FPGA在數(shù)字式心率計中的電路組成及工作原理

心率計是常用的醫(yī)學(xué)檢查設(shè)備，實時準(zhǔn)確的心率測量在病人監(jiān)控、臨床治療及體育競賽等方面都有著廣泛的應(yīng)用。心率測量包括瞬時心率測量和平均心率測量。瞬時心率不僅能夠反映心率的快慢。同時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，因此這兩個參數(shù)在測量時都是必要的。

測量心率有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬方法是在給定的時間間隔內(nèi)計算R波（或脈搏波）的脈沖個數(shù)，然后將脈沖計數(shù)乘以一個適當(dāng)?shù)某?shù)測量心率的。這種方法的缺點是測量誤差較大、元件參數(shù)調(diào)試?yán)щy、可靠性差。數(shù)字方法是先測量相鄰R波之間的時間，再將這個時間轉(zhuǎn)換為每分鐘的心跳數(shù)測量心率的。這種方法的優(yōu)點是測量精度高、可靠性好，并且能同時測量瞬時心率和平均心率。用數(shù)字方法測量心率的電路又分為兩種類型：一種是使用一個可預(yù)置的計數(shù)器實現(xiàn)現(xiàn)除法電路；另一種是通過自動下降的時鐘頻率測量相鄰R波之間的時間。

本心率計在數(shù)字式心率計的基礎(chǔ)上，采用FPGA和VHDL語言實現(xiàn)，減少了元器件使用數(shù)量，提高了測量精度和可靠性。該電路能夠?qū)崟r采集并測量人體心跳的瞬時和平均心跳速率，判斷并顯示心率狀態(tài)（即心跳是否正常、是否過快或過慢、是否有心率不齊現(xiàn)象）。如果心率過快或過慢或者有心率不齊現(xiàn)象，那么將用不同顏色發(fā)光管進行閃爍報警顯示。

1 測量方法及電路組成

1．1 測試方法

如上所述，采用數(shù)字方法測量瞬時心率（Intantaneous Heart Rate,IHR）時，先測量兩相鄰R波之間的時間（即心率周期），再將這個心率周期轉(zhuǎn)換為每分鐘的心跳數(shù)。如圖1所示，設(shè)心率周期為T秒，則瞬時心率的計算公式為IHR=60/T。如果用頻率為f0的時鐘脈沖作為測量時間基準(zhǔn)，在T秒時間內(nèi)對時鐘脈沖計烽，并設(shè)計數(shù)值為N，則T=N/f0秒，故瞬時心率的計算公式為IHR=60f0/N。當(dāng)f0=1kHz時，IHR=60×1000/N=60000/N。

平均心率（Average Heart Rate）的測量是將一定時間內(nèi)測得的各個瞬時心率求平均值。設(shè)測得的瞬時心率為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(tǒng)的組成框圖如圖2所示。按下start開關(guān)將啟動測量過程，由傳感器獲得的模擬心電信號（R波或脈搏波）經(jīng)過放大后加到比較器的一個輸入端，與另一個輸入端的參考電壓進行比較，將心電信號轉(zhuǎn)換為同周期的方波信號，再輸入FPGA進行心率測量。

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

告警控制模塊根據(jù)每一個瞬時心率值判斷心率是否正常、是否過快或過慢，并根據(jù)相鄰兩個瞬時心率值判斷是否有心率不齊現(xiàn)象，分別以英文字母E（正常）、F或S（過快或過慢）及I（心率不齊）的七段顯示代碼送告警顯示電路中的三個LED顯示器進行顯示，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、黃的三個發(fā)光二極管進行閃爍報警顯示。按下stop開關(guān)將結(jié)束測量過程，并將平均心率送三個LED顯示器進行顯示。

系統(tǒng)的主時鐘頻率為32MHz，送到FPGA中的時鐘分頻電路產(chǎn)生1kHz和8Hz的時鐘頻率，分別送到用作波形變換、瞬時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(tǒng)中的數(shù)字電路全部由FPGA芯片實現(xiàn)，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(tǒng)的體積小、工作穩(wěn)定、可靠性高。