II型通信协议转换器用于实现后台数据整合和LINK通信协议与Ethernet通信协议之间的转换，PCIe接口采用Altera公司的PCIeCompiler IP核实现，用于完成PCIe高速串行接口信号接口连接。
[0113] 光纤以太网扫描控制板，通过谱仪背板接口将实现分布式并行处理器互联的、包含射频接收通道数据在内的串行LINK通信协议数据，连同错误标识(ERROR)信号一起打包成Ethernet帧格式数据包，通过板上的光纤收发模组(SFP)，以多模光纤为介质，传输到Ethernet-PCIe光纤通信卡中，同时又将经多模光纤接收到的Ethernet帧格式数据包解包，分拣出LINK数据以及复位(RESET)和分析(ANALSYS)，按照LINK串行数据协议，对分拣出的LINK数据予以转换，并经缓存后将LINK数据放置于LINK总线上；
[0114] Ethernet-PCIe光纤通信卡，将从操作计算机的PCIe
串行总线上接收到的扫描控制命令和数据，由PCIe协议格式转换为LINK协议格式，并将转换后的数据按照Ethernet帧格式，经板上的光纤收发模组(SFP)，以多模光纤为介质，传输到光纤以太网扫描控制板中，同时又将经多模光纤所接收到的包含多通道射频接收数据的Ethernet帧格式数据包进行解包，得到LINK协议数据，并按照PCIe协议格式上传给控制台，为核磁共振成像重建提供原始成像数据。
[0115] 所述I型通信协议转换器通过FPGA实现，具有第1LINK模块、第1LINK2TSE模块、第1TSE2LINK模块、第1TSE IP核模块和第1CFG_TSE模块，其中第1LINK模块通过背板接口与谱仪系统进行串行LINK协议数据的通信，第1LINK2TSE模块将第1LINK模块接收到的LINK协议数据转换成TSE协议数据后与第1TSE IP核模块相连；第1TSE IP核模块通过第1TSE2LINK模块将TSE协议数据转换成LINK协议数据后与第1LINK模块相连；第1TSE IP核模块通过第1光纤收发模组与光纤通信卡进行双向传输。
[0116] 第1LINK模块具有四组独立的LINK通道以及接收FIFO和发送FIFO，来自背板接口的串行LINK数据被转成8位的并行数据后写入到接收FIFO中，同时将发送至FIFO中的数据通过LINK通道发送给背板接口。
[0117] 第1LINK2TSE模块在第1LINK模块接收FIFO中有数据或者错误标识、分析、复位状态信号的状态发生变化的条件下，将第1LINK模块接收到的FIFO数据，以及背板接口传来的错误标识信号组合成局域网数据帧格式，并发送给TSE IP核模块。
[0118] 第1TSE2LINK模块对第1TSE IP核模块所接收到的数据进行属性判断，如果是LINK数据则写入第1LINK的发送FIFO中，如果是分析标识或复位标识状态信号，则直接通过状态信号线传送给背板接口。
[0119] 所述II型通信协议转换器通过FPGA实现，具有第2LINK模块、第2LINK2TSE模块、第2TSE2LINK模块、第2TSE IP核模块、第2CFG_TSE模块以及后台数据整合器，其中后台数据整合器通过PCIe接口与控制台进行通信连接，第2LINK2TSE模块将第2LINK模块接收到的LINK协议数据转换成TSE协议数据后与第2TSE IP核模块相连；第2TSE IP核模块通过第2TSE2LINK模块将TSE协议数据转换成LINK协议数据后与第2LINK模块相连；第2TSE IP核模块通过第2光纤收发模组与光纤以太网扫描控制板双向传输。
[0120] 第2LINK模块具有四组独立的LINK通道以及接收FIFO和发送FIFO，来自后台数据整合器的串行数据被转成8位的并行数据后写入到接收FIFO中，同时将发送至FIFO中的数据通过LINK通道发送给后台数据整合器。
[0121] 第2LINK2TSE模块在第2LINK模块接收FIFO中有数据或者错误标识信号的状态发生变化的条件下，将第2LINK模块接收到的FIFO数据，以及后台数据整合器传来的分析和复位状态信号组合成局域网数据帧格式，并发送给第2TSE IP核模块。
[0122] 第2TSE2LINK模块对第2TSE IP核模块所接收到的数据进行属性判断，如果是LINK数据则写入第2LINK的发送FIFO中，如果是错误标识状态信号，则直接通过状态信号线传送给后台数据整合器。
[0123] 所述后台整合器一方面执行将来自第2TSE2LINK模块的错误标识和来自第2LINK模块的LINK数据以及LINK通道空/满标识和PCIe数据包是否准备好标识发送给PCIe接口模块的操作；另一方面根据所接收到的数据属性，将LINK数据以及复位信号和分析信号解析出来，并分别发送给第2LINK模块和第2LINK2TSE模块。
