DE2918424C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Impuls-NMR-Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Spektrometer ist aus der US-PS 38 73 909 bekannt. Bei diesem bekannten Spektrometer enthält der Digitalrechner Programme, mit denen gewisse, die Resonanz bestimmende Betriebsparameter des Spektrometers in gewisser Weise variiert werden, um die Ausgangs-Spektraldaten des Spektrometers entsprechend zu variieren. Über eine Logikeinheit werden die aufgrund der Programme erzeugten Steuersignale auf die verschiedenen Komponenten des Spektrometers verteilt; im Falle des bekannten Spektrometers handelt es sich um Programme zur Korrektur von Abweichungen der Betriebsdaten von den jeweiligen Sollwerten.

Ein vergleichbares Spektrometer bei dem nicht so sehr die Betriebsparameter des Spektrometers sondern unterschiedliche Folgen von Anregungsimpulsen vom Rechner gesteuert werden, je nach dem durchzuführenden Experiment, ist aus "Advances in Magnetic Resonance", herausgegeben von John S. Waugh, Band 5, New York, London 1971, Seiten 117 bis 135, ebenfalls bekannt. Dieses bekannte Spektrometer weist Register zur Aufnahme von Gatterzustandswörtern auf, die zur Steuerung der Sende- und Empfangsgatter des Spektrometers dienen.

Bei diesen beiden bekannten Spektrometerkonstruktionen steuert also der Digitalrechner selbst die Erzeugung der Impulsfolgen ebenso wie den Betriebszustand des Spektrometers, d. h. seine einzelnen Komponenten und Funktionen. Im vom Programm bestimmten Zeitabständen müssen jeweils die Gatter umgeschaltet werden, die Verarbeitung der Spektrometerantworten wird zu diesem Zwecke üblicherweise auf Prioritäts-Interrupt-Basis implementiert. Aufgrund der begrenzten Arbeitsgeschwindigkeit des Digitalrechners ergeben sich damit zwangsläufig sowohl hinsichtlich der zulässigen Datenerfassungsrate als auch hinsichtlich weiterer Rechenoperationen mit den Daten enge Grenzen; weiterhin können bei häufigen Unterbrechungen (Interrupts) Probleme bei der Aufrechterhaltung der Synchronität der Anregung und der Digitalisierung der Spannungsverläufe mit Bezug auf die Zeitreferenz auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die bekannte Spektrometer-Architektur derart zu modifizieren, daß die Steuerung der Gatterzustände zwar unter Steuerung des Digitalrechners, auch in zeitlicher Hinsicht, jedoch unabhängig von dessen Arbeitsakt erfolgen kann.

Damit steht der Digitalrechner voll für die Aufgaben zur Verfügung, die er auch beim Stand der Technik zu übernehmen hat, wobei er sich um die Folge der Gatterzustände normalerweise nur dann kümmern muß, wenn ihm seine sonstigen Aufgaben dazu Zeit lassen, mit anderen Worten, er normalerweise durch die zeitlich kritischen Interrupts nicht in seiner normalen Arbeit gestört wird.

Das eingangs erwähnte bekannte Spektrometer wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichenteil des Anspruchs 1 modifiziert.

FIFO-Register und ihre Verwendung bei der Aufnahme und Weitergabe von Daten bzw. Gatterzustandswörtern sind aus den Procedings of the National Electronics Conference, Band 28, 1973, Seiten 255-257 bekannt, sie sind jedoch bisher noch nicht bei der Steuerung von Impuls-NMR-Spektrometern, nämlich zur Aufnahme der entsprechenden Gatterzustandswörter, eingesetzt worden, und vor allem noch nicht im Zusammenhang mit den weiteren Merkmalen der Erfindung eingesetzt worden. Durch diese Konstruktion, insbesondere die Verwendung eines Zeitgebers zum Fortschalten des FIFO-Registerinhaltes in Abhängigkeit von einem Teil des Registerinhaltes selbst wird jedoch die zunächst paradox anmutende Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst, exakt zu den vom Rechnerprogramm geforderten Zeitpunkten den Spektrometerzustand zu ändern (durch Umschalten eines oder mehrerer Gatter des Spektrometers und damit der zugehörigen Komponenten bzw. (Funktionen), ohne daß der Digitalrechner selbst bei der Abarbeitung seiner sonstigen Aufgaben genau zu diesem Zeitpunkt unterbrochen wird; nur wenn das FIFO-Register leer ist, muß der Digitalrechner es re-initialisieren, aber das kommt natürlich wesentlich seltener vor, je nach der Länge des FIFO-Registers und der der Folge von Gatterzustandswörtern, z. B. nur in Verbindung mit dem Neubeginn eines Experiments.

Eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 2.

Die Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden; es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Erfassungssystem, und

Fig. 2 das Format des Gatterzustandswortes der bevorzugten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Blockform dargestellt. Zwei Prozessoren werden unterschieden, ein "Wirt"-Computer 10 oder kurz Wirt 10 bei dem es sich um einen Universalrechner handeln kann, beispielsweise eine V-77 Data Machine der Firma Sperry-Rand Corporation, und einen dedizierten System-Erfassungs-Prozessor 20 oder kurz SAP 20, bei dem es sich um einen anderen Universalrechner, einen Mikroprozessor oder einen speziell konstruierten Bit-Slice-Mikroprozessor handeln kann. Der SAP 20 kommuniziert mit dem Wirt 10 über den Wirtsystembus 12 und kommuniziert unabhängig auf einem Erfassungsbus 22 mit einer Anzahl von Interface-Komponenten, die noch beschrieben werden, und mit einem Programm- und Zufallssignalspeicher 24 über eine erste Speicherzugriffspforte 25. Der Wirt-Computer 10 hat getrennten Zugriff zu letzterem Speicher, vorzugsweise über eine direkte Speicherzugriffseinrichtung 14 ohne Unterbrechung des SAP 20. Der Programm- und Zufallssignalspeicher 24 speichert das Erfassungsprogramm, das vom System-Erfassungs-Prozessor 20 ausgeführt wird, sowie die erhaltenen NMR-Daten. Der System-Erfassungs-Prozessor 20 weist auch einen Mikrokodespeicher 26 auf, um sein Befehlsrepertoire zu implementieren, und enthält vorzugsweise Spezialzweckroutinen: die letzteren enthalten beispielsweise Routinen zur Bedienung von Interrupts, die aus laufenden ADC-Daten-Übertragungen zum SAP 20 entstehen, aus dem Aufscheinen von FIFO-Status-Kennzeichen, Routinen zur Informationsübertragung zwischen dem SAP 20 und dem Wirt 10 über den Wirtsystembus 12 sowie zur Übertragung von Daten zwischen dem Programm- und Zufallsignalspeicher 24 und einem Externspeicher, wie noch erläutert wird. Der Wirt 10 und der SAP 20 teilen sich über einen Busmultiplexer 52 den Zugriff zu einem Plattenspeicher 50.

Das SAP-Eingabe-Ausgabe-Interface 30 weist ein Eingabe-Interface bzw. -Puffer 32 auf, um die digitalen Daten aufzunehmen, die von nicht dargestellten Geräten erzeugt werden, einschließlich eines oder mehrerer Analog-Digital-Wandler (ADC), Leseleitungen und Interrupts über den Erfassungsbus 22. Ein Ausgabe-Interface 34 ist vorgesehen, das gewöhnlich für begrenzte Zwecke verwendet wird, wie die Darbietung von BCD-Daten, Konfigurationsbefehlen oder zur Einstellung von Betriebsparametern in externen Geräten. Ausgänge, die periodisch im Zyklus Anregen-Detektieren aufgerufen werden, werden durch eine Ausgangsschaltung 40 implementiert.

