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(yī)學檢查設備，實時準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，因此這兩個參數在測量時都是必要的。

　　測量心率有模擬和數字兩種方法。模擬方法是在給定的時間間隔內計算R波(或脈搏波)的脈沖個數，然后將脈沖計數乘以一個適當的常數測量心率的。這種方法的缺點是測量誤差較大、元件參數調試困難、可靠性差。數字方法是先測量相鄰R波之間的時間，再將這個時間轉換為每分鐘的心跳數測量心率的。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置的計數器實現現除法電路;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。

　　本心率計在數字式心率計的基礎上，采用FPGA和VHDL語言實現，減少了元器件使用數量，提高了測量精度和可靠性。該電路能夠實時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、是否有心率不齊現象)。如果心率過快或過慢或者有心率不齊現象，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換為每分鐘的心跳數。如圖1所示，設心率周期為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，在T秒時間內對時鐘脈沖計烽，并設計數值為N，則T=N/f0秒，故瞬時心率的計算公式為IHR=60f0/N。當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測得的各個瞬時心率求平均值。設測得的瞬時心率為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

　　系統的組成框圖如圖2所示。按下start開關將啟動測量過程，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，通過周期計數器在心率周期T時間內對時鐘信號計數，再根據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，并根據相鄰兩個瞬時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開關將結束測量過程，并將平均心率送三個LED顯示器進行顯示。

　　系統的主時鐘頻率為32MHz，送到FPGA中的時鐘分頻電路產生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。系統中的數字電路全部由FPGA芯片實現，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(wěn)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心率值來判斷心率的狀態(tài)：心跳到否正常、是否過快或過慢、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，則心跳過慢，如果心跳大于120，則心跳過快;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語言實現比較簡單，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(過快或過慢)及I(心率不齊)的七段顯示代碼以8Hz的頻率分別送到三個LED顯示器進行報警顯示，同時將不同心率狀態(tài)信號以8Hz的頻率分別送到三個不同顏色的發(fā)光二極管進行報警顯示。

　　1.4 時鐘分頻電路

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

　　2 性能評價指標

　　心率計數能評價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心率值的中點，故在20～200跳/分鐘范圍內測量的每一個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，相對誤差小于1%，而當心率值大于100跳/分鐘時，相對誤差小于0.5%。

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

　　如果將時鐘頻率提高到8kHz，同時將周期計數器的位數提高到16位，分辨率將會大幅提高。此時，在瞬時心率接近200跳/分鐘處，分辨率會小于0.1跳/分鐘，而在瞬時心率較低處，分辨率將進一步變好。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，將周期計數器從12位提高到16位會增加電路的復雜性。另外，在實際心率測量中，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，誤差小于1%，而且它的工作穩(wěn)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(jié)，能夠測量瞬時心率和平均心率，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。