[0124] 所述I型通信协议转换器还具有第1CFG_TSE模块，而II型通信协议转换器还具有第2CFG_TSE模块，第1CFG_TSE模块用于对第1TSE IP核模块的MAC地址和局域网数据帧最大长度进行配置，由一个状态机来控制配置流程，当配置完成后，如果第1TSE IP核监测到光纤连接状况发生变化，则需要重新对第1TSE IP核模块进行配置；第2CFG_TSE模块用于对第2TSE IP核模块的MAC地址和局域网数据帧最大长度进行配置，由一个状态机来控制配置流程，当配置完成后，如果第2TSE IP核监测到光纤连接状况发生变化，则需要重新对第2TSE IP核模块进行配置。
[0125] 本发明的通信协议转换器表现为基于FPGA(现场可编程
逻辑门阵列)技术实现的两个实体，分别为应用于光纤以太网扫描控制板的I型通信协议转换器和应用于Ethernet-PCIe光纤通信卡的II型通信协议转换器。I型通信协议转换器和II型通信协议转换器均包括LINK模块、LINK2TSE模块、TSE2LINK模块、TSE IP核模块和CFG_TSE模块，而II型通信协议转换器又同时包括后台数据整合器(BACKEND)模块。
[0126] I型通信协议转换器和II型通信协议转换器中的LINK模块，由四组独立的LINK通道、以及接收FIFO和发送FIFO组成。在LINK模块中，来自谱仪背板的串行LINK信号首先被转成8位的并行数据，然后写入到接收FIFO中，同时将发送FIFO中的数据通过LINK通道发送给谱仪背板。
[0127] I型通信协议转换器和II型通信协议转换器中的LINK2TSE模块，在LINK模块接收(RX)FIFO中有数据或者错误标识(Error)、分析(Analyses)、复位(Reset)等状态信号的状态发生变化的条件下，将LINK模块接收的FIFO数据，以及背板传来的错误标识(Error)、分析(Analyses)和复位(Reset)等状态信号组合成以太网数据帧格式，并发送给TSE IP核模块。
[0128] I型通信协议转换器和II型通信协议转换器中的TSE2LINK模块，对TSE模块所接收到的数据进行属性判断，如果是LINK数据则写入LINK的发送(TX)FIFO中，如果是诸如错误标识(Error)、分析(Analyses)或者复位(Reset)等状态信号，则直接通过状态信号线传送给谱仪背板接口。
[0129] I型通信协议转换器和II型通信协议转换器中的TSE2LINK模块，采用Altera公司的TSE IP核实现。该IP核能够支持10M/100M/1000M三个速度的MAC，以及一个1000Base-X的PCS和一个可选的PMA。本
实施例选用1000M MAC+1000Base-X/SGMII PCS的工作模式，同时使用Transceiver Block(GXB)资源，TSE的内部FIFO深度使用2048，宽度是8，内部关键寄存器的配置采用如下策略：Ipg_length＝64；frm_length＝1518；TX_FIFO_AE＝8；TX_FIFO_AF＝8；TX_FIFO_SECTION_EMPTY＝1800；TX_FIFO_SECTION_FULL＝16；command_config＝0x0408003b。
[0130] I型通信协议转换器和II型通信协议转换器中的CFG_TSE模块，用于对TSE IP核的MAC地址和Ethernet数据帧最大长度等项目进行配置，由一个状态机来控制配置流程，状态机从空闲状态开始执行。当配置完成后，如果TSE IP核监测到光纤连接状况发生变化，则需要重新对TSE IP核模块进行配置。
[0131] II型通信协议转换器中后台数据整合器(BACKEND)模块，一方面，要执行将来自TSE2LINK模块的错误标识(ERROR)和来自LINK模块的LINK数据，以及LINK通道空/满标识和PCIe数据包是否准备好标识发送给PCIe接口模块的操作，另一方面，还要根据所接收到的数据属性，将LINK数据以及复位(Reset)信号和分析(Analyses)信号解析出来，并分别发送给LINK模块和LINK2TSE模块。
[0132] 通信协议转换器中的LINK2TSE模块和TSE2LINK模块都需要对Ethernet帧格式数据包进行操作，其中LINK2TSE模块完成串行LINK数据的接收和Ethernet帧格式数据包的生成，而TSE2LINK模块完成Ethernet帧格式数据包数据的解析和发送。
