基于FPGA的數字式心率計系統的設計實(shí)現

　　2 FPGA中各模塊的電路組成及工作原理

　　2.1 波形變換電路

　　由比較器獲得的方波心率脈沖還不能直接用于心率測量，因為脈沖寬度太大。要進(jìn)行正確的心率測量，必須對這個(gè)方波脈沖進(jìn)行微分，將其寬度調整為一個(gè)時(shí)鐘周期寬。微分電路如圖3所示。用VHDL語(yǔ)言編程時(shí)，可用一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)程實(shí)現這個(gè)微分電路。圖3中各點(diǎn)波形如圖4所示。

　　2.2 心率計算電路

　　根據瞬時(shí)心率計算公式及圖1，瞬時(shí)心率的計算應以1kHz的時(shí)鐘頻率作為時(shí)間基準，測量相鄰兩次心跳之間的時(shí)間，然后做除法運算。因此，瞬時(shí)心率計算電路應包括一個(gè)12位的二進(jìn)制計數器和一個(gè)16位的二進(jìn)制除法電路。平均心率的計算應根據測量結束前最后測得的16次心率值求平均，因此心率計算電路還應包括一個(gè)能完成12位二時(shí)制數加法的電路和一個(gè)能完成12位二進(jìn)制數除法的電路，這個(gè)除法運算可通過(guò)移位寄存器右移四次來(lái)實(shí)現。計數器、加法器和移位寄存器在FPGA中用VHDL語(yǔ)言實(shí)現都很容易。下面主要討論測量的實(shí)現方法。

　　瞬時(shí)心率計算公式是一個(gè)拋物線(xiàn)函數，分母中計數值N是一個(gè)變量，這個(gè)除法運算不能通過(guò)簡(jiǎn)單的移位寄存器來(lái)實(shí)現;而設計16位二進(jìn)制除法運算電路，無(wú)論采用組合電路還是采用時(shí)序電路，都將耗費很多的芯片資源。另一方面，人的正常心率為60～120跳/分鐘，即使心率出現異常，也不會(huì )超過(guò)20～200跳/分鐘，因此所測量的心率值只有有限個(gè)數據。這樣，可根據每一個(gè)可能出現的心率值，預先求出N的變化范圍，制作一張表，存入ROM中。實(shí)際測量時(shí)，再根據測到的N值，選擇相應的心率數據。假設心率的變化范圍為20～200，則N的變化范圍為3077～300。瞬時(shí)心率值IHR與計數值N的關(guān)系如表1所示。

　　心率計算電路除了完成上述功能外，還要將瞬時(shí)心率值和平均心率值轉換為七段顯示代碼，再送入LED顯示器進(jìn)行數字顯示。

　　2.3 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。

　　2.4 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。

　　3 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。