Entwicklung eines FPGA-basierten digitalen Regelkreises für NMR-, MRT- und EPR-Systeme
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Vortrag zur Masterarbeit von Leonie Siebel zum Thema: Entwicklung eines FPGA-basierten digitalen Regelkreises für NMR-, MRT- und EPR-Systeme
Gradientenverstärker sind ein wichtiger Bestandteil verschiedener Anwendungen, die auf dem Prinzip der Magnetresonanz basieren. Sie werden für eine punktgenaue Lokalisierung der Resonanz eingesetzt. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde eine FPGA basierte digitale Regelung für Gradienten- und Shim-Leistungsverstärker von NMR, MRT und EPR Systemen entwickelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen die derzeitige analoge Regelung hin zu einer energieeffizienten, kleinen und leichten digitalen Regelung weiterzuentwickeln.
Es wurde ein Simulink-basierter FPGA-Entwurfsablauf verwendet, bei dem große Teile des HDL-Codes automatisiert aus einem Simulink-Modell generiert wurden. Dies ermöglichte schnell zu einer Implementierung und ersten Tests in Hardware zu gelangen. Das genannte Simulink Modell enthielt dabei nicht nur den FPGA-Teil, sondern das gesamte System des Regelkreises. Dieses wurde so realistisch wie möglich nachmodelliert, sodass hiermit das System bereits in der Simulation ausgiebig getestet werden konnte.
Beim Design der Regelung wurde eine kaskadierte Schleife verwendet, in der sowohl der Ausgangsstrom als auch die Ausgangsspannung rückgekoppelt wurden, um besonders schnell und präzise auf mögliche Abweichungen des Ausgangs vom Zielsignal reagieren zu können. Eine Herausforderung war hierbei die Schnittstelle zwischen den Reglern im FPGA und dem Leistungsverstärker. Aufgrund einer Pulsweiten-Modellierung des Steuersignals wurde hier bei der Signalübertragung eine sehr hohe zeitliche Auflösung benötigt. Durch den Einsatz eines Delta-Sigma-Modulators konnte die Auflösung bei gleichbleibendem SNR verringert werden. Danach wurde ein Serialisierer verwendet, der die mögliche Übertragungsgeschwindigkeit noch um einen Faktor von acht erhöhte. Für die Entwicklung und die Messungen in Hardware wurde ein ZedBoard verwendet. Am Ende der Arbeit wurde dann eine kostengünstige Realisierung mit einem FPGA der Artix-Serie vorgestellt, die alle Anforderungen der digitalen Regelung erfüllt und hervorragend für den Einsatz in der Anwendung des Gradientenverstärkers geeignet ist.
Vortragssprache: Deutsch
Lecture to the master thesis from Leonie Siebel on the Topic : Development of an FPGA-based digital control loop for NMR, MRI and EPR systems
Gradient amplifiers are an important part of various applications based on the principle of magnetic resonance. They are used for accurate localization of the resonance. In this master thesis an FPGA based digital control for gradient and shim power amplifiers of NMR, MRI and EPR systems was developed. The results of this study help to evolve the current analog control towards an energy efficient, small and lightweight digital one.
A Simulink-based FPGA design flow was used, where large portions of the HDL code were generated automatically from a Simulink model. This allowed to quickly move to an implementation and first tests in hardware. The mentioned Simulink model contained not only the FPGA part, but the whole system of the control loop. This was modeled as realistically as possible so that the system could already be extensively tested in the simulation. The design of the control used a cascaded loop in which both the output current and the output voltage were fed back in order to be able to react particularly quickly and precisely to possible deviations of the output from the target signal. One crucial point here was the interface between the controllers in the FPGA and the power amplifier. Due to a pulse width modeling of the control signal, a very high temporal resolution was required during signal transmission. By using a delta sigma modulator, the resolution could be decreased while still maintaining the SNR. After that, a serializer was used, which increased the possible transmission speed by a factor of eight.
For the development and the measurements in hardware a ZedBoard was used. At the end of the thesis, a cost-efficient realization with an FPGA of the Artix series was then presented, which fulfills all requirements of the digital control and is well suited for the application in the gradient amplifier.
Lecture language: German