基于ARM的核四极矩探测射频脉冲发生器设计

【核心介绍】原子核四极矩共振(Nuclear Quadrupole Resonance，NQR)是新兴的一种物质探测手段，尤其在炸药探测方面有着应用前景。文章中介绍了激发NQR信号所需射频信号的特点，并据此设计了一种核四极矩探测射频脉冲发生器。系统采用STM32F103 ARM控制器为主控制器，以数字上变频芯片（AD9957）完成调制射频脉冲输出。该设计具有结构紧凑，配置方便灵活等特点，为原子核四极矩共振信号谱仪研制提供了一种便携灵活的射频信号发生方案。 　

基于ARM的核四极矩探测射频脉冲发生器设计^*

饶天德^1,2 魏树峰² 杨文晖² 李雯玉^1,2

（¹中国科学院大学 北京 100190；²中国科学院电工研究所/北京市生物电磁重点实验室 北京 100190）

摘  要 原子核四极矩共振(Nuclear Quadrupole Resonance，NQR)是新兴的一种物质探测手段，尤其在炸药探测方面有着应用前景。文章中介绍了激发NQR信号所需射频信号的特点，并据此设计了一种核四极矩探测射频脉冲发生器。系统采用STM32F103 ARM控制器为主控制器，以数字上变频芯片（AD9957）完成调制射频脉冲输出。该设计具有结构紧凑，配置方便灵活等特点，为原子核四极矩共振信号谱仪研制提供了一种便携灵活的射频信号发生方案。

关键词 核四极矩共振；射频发生；DDS；ARM

中图分类号 TN832 文献标识码：A

Design of RF Pulse Generator for Nuclear Quadrupole Resonance based on ARM

Rao Tiande^1,2,Wei Shufeng²,Yang Wenhui²,Li Wenyu^1,2

(¹University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;²Beijing Key Laboratory of Bio-electromagnetism，Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Abstract Nuclear Quadrupole Resonance (NQR) is a very promising method for the detection and identification of materials such as explosives. In this paper, the feature of RF pulse required for NQR signal’s excitation is introduced. Accordingly, a RF pulse generator used for NQR signal’s excitation is presented. A digital up conversion chip (AD9957) was used to generate modulated RF pulse. STM32F103 was used to complete the configuration of AD9957 and the configuration of the programmable amplifier to adjust output gain. The performance of the RF pulse generator was demonstrated by experimental results.

Key words Nuclear quadrupole resonance; Radiofrequency pulse generation; Direct digital synthesizer (DDS);ARM

21世纪以来，恐怖袭击不断地发生在世界各地，各种形式的爆炸物被用于从事恐怖活动，在严峻的反恐形势下，人们更多的关注到了爆炸物的探测技术上^[1,2]。原子核四极矩共振是新兴的一种爆炸物探测手段，由于其具有无损、非接触的探测方法以及其准确的探测效果^[3]，受到了世界各国的重视，取得了一系列的研究成果和一些实用产品^[4,5,6]。核四极矩信号采集技术实现上与磁共振信号采集是相通的，其谱仪结构也是相同的。与磁共振谱仪一样，现在已有的核四极矩谱仪大多采用信号激发部分与接收部分分立的设计，这使得谱仪结构相对复杂且增大了体积，不能满足危险品探测设备的小型化、便携化的发展要求。设计采用单板的设计，将信号激发部分与接收部分集成到一块单板上，设计上更为紧凑，减小了体积。

大多数炸药都为富氮物质，¹⁴N是非球形核，具有核四极矩共振特性。因此，¹⁴N是一种很好的NQR探针，可以利用“N—NQR”方法探测炸药^[7]。 室温下，含氮化合物的NQR共振频率分布在0~6MHz。对于RDX,其共振频率分别为5 192kHz、3410kHz、1782 kHz。对于TNT，其共振频率为842 kHz、755 kHz^[8]。由于NQR检测信号覆盖的频率带宽大，因此要求射频激发脉冲能够在较宽的频率范围内都能精确的控制射频脉冲的频率、相位、幅值。此外，射频脉冲的形状也有一定的要求，目前采用的射频序列中大多采用都是由Sinc函数型、高斯等时域射频脉冲构成^[9]。

本文基于ARM控制器与AD9957设计了一种核四极矩探测射频脉冲发生器，能灵活并精确的产生Sinc函数型、高斯等时域射频脉冲。设计重点考虑了灵活性、可靠性、便携性和较低的成本。本设计不但可以应用于对NQR信号的激发，也可用于磁共振信号等类似信号的激发。

1 系统整体设计

射频脉冲发生器整体设计如图1所示，主要由上位机、ARM控制部分、AD9957波形发生及调理电路4部分组成。PC机为主控制设备，控制波形产生时需要的各种参数，通过RS232串行通信接口传给单片机，单片机将输入的信息产生对应的控制字，对AD9957进行配置以及程控放大器的增益控制。