[0133] Ethernet帧格式数据包由源地址+目的地址+长度十一个或多个子数据包构成，源地址和目的地址取相同的值0xAAAAAAAAAAAA，每个子数据包包含要传输的一个LINK的数据或者一个状态信号的状态，其数据格式为：Data_index+Length(optional)+Content，其中，Data_index表示要传输的数据类型，其子数据包数据类型定义如表1所示；Length表示要传输的数据长度，LINK类型数据有数据长度定义，而错误标识(Error)、分析(Analyse)以及复位(Reset)状态标识信号则没有数据长度定义；Content是要传输的数据内容，如果Data_index是LINK类型数据，则Content的内容就是LINK数据，如果是状态标识信号，则Content的内容就是相应状态信号的状态值，其中，状态信号为高电平时，Content的内容为0x01，低电平时为0x00。子数据包组成整个数据类型的顺序是：LINK0数据+LINK1数据+LINK2数据+LINK3数据+错误标识(Error)信号+分析标识(Analyses)信号+复位(Reset)信号+FIFO空(rx_fifo_empty)标识信号+FIFO满(ff_rx_a_full)标识信号。如果某一个数据包没有要传输的数据，则该数据包中不包括相应的子数据包。
[0134] 表1 子数据包数据类型定义表
[0135]数据类型 Data_index数值
LINK0数据 0x01
LINK1数据 0x03
LINK2数据 0x07
LINK3数据 0x0f
错误标识(Error)信号 0x1f
分析(Analyzes)信号 0x3f
复位(Reset)信号 0x7f
FIFO空(rx_fifo_empty)信号 0x1c
FIFO满(ff_rx_a_full)信号 0x1b
无效数据或信号 其它值
[0136] 本发明基于FPGA的核磁共振数据通信实现方法包括以下步骤：
[0137] 通过光纤以太网扫描控制板和光纤通信卡分别接收谱仪系统和控制台发送的数据；
[0138] 分别在光纤以太网扫描控制板和光纤通信卡同时对谱仪系统和控制台发送的数据进行处理，分别得到各自的光纤信号；
[0139] 光纤以太网扫描控制板将自身得到的光纤信号经光纤介质输出至光纤通信卡；同时光纤通信卡经光纤介质将自身得到的光纤信号输出至光纤以太网扫描控制板；
[0140] 光纤通信卡将光纤以太网扫描控制板传入的光纤信号进行处理后发送至控制台；同时光纤以太网扫描控制板将光纤通信卡传入的光纤信号进行处理后发送至谱仪系统。
[0141] 1)光纤以太网扫描控制板对谱仪系统发送的数据进行处理包括以下步骤：
[0142] 谱仪系统发送的数据通过背板接口送至光纤以太网扫描控制板的I型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理后发送至第1光纤收发模组，形成串行光纤信号，经光纤介质传输至光纤通信卡；
[0143] 所述在I型通信协议转换器进行数据合成及转换处理过程如下：
[0144] I型通信协议转换器接收背板接口传入的LINK数据和错误状态标识；LINK数据通过第1LINK模块传输至第1LINK2TSE模块，错误状态标识直接传输至第1LINK2TSE模块；
[0145] 第1LINK2TSE模块将上述接收的LINK数据和错误状态标识整合成局域网格式数据后输出至第1TSE IP核模块进行数据发送至第1光纤收发模组。
[0146] 所述第1LINK2TSE模块的处理过程如图2所示，
[0147] 开始，进入空闲状态；
[0148] 判断是否有LINK数据输入，或者状态信号是否发生变化或首次执行状态机；
[0149] 如果满足上述三个条件之一，则进入数据包头发送状态；
[0150] 判断是否首次执行状态机，如是，则进入索引标识发送状态；
[0151] 当索引标识＝0x1f时，则进入错误标识发送状态，返回索引标识发送状态；
[0152] 当索引标识＝0x3f时，则进入分析标识发送状态，返回索引标识发送状态；
[0153] 当索引标识＝0x7f时，则进入复位标识发送状态，返回索引标识发送状态；
[0154] 当索引标识＝0x1c时，则进入FIFO空标识发送状态，返回索引标识发送状态；
[0155] 当索引标识＝0x1b时，则进入FIFO满标识发送状态，返回等待一个时钟周期状态，然后进入空闲状态；
[0156] 如果不是首次执行状态机，则判断是否有LINK数据；
[0157] 如果有LINK数据，则进入LINK索引发送状态，然后进入数据长度发送状态；
[0158] 当索引标识＝0x01时，进入LINK0通道数据发送状态；
[0159] 当索引标识＝0x03时，进入LINK1通道数据发送状态；
[0160] 当索引标识＝0x07时，进入LINK2通道数据发送状态；