Ein typischer Prozessor zum Implementieren der Rolle des System-Erfassungs-Prozessors 20 ist in der Lage, Impulsfolgen mit Raten in der Größenordnung von 0,5 MHz zu erzeugen. Die experimentellen Forderungen für die moderne FT-NMR-Spektroskopie erfordern die Fähigkeit für Befehlsimpulse mit erheblich höheren momentanen Raten. Dementsprechend ist ein FIFO-Register 42 A, 42 B vorgesehen, um eine Gatter-Befehls-Stoßraten-Möglichkeit bis 20 MHz vom relativ langsameren System-Erfassungs-Prozessor zu erreichen, und um Interrupt-Bedienungsanforderungen für den System-Erfasungs-Prozessor 20 zu minimieren. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein FIFO-Register 42 A, 42 B verwendet, das 16 Wörter zu je 32 Bit umfaßt, um Gatterzustandsfolgen in Stößen von bis zu 15 unterschiedlichen Befehls-Gattermustern mit Stoßraten zu präsentieren, die nur durch das Takten der FIFO-Takt-Kombination begrenzt sind. Die Ausgangsschaltung 40 enthält ein FIFO-Register mit zwei Abschnitten 42 A und 42 B für mehrere Gatterzustandswörter, von denen jedes aus einem ersten Teil von 16 Bit und einem zweiten Teil von 16 Bit besteht. Das FIFO-Register 42 A, 42 B kann durch irgendeine Einrichtung implementiert werden, mit der eine Folge von Gatterzustandswörtern gespeichert wird und die Wörter in sequentieller Reihenfolge auf Befehl an eine Ausgabestelle vorgeschoben werden, wo die in dem derzeit verfügbaren Wort enthaltene Information zur weiteren Verarbeitung zugänglich ist. Die FIFO-Steuerung 43 synchronisiert den Eingang zu den FIFO-Registern 42 A und 42 B und den Ausgang davon, hält Zeiger zu den Eingabe- und Ausgabe-Adressen des FIFO-Registers 42 A und 42 B und steuert und überwacht ferner die FIFO-Zustände START, STOP und Bedingungen wie Bereichsunterschreitung (FIFO leer) und Überlauf (FIFO voll). Die Ausgangsschaltung 40 weist ferner Ausgabe-Gatter und -Puffer 44 sowie einen Zeitgeber 46 auf, die noch näher erläutert werden.

Ein Fouriertransformations-NMR-Spektrometer wird zwecks Anregung des Resonanzsystems gesteuert und erfaßt Daten als Antwort auf diese Anregung. Die Anregungssteuerfunktion bildet oft einen sich wiederholenden Zyklus von Anregungsimpulsen mit variierenden Parametern wie Impulsdauer, Phase, Intervall zwischen Impulsen sowie z. B. das Anlegen von speziellen vorübergehenden Feldern zwecks Entkopplung oder Störung der Homogenität. Die Vielzahl von unterschiedlichen Experimenten, die auf diese Weise durchgeführt werden können, wird als Folge von Zuständen der relevanten Komponenten des Gerätes spezifiziert. Jeder von 16 Komponenten oder Spektrometerfunktionen wird eine oder werden mehrere Binärstellen zugeteilt, um diese Funktion auszuwählen. Ein Binärfeld von 16 Bit kann also den Zustand von 16 Ausgangsleitungen spezifizieren, die je eine Steuersubfunktion des Spektrometers betätigen. Die Zeitabhängigkeit des Steuerzustandes wird mit einem anderen binären Unterfeld spezifiziert, das als Zeitdauer für den spezifizierten Zustand interpretiert wird. Die folgende Tabelle I faßt die bevorzugte Zuteilung von Unterfunktionen in einem solchen zustandsbezeichnenden Unterfeld zusammen. Der Wert jedes angegebenen Bit (0 oder 1) kontrolliert das Ansprechen oder Nicht-Ansprechen des entsprechenden Gatter- oder Wahl-Code. Die Zuteilung der Gatter- und Auswahl-Code zu den angegebenen Funktionen ist nicht ausschließlich, sondern stellt nur typischerweise gewünschte Fähigkeiten für ein FT-NMR-Spektrometer dar.
BitGatterbefehl

 0Sendegatter  1Empfängergatter  2Entkopplerimpuls  390° HF-Impuls  4180° HF-Impuls  5A/D-Wandler-Abfragephase  6A/D-Wandler-Abfragephase  7A/D-Wandler-Befehl umzuwandeln  8Verrastungskanal auswählen  9Quadratur - Nichtquadratur wählen 10Entkopplermodulationsselektion 11Entkopplermodulationsselektion 12Homogenität störender Impuls 1390° Entkoppler-Impuls 14180° Entkoppler-Impuls 15Entkoppler-Leistung wählen (hoch/niedrig)

Die durch die Gatterzustands-Bitzuteilungen nach Tabelle I kontrollierten Funktionen sind in der FT-NMR-Spektroskopie gut bekannt, sehen von den speziellen Zuteilungen nach Tabelle I ist ersichtlich, daß bis zu 2¹⁶-1 Werte zur Zustandsbeschreibung präsentiert werden können. Die speziellen Funktionszuteilungen nach Tabelle I umfassen einen erheblich stärker eingeschränkten Satz von Zuständen insoweit, als eine Anzahl von Bit-Kombinationen nicht miteinander verträglich sind und gewöhnlich nicht gleichzeitig aufgerufen würden. Beispielsweise werden Sender-Gatter und Empfänger-Gatter normalerweise nicht zur gleichen Zeit angesprochen. In ähnlicher Weise können aufeinanderfolgende Zustände logische oder durch das Gerät bestimmte Schranken haben. Beispielsweise folgen A/D-Wandler-Umwandlungsbefehle Anregungsimpulsen im Zyklus Anregung-Erfassung statt ihnen voranzugehen.

