FPGA在数字式心率计中的威廉希尔官方网站 组成及工作原理

心率计是常用的医学检查设备，实时准确的心率测量在病人监控、临床治疗及体育竞赛等方面都有着广泛的应用。心率测量包括瞬时心率测量和平均心率测量。瞬时心率不仅能够反映心率的快慢。同时能反映心率是否匀齐;平均心率虽只能反映心率的快慢，但记录方便，因此这两个参数在测量时都是必要的。

测量心率有模拟和数字两种方法。模拟方法是在给定的时间间隔内计算R波（或脉搏波）的脉冲个数，然后将脉冲计数乘以一个适当的常数测量心率的。这种方法的缺点是测量误差较大、元件参数调试困难、可靠性差。数字方法是先测量相邻R波之间的时间，再将这个时间转换为每分钟的心跳数测量心率的。这种方法的优点是测量精度高、可靠性好，并且能同时测量瞬时心率和平均心率。用数字方法测量心率的威廉希尔官方网站 又分为两种类型：一种是使用一个可预置的计数器实现现除法威廉希尔官方网站 ;另一种是通过自动下降的时钟频率测量相邻R波之间的时间。

本心率计在数字式心率计的基础上，采用FPGA和VHDL语言实现，减少了元器件使用数量，提高了测量精度和可靠性。该威廉希尔官方网站 能够实时采集并测量人体心跳的瞬时和平均心跳速率，判断并显示心率状态（即心跳是否正常、是否过快或过慢、是否有心率不齐现象）。如果心率过快或过慢或者有心率不齐现象，那么将用不同颜色发光管进行闪烁报警显示。

1 测量方法及威廉希尔官方网站 组成

1.1 测试方法

如上所述，采用数字方法测量瞬时心率（Intantaneous Heart Rate，IHR）时，先测量两相邻R波之间的时间（即心率周期），再将这个心率周期转换为每分钟的心跳数。如图1所示，设心率周期为T秒，则瞬时心率的计算公式为IHR=60/T。如果用频率为f0的时钟脉冲作为测量时间基准，在T秒时间内对时钟脉冲计烽，并设计数值为N，则T=N/f0秒，故瞬时心率的计算公式为IHR=60f0/N。当f0=1kHz时，IHR=60×1000/N=60000/N。

平均心率（Average Heart Rate）的测量是将一定时间内测得的各个瞬时心率求平均值。设测得的瞬时心率为IHR1，IHR2，…，IHRn，则平均心率的计算公式为：

AHR=（IHR1+IHR2+…+IHRn）/n

1.2 威廉希尔官方网站 组成

系统的组成框图如图2所示。按下start开关将启动测量过程，由传感器获得的模拟心电信号（R波或脉搏波）经过放大后加到比较器的一个输入端，与另一个输入端的参考电压进行比较，将心电信号转换为同周期的方波信号，再输入FPGA进行心率测量。

在FPGA中，波形变换威廉希尔官方网站 首先将这个脉冲宽较宽的方波信号进行微分，转换为脉冲宽度等于时钟信号（clk1）一个周期的方波信号，通过周期计数器在心率周期T时间内对时钟信号计数，再根据前面给出的瞬时心率计算公式做除法运算即可得到瞬时心率。瞬时心率通过译码威廉希尔官方网站 转换为七段显示代码后送到FPGA外部的三个LED显示器上进行显示。在一次测量结束时，心率计算模块将测到的各个瞬时心率求平均，得到的平均心率转换为七段显示代码也送到三个LED显示器进行显示。

告警控制模块根据每一个瞬时心率值判断心率是否正常、是否过快或过慢，并根据相邻两个瞬时心率值判断是否有心率不齐现象，分别以英文字母E（正常）、F或S（过快或过慢）及I（心率不齐）的七段显示代码送告警显示威廉希尔官方网站 中的三个LED显示器进行显示，并将这三种心率状态以8Hz的频率送到告警显示威廉希尔官方网站 中颜色分别为绿、红、黄的三个发光二极管进行闪烁报警显示。按下stop开关将结束测量过程，并将平均心率送三个LED显示器进行显示。