图1 系统整体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片简介

主控芯片采用意法半导体公司推出的STM32F103系列微控制器，它以ARM Cortex-M3为内核，工作频率可达72 MHz，内置用于存放程序128KB闪存和20KB SRAM，具有丰富的I/O端口和外设，包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器．另外，还包含了一系列标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、1个CAN和1个USB^[10]。使用这款控制器能减少外围模块，通信接口丰富，非常适合与NQR信号采集系统其它模块通信。

2.2激励射频脉冲信号发生模块

频率合成技术有直接模拟合成法、锁相环合成法和直接数字合成法。直接模拟合成法利用倍频、分频、混频及滤波，从单一或几个参数频率中产生多个所需的频率。该方法频率转换时间快，但是体积大、功耗大，已基本不被采用^[11]。锁相环合成法通过锁相环完成频率的加、减、乘、除运算。该方法结构简化、便于集成，且频谱纯度高，使用比较广泛，但存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只能用于大步进频率合成技术中^[12]。直接数字频率合成（DDS）技术具有频率切换速度快、分辨率高、频率和相位易于控制等特点^[13]，在各种数字系统中得到了越来越广泛的应用，成为现代电子系统及设备中频设计首选，完全满足射频发生器的技术要求。因此在本文采用DDS作为射频脉冲发生器。它能够实现频率、相位、幅值和脉冲波形的精确控制，操作灵活，能够满足NQR射频激发的要求。

AD9957采样频率能达到1GHz，最高支持400 MHz的正交调制波形输出，无杂散动态范围（SFDR）高达80dB，完全能满足激发NQR信号的要求。AD9957允许最少每隔8ns更新一次频率控制字，频率切换速度非常快。其内部集成的DDS采用32位的频率以及相位累加器，频率以及相位易于控制，分辨率也达到了比较高的水平。此外，AD9957内部还集成了14位DAC、数字滤波器、 可存放波形数据的1024x32位RAM^[14]，可用以实现内部调制，整体化程度高，避免了分立器件带来的相位延时等缺点，这是相对于其他调制方案的优势，采用波形文件的正交调制也与之前的实验平台相兼容。内置的时钟倍频电路可保证在低频的外部时钟输入下，仍然提供优良的动态性能，其高度的集成度避免了分立器件搭建正交调制源会带来的器件多、体积大、幅相一致性差等缺点^[15]。AD9957的编程接口采用了SPI接口，配置操作简单易行，系统的软件设计因此得到了简化。

3 软件设计

STM32F103包括定时器中断初始化、可编程放大器初始化、AD9957初始化配置以及与其他设备的通信模块、采样控制等。以发射单个射频脉冲来激励自由衰减信号（FID信号）为例，流程图如图3所示。

系统上电后， STM32对数字上变频芯片、程控放大器等进行配置，打开前端射频开关，等待外部采样开始信号。采样开始后，上变频芯片产生已设定频率、相位、形式的调制射频脉冲序列，经过设定时间的射频激发后，定时关闭射频开关，信号激发结束。

图3 STM32 FID信号采集流程图

4 实验结果

为了测试本射频发生器的工作性能，分别使AD9957工作在正交调制模式下输出3Sinc函数型时域RF脉冲、正交调制模式下输出高斯型RF脉冲，并将发射的脉冲波形以及频谱和波形文件的幅度与频谱进行对比。载波均设定为频率为20 MHz，相位偏移为0。采用的调制波形文件均为256个点，计算出的带宽为15kHz。实验仪器采用安捷伦公司的混合示波器MSO-X 3104。

图4是采用的3sinc波形文件的波形与频谱形状。

（a）            （b）

图4 3sinc波形文件的波形（a）与频谱(b)

图5是系统产生的3sinc RF脉冲波形以及频谱。频谱中心频率为20MHz，频谱峰值半高宽带宽为15 kHz。实验的波形、频谱形状以及对应参数与设定值一致。

图5 3sinc型RF脉冲波形以及频谱

图6是采用的高斯波形文件的波形与频谱形状。

（a）           （b）

图6 高斯波形文件的波形（a）与频谱(b)

图7是系统产生的高斯 RF脉冲波形以及频谱。频谱中心频率为20MHz，频谱峰值半高宽带宽为15 kHz。实验的波形、频谱形状以及对应参数与设定值一致。

图7 高斯型RF脉冲波形以及频谱

5 结论

本文简述了NQR信号的原理以及信号特点，了解所需发射射频脉冲的要求的基础上，提出了一种硬件设计方案，对核心电路进行了阐述，并进行了硬件实现。在测试实验中，分别对NQR信号采集通常使用到的射频脉冲进行了实验，并与所采用的调制波形文件波形与频谱进行了对比。实验结果表明射频发生器产生的RF脉冲波形、频谱形状以及对应参数与设定值一致，与在技术指标上是可以完成NQR信号激发的，达到了设计的目的。未来的工作方向是将射频发生器与NQR信号探测系统其它部分结合到一起，完成对NQR信号探测系统的搭建与调试。

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