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。

　　1.3 告警控制電路

　　告警控制電路的功能是根據心率計算電路得到的瞬時(shí)心率值來(lái)判斷心率的狀態(tài)：心跳到否正常、是否過(guò)快或過(guò)慢、是否心率不齊。如果心率處于60～120的范圍，則心跳正常;如果心率小于60，則心跳過(guò)慢，如果心跳大于120，則心跳過(guò)快;如果相鄰兩次測量的心率值認為心率不齊。這些判斷是由一系列比較器完成的，用VHDL語(yǔ)言實(shí)現比較簡(jiǎn)單，這里不再詳述。

　　完成比較判斷后，告警控制電路將代表不同心率狀態(tài)的字母E(正常)、F或S(過(guò)快或過(guò)慢)及I(心率不齊)的七段顯示代碼以8Hz的頻率分別送到三個(gè)LED顯示器進(jìn)行報警顯示，同時(shí)將不同心率狀態(tài)信號以8Hz的頻率分別送到三個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管進(jìn)行報警顯示。

　　1.4 時(shí)鐘分頻電路

　　時(shí)鐘分頻電路的功能是將系統提供的主時(shí)鐘進(jìn)行分頻，提供其它模塊電路所需的兩個(gè)時(shí)鐘(1kHz和8kHz)。其中，周期計數器的時(shí)鐘(clk1)決定了周期計數器的位數。當心率測量范圍為20～200跳/分鐘時(shí)，對慶的心率周期T為3～0.3秒。若時(shí)鐘信號clk1的頻率f0=1kHz，則在最低心率(20跳/分鐘)時(shí)的計數值N=3/10 -3=3000，因此計數器的位數為12位。由下面的性能評價(jià)佛標分析可知，更高的時(shí)鐘頻率可擴大心率測量范圍并提高測量分辨率，但同時(shí)分增加電路的復雜性;而報警控制電路的時(shí)鐘(clk2)決定了顯示閃爍的快慢。在FPGA中，時(shí)鐘分頻電路一般是通過(guò)VHDL語(yǔ)言的進(jìn)程語(yǔ)句由計數器實(shí)現的。

　　2 性能評價(jià)指標

　　心率計數能評價(jià)指標主要包括測量誤差和分辨率。由表1可知，由于計數值N的邊辦取值對應于相鄰兩個(gè)心率值的中點(diǎn)，故在20～200跳/分鐘范圍內測量的每一個(gè)顯示心率值的誤差都為0.5跳/分鐘。最大相對誤差(用百分比表示)如圖5所示。相對誤差的最大值發(fā)生在最低心率20跳/分鐘處，隨著(zhù)心率值的增加，相對誤差減小。當心率值大于或等于50跳/分鐘時(shí)，相對誤差小于1%，而當心率值大于100跳/分鐘時(shí)，相對誤差小于0.5%。

　　另一個(gè)性能指標是儀器的分辨率。由瞬時(shí)心率IHR=6×10 4/N和表1可知，當周期計數值N較小時(shí)，N變化一個(gè)單位(增大或減小1)對應瞬時(shí)心率變化比較大。因此，高心率處的分辨率較差，而低心率處的分辨率較好。在瞬時(shí)心率接近200跳/分鐘時(shí)，N值很小，分辨率為1跳/分鐘;在較低的瞬時(shí)心率時(shí)，分辨率小于1跳/分鐘。

　　如果將時(shí)鐘頻率提高到8kHz，同時(shí)將周期計數器的位數提高到16位，分辨率將會(huì )大幅提高。此時(shí)，在瞬時(shí)心率接近200跳/分鐘處，分辨率會(huì )小于0.1跳/分鐘，而在瞬時(shí)心率較低處，分辨率將進(jìn)一步變好。因此，在20～200跳/分鐘的心率范圍內，可以0.1跳/分鐘的分辨率顯示所有心率。不過(guò)，將周期計數器從12位提高到16位會(huì )增加電路的復雜性。另外，在實(shí)際心率測量中，人們習慣1跳/分鐘的分辨率，更高的分辨率沒(méi)有必要。

　　基于FPGA的數字心率計測量精度高，測量范圍寬，在20～200跳/分鐘的測試范圍內，最大誤差為2.5%，而當心率大于50跳/分鐘時(shí)，誤差小于1%，而且它的工作穩定性和可靠性好、功耗低、不需要電路參數校正和靈敏度調節，能夠測量瞬時(shí)心率和平均心率，并具有心率異常報警功能。因此，與文獻中報道的其它心率計相比，具有更好的性能。