系统的主时钟频率为32MHz，送到FPGA中的时钟分频威廉希尔官方网站 产生1kHz和8Hz的时钟频率，分别送到用作波形变换、瞬时心率计算和心率状态显示的波形变换模块、心率计算模块和告警控制模块。系统中的数字威廉希尔官方网站 全部由FPGA芯片实现，外围只有少量的模拟器件，包括比较器、LED和发光二极管显示器、电源威廉希尔官方网站 及晶振威廉希尔官方网站 等，因而系统的体积小、工作稳定、可靠性高。

1.3 告警控制威廉希尔官方网站

告警控制威廉希尔官方网站 的功能是根据心率计算威廉希尔官方网站 得到的瞬时心率值来判断心率的状态：心跳到否正常、是否过快或过慢、是否心率不齐。如果心率处于60～120的范围，则心跳正常;如果心率小于60，则心跳过慢，如果心跳大于120，则心跳过快;如果相邻两次测量的心率值认为心率不齐。这些判断是由一系列比较器完成的，用VHDL语言实现比较简单，这里不再详述。

完成比较判断后，告警控制威廉希尔官方网站 将代表不同心率状态的字母E（正常）、F或S（过快或过慢）及I（心率不齐）的七段显示代码以8Hz的频率分别送到三个LED显示器进行报警显示，同时将不同心率状态信号以8Hz的频率分别送到三个不同颜色的发光二极管进行报警显示。

1.4 时钟分频威廉希尔官方网站

时钟分频威廉希尔官方网站 的功能是将系统提供的主时钟进行分频，提供其它模块威廉希尔官方网站 所需的两个时钟（1kHz和8kHz）。其中，周期计数器的时钟（clk1）决定了周期计数器的位数。当心率测量范围为20～200跳/分钟时，对庆的心率周期T为3～0.3秒。若时钟信号clk1的频率f0=1kHz，则在最低心率（20跳/分钟）时的计数值N=3/10 -3=3000，因此计数器的位数为12位。由下面的性能评价佛标分析可知，更高的时钟频率可扩大心率测量范围并提高测量分辨率，但同时分增加威廉希尔官方网站 的复杂性;而报警控制威廉希尔官方网站 的时钟（clk2）决定了显示闪烁的快慢。在FPGA中，时钟分频威廉希尔官方网站 一般是通过VHDL语言的进程语句由计数器实现的。

2 性能评价指标

心率计数能评价指标主要包括测量误差和分辨率。由表1可知，由于计数值N的边办取值对应于相邻两个心率值的中点，故在20～200跳/分钟范围内测量的每一个显示心率值的误差都为0.5跳/分钟。最大相对误差（用百分比表示）如图5所示。相对误差的最大值发生在最低心率20跳/分钟处，随着心率值的增加，相对误差减小。当心率值大于或等于50跳/分钟时，相对误差小于1%，而当心率值大于100跳/分钟时，相对误差小于0.5%。

另一个性能指标是仪器的分辨率。由瞬时心率IHR=6×10 4/N和表1可知，当周期计数值N较小时，N变化一个单位（增大或减小1）对应瞬时心率变化比较大。因此，高心率处的分辨率较差，而低心率处的分辨率较好。在瞬时心率接近200跳/分钟时，N值很小，分辨率为1跳/分钟;在较低的瞬时心率时，分辨率小于1跳/分钟。

如果将时钟频率提高到8kHz，同时将周期计数器的位数提高到16位，分辨率将会大幅提高。此时，在瞬时心率接近200跳/分钟处，分辨率会小于0.1跳/分钟，而在瞬时心率较低处，分辨率将进一步变好。因此，在20～200跳/分钟的心率范围内，可以0.1跳/分钟的分辨率显示所有心率。不过，将周期计数器从12位提高到16位会增加威廉希尔官方网站 的复杂性。另外，在实际心率测量中，人们习惯1跳/分钟的分辨率，更高的分辨率没有必要。

基于FPGA的数字心率计测量精度高，测量范围宽，在20～200跳/分钟的测试范围内，最大误差为2.5%，而当心率大于50跳/分钟时，误差小于1%，而且它的工作稳定性和可靠性好、功耗低、不需要威廉希尔官方网站 参数校正和灵敏度调节，能够测量瞬时心率和平均心率，并具有心率异常报警功能。因此，与文献中报道的其它心率计相比，具有更好的性能。