FPGA在數字式心率計中的電路組成及工作原理

心率計是常用的醫學(xué)檢查設備，實(shí)時(shí)準確的心率測量在病人監控、臨床治療及體育競賽等方面都有著(zhù)廣泛的應用。心率測量包括瞬時(shí)心率測量和平均心率測量。瞬時(shí)心率不僅能夠反映心率的快慢。同時(shí)能反映心率是否勻齊；平均心率雖只能反映心率的快慢，但記錄方便，因此這兩個(gè)參數在測量時(shí)都是必要的。

測量心率有模擬和數字兩種方法。模擬方法是在給定的時(shí)間間隔內計算R波（或脈搏波）的脈沖個(gè)數，然后將脈沖計數乘以一個(gè)適當的常數測量心率的。這種方法的缺點(diǎn)是測量誤差較大、元件參數調試困難、可靠性差。數字方法是先測量相鄰R波之間的時(shí)間，再將這個(gè)時(shí)間轉換為每分鐘的心跳數測量心率的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、可靠性好，并且能同時(shí)測量瞬時(shí)心率和平均心率。用數字方法測量心率的電路又分為兩種類(lèi)型：一種是使用一個(gè)可預置的計數器實(shí)現現除法電路；另一種是通過(guò)自動(dòng)下降的時(shí)鐘頻率測量相鄰R波之間的時(shí)間。

本心率計在數字式心率計的基礎上，采用FPGA和VHDL語(yǔ)言實(shí)現，減少了元器件使用數量，提高了測量精度和可靠性。該電路能夠實(shí)時(shí)采集并測量人體心跳的瞬時(shí)和平均心跳速率，判斷并顯示心率狀態(tài)（即心跳是否正常、是否過(guò)快或過(guò)慢、是否有心率不齊現象）。如果心率過(guò)快或過(guò)慢或者有心率不齊現象，那么將用不同顏色發(fā)光管進(jìn)行閃爍報警顯示。

1 測量方法及電路組成

1．1 測試方法

如上所述，采用數字方法測量瞬時(shí)心率（Intantaneous Heart Rate,IHR）時(shí)，先測量?jì)上噜廟波之間的時(shí)間（即心率周期），再將這個(gè)心率周期轉換為每分鐘的心跳數。如圖1所示，設心率周期為T(mén)秒，則瞬時(shí)心率的計算公式為IHR=60/T。如果用頻率為f0的時(shí)鐘脈沖作為測量時(shí)間基準，在T秒時(shí)間內對時(shí)鐘脈沖計烽，并設計數值為N，則T=N/f0秒，故瞬時(shí)心率的計算公式為IHR=60f0/N。當f0=1kHz時(shí)，IHR=60×1000/N=60000/N。

平均心率（Average Heart Rate）的測量是將一定時(shí)間內測得的各個(gè)瞬時(shí)心率求平均值。設測得的瞬時(shí)心率為IHR1，IHR2，…，IHRn，則平均心率的計算公式為：

AHR=（IHR1+IHR2+…+IHRn）/n

1.2 電路組成

系統的組成框圖如圖2所示。按下start開(kāi)關(guān)將啟動(dòng)測量過(guò)程，由傳感器獲得的模擬心電信號（R波或脈搏波）經(jīng)過(guò)放大后加到比較器的一個(gè)輸入端，與另一個(gè)輸入端的參考電壓進(jìn)行比較，將心電信號轉換為同周期的方波信號，再輸入FPGA進(jìn)行心率測量。

在FPGA中，波形變換電路首先將這個(gè)脈沖寬較寬的方波信號進(jìn)行微分，轉換為脈沖寬度等于時(shí)鐘信號（clk1）一個(gè)周期的方波信號，通過(guò)周期計數器在心率周期T時(shí)間內對時(shí)鐘信號計數，再根據前面給出的瞬時(shí)心率計算公式做除法運算即可得到瞬時(shí)心率。瞬時(shí)心率通過(guò)譯碼電路轉換為七段顯示代碼后送到FPGA外部的三個(gè)LED顯示器上進(jìn)行顯示。在一次測量結束時(shí)，心率計算模塊將測到的各個(gè)瞬時(shí)心率求平均，得到的平均心率轉換為七段顯示代碼也送到三個(gè)LED顯示器進(jìn)行顯示。

告警控制模塊根據每一個(gè)瞬時(shí)心率值判斷心率是否正常、是否過(guò)快或過(guò)慢，并根據相鄰兩個(gè)瞬時(shí)心率值判斷是否有心率不齊現象，分別以英文字母E（正常）、F或S（過(guò)快或過(guò)慢）及I（心率不齊）的七段顯示代碼送告警顯示電路中的三個(gè)LED顯示器進(jìn)行顯示，并將這三種心率狀態(tài)以8Hz的頻率送到告警顯示電路中顏色分別為綠、紅、黃的三個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行閃爍報警顯示。按下stop開(kāi)關(guān)將結束測量過(guò)程，并將平均心率送三個(gè)LED顯示器進(jìn)行顯示。

系統的主時(shí)鐘頻率為32MHz，送到FPGA中的時(shí)鐘分頻電路產(chǎn)生1kHz和8Hz的時(shí)鐘頻率，分別送到用作波形變換、瞬時(shí)心率計算和心率狀態(tài)顯示的波形變換模塊、心率計算模塊和告警控制模塊。系統中的數字電路全部由FPGA芯片實(shí)現，外圍只有少量的模擬器件，包括比較器、LED和發(fā)光二極管顯示器、電源電路及晶振電路等，因而系統的體積小、工作穩定、可靠性高。