[0161] 如果上述索引标识的状态均不成立时，进入LINK3通道数据发送状态；
[0162] 当进入LINK0通道数据发送状态时，判断发送数据的数量＝0x01？[0163] 如果等式不成立，则返回LINK0通道数据发送状态；
[0164] 如果等式成立，则判断LINK1、LINK2、LINK3通道是否有数据；
[0165] 如果有数据，则返回LINK索引发送状态；
[0166] 如果没有数据，则转至索引标识发送状态。
[0167] 当进入LINK1通道数据发送状态时，判断发送数据的数量＝0x01？[0168] 如果等式不成立，则返回LINK1通道数据发送状态；
[0169] 如果等式成立，则判断LINK2、LINK3通道是否有数据；
[0170] 如果有数据，则返回LINK索引发送状态；
[0171] 如果没有数据，则转至索引标识发送状态。
[0172] 当进入LINK2通道数据发送状态时，判断发送数据的数量＝0x01？[0173] 如果等式不成立，则返回LINK2通道数据发送状态；
[0174] 如果等式成立，则判断LINK3通道是否有数据；
[0175] 如果有数据，则返回LINK索引发送状态；
[0176] 如果没有数据，则转至索引标识发送状态。
[0177] 当进入LINK3通道数据发送状态时，判断发送数据的数量＝0x01？[0178] 如果等式不成立，则返回LINK3通道数据发送状态；
[0179] 如果等式成立，则转至索引标识发送状态。
[0180] LINK2TSE模块是I型通信协议转换器和II型通信协议转换器的共用模块，负责执行LINK串行协议数据到Ethernet帧格式数据的转换操作。
[0181] 在本实施例中，LINK2TSE模块接口协议定义了12种不同的
输入信号，分别为：低电平有效的复位信号(rst_n)；工作
时钟信号(clk)；LINK模块中接收FIFO所输出的LINK数据(link_data[i][link_fifo_width-1..0]其中，i＝0，1，2，3)；LINK模块中接收(RX)FIFO的已有数据深度(rdusedw[i][link_fifo_dwidth-1..0]其中，i＝0，1，2，3)；LINK模块中用于4个接收FIFO的空状态标识列表(rdempty[3..0])；TSE模块发送(TX)FIFO将满状态标识(ff_tx_a_full)；TSE模块接收(TX)FIFO是否准备好的状态标识(ff_tx_rdy)；用于标识状态的错误标识(Error)、分析标识(Analyses)和复位标识(Reset)信号；
锁相环是否已经成功锁相的标识信号(locked)。
[0182] 在本实施例中，LINK2TSE模块接口协议定义了6种不同的
输出信号，分别为：要写入TSE模块发送(TX)FIFO的数据(ff_tx_data[TSE_fifo_width-1..0])；输出给TSE模块的写数据结束标识信号(ff_tx_eop)；输出给TSE模块的写数据开始标识信号(ff_tx_sop)；输出给TSE模块用来表示发送数据是否有错误的标识信号(ff_tx_err)；输出给TSE模块的用于写数据使能信号(ff_tx_wren)；输出给LINK的接收(RX)FIFO的读标识列表(link_fifo_rd[3..0])。
[0183] LINK2TSE模块的工作状态由状态机实施控制，该状态机共有15个状态构成，分别为空闲状态(idle)、数据包头发送状态(send_package_head)、LINK索引发送状态(send_link_index)、数据长度发送状态(send_data_length)、LINK0通道数据发送状态(send_data_link0)、LINK1通道数据发送状态(send_data_link1)、LINK2通道数据发送状态(send_data_link2)、LINK3通道数据发送状态(send_data_link3)、等待一个时钟周期状态(wait_1t)，索引标识发送状态(send_misc_index)、错误标识发送状态(send_err)、分析标识发送状态(send_analyses)、FIFO空标识发送状态(send_rx_fifo_empty)、FIFO满标识发送状态(send_ff_rx_a_full)、复位标识发送状态(send_reset)。