In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Format für den eine kodierte Zeitdauer enthaltenden Teil von 16 Bit eines vollständigen Gatterzustandswortes mit Charakteristiken und Mantisse dargestellt. Bits 0-2 spezifizieren eine Zeitbasencharakteristik n, die die Werte 10^-n Sekunden überspannt, wobei n = 2 . . . 7. Die Grund-Zeiteinheit von 50 Nanosekunden (entsprechend der FIFO-Taktrate) wird für den Wert n = 0,1 angenommen. Bit 3 ist ein Halbbit. Bits 4 bis einschließlich 15 bilden eine Mantisse von 12 Bit, die zusammen mit der Zeitbasencharakteristik, dazu dient, den Zeitgeber 46 (Fig. 1) zu initialisieren, der eine Herabzählungsschaltung enthält, die von einem isolierten Ausgang einer 20 MHz-System-Uhr arbeitet, die einen Teil des Zeitgebers 46 bildet. Wenn das angegebene Intervall abgeschlossen ist, hat der sequentielle Inhalt des FIFO-Registers 42 A, 42 B fortgeschaltet, um das nächste Gatterzustandswort den Ausgangs-Gattern 44 und dem Zeitgeber 46 zu präsentieren. Die Isolierung des Zeitgebers 46 bewahrt die Integrität der Zeitintervalle auf eine feste Zeitfrequenz, während ein relativer Synchronismus des SAP 20 zugelassen wird. Als Beispiel für kollidierende interne Anforderungen, die die zeitliche Beziehung von Spektrometerbefehlen zum Haupttakt des Prozessorspeichers ungünstig beeinträchtigen könnten, können Speicherzugriffe des SAP 20 zum Programm- und Zufallsignalspeicher 24 aus irgendeinem Grunde verzögert werden, beispielsweise Regenerationszyklus oder laufender Zugriff vom Wirt 10.

Der SAP 20 ist z. B. aus Standard-Komponenten realisiert worden, wie Microprogram Control Unit 3001, sechszehn Central Processing Elements 3002 und sechs programmierbaren Festwertspeichern (PROMs) 3624, die alle von der Firma Intel Corp., Santa Clara, California, hergestellt werden. Zusammen mit den notwendigen Taktgebern, Stromversorgungen und bescheidener zusätzlicher Logik wird ein 32-Bit-Prozessor in bekannter Weise implementiert.