[0184] 模块复位后状态机首先处于空闲状态(idle)，然后判断是否首次执行状态机，如果是首次执行则直接进入数据包头发送状态(send_package_head)，执行含有源地址、目的地址和长度信息的数据包头的发送操作，然后进入索引标识发送状态(send_misc_index)发送所以标识，之后分别进入错误标识发送状态(send_err)、分析标识发送状态(send_analyses)、FIFO空标识发送状态(send_rx_fifo_empty)、FIFO满标识发送状态(send_ff_rx_a_full)和复位标识发送状态(send_reset)，以发送初始态的状态信号，当完成上述操作之后状态机进入空闲状态(idle)，以等待LINK接收(RX)FIFO有数据，或者错误标识(Error)、分析(Analyse)、复位(Reset)、FIFO空标识、FIFO满标识等标识信号发生电平变化，一旦LINK接收(RX)FIFO有数据或标识信号电平发生变化，则状态机进入数据包头发送状态(send_package_head)执行数据包的发送操作。当有多个满足发送的条件时，应按照LINK0＞LINK1＞LINK2＞LINK3＞错误标识(Error)＞分析(Analyzes)＞复位(Reset)＞FIFO空(rx_fifo_empty)＞FIFO满(ff_rx_a_full)的优先级进入发送状态。发送完毕后状态机再次进入空闲状态(idle)等待执行发送操作。
[0185] 2)光纤通信卡将光纤以太网扫描控制板传入的光纤信号进行处理后包括以下步骤：
[0186] 光纤以太网扫描控制板经光纤介质发送的光纤数据经光纤收发模组送至光纤通信卡的II型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理后发送至PCIe接口，形成PCIe总线数据，上传至控制台；
[0187] 所述在II型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理过程如下：
[0188] II型通信协议转换器接收从第2光纤模组传入的局域网数据和错误状态标识；
[0189] 局域网数据通过第2TSE IP核模块传输进行数据解包，通过第2TSE2LINK模块进行局域网数据协议到LINK协议数据的转换，并分检出错误状态标识，转换出的LINK协议数据发送至第2LINK模块经过第2LINK模块转换成串行LINK数据送至后台数据整合器，分检出错误状态标识直接发送至后台数据整合器，后台数据整合器将错误状态标识及串行LINK数据整合后经PCIe接口发送控制台；
[0190] 第2TSE2LINK模块的处理过程如图3所示：
[0191] 开始，进入取数状态；
[0192] 进入TSE数据等待状态；
[0193] 判断等待数据接收有效信号＝1？
[0194] 如果上式成立，则有：
[0195] 当TSE接收数据分别为0x01、0x03、0x07以及0x0f时，均进入获取LINK发送数据长度状态；
[0196] 当TSE接收数据为0x1f时，进入发送错误标识状态；
[0197] 当TSE接收数据为0x3f时，进入发送分析标识状态；
[0198] 当TSE接收数据为0x7f时，进入发送复位信号状态；
[0199] 当TSE接收数据为0x1c时，进入发送空标识状态；
[0200] 当TSE接收数据为0x1b时，进入发送满标识状态；
[0201] 如果TSE接收数据不满足上述任何条件时，返回TSE数据等待状态；
[0202] 当进入获取LINK发送数据长度状态时，如果数据接收有效信号为高电平则有：
[0203] 当数据索引值分别为0x01、0x03、0x07以及0x0f时，分别进入LINK0数据发送状态、LINK1数据发送状态、LINK2数据发送状态以及LINK3数据发送状态，分别在各自的通道内判断数据计数值是否为0且数据接收有效信号为高电平；如果满足上述条件，则均返回至等待数据接收有效信号为1的下一步骤进行处理；如果不满足上述条件，则返回各自通道的数据发送状态；
[0204] 当数据索引值为0x1f时，进入发送错误标识状态；
[0205] 当数据索引值为0x3f时，进入发送分析标识状态；
[0206] 当数据索引值为0x7f时，进入发送复位信号状态；
[0207] 当数据索引值为0x1c时，进入发送空标识状态；
[0208] 当数据索引值为0x1b时，进入发送满标识状态；
[0209] 判断上述发送错误标识状态、发送分析标识状态、发送复位信号状态、发送空标识状态以及发送满标识状态的数据接收有效信号是否为高电平，如果是电平，则均返回至TSE数据等待状态，否则相应返回至各自的状态中。