In Betrieb nimmt der Wirt-Computer 10 Tastatur-Eingaben vom Experimentator an, in denen das Experiment oder die Kette von Experimenten spezifiziert wird. Diese Eingabe kann einfach Standart-Datenerfassungs-Schablonen von einer Wirtsystembibliothek aufrufen oder ein maßgeschneidertes Erfassungsprogramm oder mehrere solche Programme implementieren. Der Wirt 10 ist für andere Aufgaben verfügbar, wie z. B. die Überwachung von Tastatureingaben zur Modifizierung von Operationen des SAP 20, während der SAP 20 seine Initialisierungsprozeduren ausführt, wozu das Laden des FIFO-Registers 42 A, 42 B gehört. Nach Ausgabe eines START-Befehls wird der Inhalt des FIFO-Registers 42 A, 42 B den Ausgabe-Gattern und -Puffern 44 sequentiell mit solchen Zeitdauern präsentiert, wie sie in jedem Zeitteil jedes Gatterzustandswortes enthalten sind. Nach Initiierung des FIFO-START ist der SAP 20 frei, andere Aufgaben durchzuführen. Nach der anfänglichen Anregungsfolge präsentiert das FIFO-Register 42 A, 42 B zu gehöriger Zeit eine Folge von Gatterzustandswörtern, um die Digitalumwandlung des Zerfallsignals durch den Analog/Digital-Wandler an korrespondierenden, aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zu veranlassen. Wenn eine gegebene Analog/Digital-Wandlung vervollständigt ist, pulst der A/D-Wandler seine Daten zum Eingabe-Interface 32 und sorgt für einen Interrupt des SAP 20 zur Bedienung des A/D-Wandlers. Wie oben erwähnt, ist der SAP 20 nicht dauernd aktiv bei der Formulierung von Gatterzustandswörtern, weil er nur zu gewährleisten braucht, daß das FIFO-Register 42 A, 42 B periodisch wiedergeladen wird. Umwandlungsbefehle zum A/D-Wandler werden in präzise getrennten Zeitintervallen gegeben, die durch den Zeitdauer-Teil des Gatterzustandswortes beherrscht werden, der den Umwandlungsbefehl aufruft. Eine Folge von Umwandlungsbefehlen kann so erzeugt werden, um eine Digitalisierung der Zerfallsignale an gewünschten Abfrageintervallen über eine ausgewählte Spektralbreite zu bewirken, die mit der Speichergröße und anderen Parametern konsistent ist. Beispielsweise ist die maximale Abfragerate durch die Zeit beschränkt, die der A/D-Wandler benötigt, um eine Umwandlung eines Signals maximaler Größe in der gewählten Umwandlungspräzision auszuführen. Dementsprechend ist die Zeitdauer für A/D-Wandler-Umwandlungsgitter immer größer als dieses Minimum. Für einen A/D-Wandler wird z. B. eine Präzision von 13 Bit für einen Abfragewert von ± 10 Volt in 12 Mikrosekunden erreicht; eine Präzision von 7 Bit erforderte 4 Mikrosekunden. Die Abfragewerte sind gewöhnlich in Abständen von größeren Intervallen als diese Grenzen vorgesehen, so daß der SAP 20 in beachtlichem Umfang Gelegenheit hat, den A/D-Wandler rückzusetzen und freizugeben, die laufenden Daten zu verarbeiten, drohenden Überlauf irgendeiner Speicherstelle, die das kumulative Zeitdomänenspektrum enthält, abzuklären, und andere Haushaltsaufgaben durchzuführen, ehe er von der Interrupt-Service-Routine zurückkehrt. Der SAP 20 muß gelegentlich die FIFO-Register 42 A, 42 B wieder laden, um diese Folge aufrechtzuerhalten.

Claims (2)

1. Impuls-NMR-Spektrometer mit einem Digitalrechner zur Steuerung der Anregung der Kernspinresonanz und zur Kontrolle von Datenerfassungsfunktionen des Spektrometers, der neben dem eigentlichen Prozessor einem Speicher mit willkürlichem Zugriff und Einrichtungen zur Steuerung von Spektrometer-Komponenten und -Funktionen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalrechner als Einrichtungen zur Steuerung der Spektrometer-Komponenten und -Funktionen Register zur Aufnahme von Steuerbefehle darstellenden Gatterzustandswörtern und mit den Registern in Verbindung stehende Ausgabe-Gatter und -Puffer (44) aufweist,
daß die Register FIFO-Register (42 A, 42 B) darstellen, die zur Aufnahme einer Folge der Gatterzustandswörter dienen und von einer FIFO-Steuerung (43) gesteuert und überwacht sind,
daß jedes Gatterzustandswort zwei Teile (Bit 31 . . . 16; Bit 15 . . . 0) aufweist, einen ersten Teil (Bit 31 . . . 16), in dem Gatterzustände kodiert sind, und einen zweiten Teil (Bit 15 . . . 0), in dem eine Zeitdauer kodiert ist, die bestimmt, wie lange die jeweiligen Gatterzustände geltend zu machen sind,
daß die Ausgabe-Gatter und -Puffer (44) an den den ersten Teil (Bit 31 . . . 16) des Gatterzustandswertes aufnehmenden Abschnitt (42 A) des FIFO-Registers angeschlossen und ihrerseits mit den zu steuenden Spektrometer-Komponenten verbunden sind, und
daß an den den zweiten Teil (Bit 15 . . . 0) des Gatterzustandswertes aufnehmenden Abschnitt (42 B) des FIFO-Registers ein Zeitgeber (46) angeschlossen ist, der jeweils bei Abschluß der in dem zweiten Teil (Bit 15 . . . 0) kodierten Zeitdauer das FIFO-Register fortschaltet.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Gatterzustandswörter aus 32 Bit besteht.