[0210] TSE2LINK模块是I型通信协议转换器和II型通信协议转换器的共用模块，负责执行Ethernet帧格式数据到LINK串行协议数据的转换操作。 在本实施例中，TSE2LIN模块接口协议定义了6种不同的输入信号，分别为：低电平有效的复位信号(rst_n)、工作时钟信号(clk)、TSE模块输出的数据接收开始信号(ff_rx_sop)、TSE模块输出的高电平有效的数据接收有效信号(ff_rx_dval)、LINK模块发送(TX)FIFO的满标识(Full Flag)列表信号(link_txfifo_full[3..0])、TSE模块的接收数据端口ff_rx_d[TSE_fifo_width-1..0]。
[0211] 在本实施例中，TSE2LINK模块接口协议定义了6种不同的输出信号，分别为：高电平有效的输出给LINK模块4个发送(TX)FIFO的写信号(link_txfifo_wr[3..0])、高电平有效的表示准备好数据接收的标识信号(ff_rx_rdy)、错误标识信号(Error)、分析标识信号(Analyses)、复位信号(Reset)、用来写入LINK模块(TX)FIFO的数据(fifo_rx_data_delay[TSE_fifo_width-1..0])。
[0212] TSE2LINK模块的工作状态由状态机实施控制，该状态机共有12个状态构成，分别为：取第一个数据状态(fetch_data)、TSE数据等待状态(wait_ff_rx_d)、获取LINK发送数据的长度(get_data_length)、LINK0数据发送状态(send_link0_data)、LINK1数据发送状态(send_link1_data)、LINK2数据发送状态(send_link2_data)、LINK3数据发送状态(send_link3_data)、发送错误标识状态(send_Error)、发送分析标识状态(send_analyses)、发送复位信号状态(send_reset)、发送空标识状态(send_empty)、发送满标识状态(send_ff_rx_a_full)。
[0213] TSE2LINK模块状态机执行流程如图3所示。当TSE2LINK模块复位后，状态机首先进入取第一个数据状态(fetch_data)，并输出表示TSE2LINK模块已准备好数据接收的高电平标识信号(ff_rx_rdy)，之后状态机进入TSE数据等待状态(wait_ff_rx_d)，等待数据接收有效信号(ff_rx_dval)变为高电平；在数据接收有效信号(ff_rx_dval)变为有效之后，状态机会根据已定义的数据包格式对所接收到数据包的数据进行解析，然后状态机跳转到相应的LINK数据发送状态执行LINK数据发送操作，或者跳转到相应的标识信号状态，进行状态信号的发送操作。当执行完LINK数据或信号状态标识发送操作后，状态机接着进行下一个数据解析和发送操作，直到完成一个数据包的解析和发送操作，当整个数据包解析和发送操作完成后，状态机便进入等待状态，以等待下一新的数据包的到来。
[0214] 3)光纤通信卡对控制台发送的数据进行处理，得到光纤信号包括以下步骤：
[0215] 控制台传入的PCIe总线数据经PCIe接口传输至II型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理后，由光纤收发模组经光纤介质发送至光纤以太网扫描控制板；
[0216] 所述在II型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理过程如下：
[0217] II型通信协议转换器从后台数据整合器中取出串行LINK数据、复位状态标识和分析状态标识，由第2LINK模块转换成并行LINK数据后与复位状态标识及分析状态标识均传输至第2LINK2TSE模块转换成局域网协议数据，通过第2TSE IP核模块打包后由第2光纤模组经光纤介质传输到光纤以太网扫描控制板。
[0218] 第2LINK2TSE模块的处理过程与第1LINK2TSE模块相同，这里不再赘述。
[0219] 4)光纤以太网扫描控制板将光纤通信卡传入的光纤信号进行处理包括以下步骤：
[0220] 光纤通信卡经光纤介质将串行光纤信号传输至第1光纤收发模组送至I型通信协议转换器中进行数据合成及转换处理，数据合成及转换处理后的数据通过背板接口送至谱仪系统；
[0221] 所述在I型通信协议转换器进行数据合成及转换处理过程如下：
[0222] 从第1光纤收发模组获得的局域网串行数据由第1TSE IP核模块进行串并转换后送入第1TSE 2LINK模块进行数据协议转换，分检出LINK数据和复位状态标识及分析状态标识，第1LINK模块将LINK数据分解成串行LINK数据送至背板接口，复位状态标识及分析状态标识直接送至背板接口后，由背板接口统一将LINK数据、复位状态标识及分析状态标识传输至谱仪系统。
[0223] 第1TSE2LINK模块的处理过程与第2TSE2LINK模块相同，这里不再赘述。
