基于FPGA的数字式心率计

摘要：介绍了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字式心率计。该仪器采用FPGA和VHDL语言实现时钟分频、波形变换、心率测量、告警控制及数码转换等功能，能够实时测量瞬时心率和平均心率，并能提供心率异常告警信息。该仪器使用元器件数量少、工作稳定可靠、显示直观，测量范围为20～200跳/分钟，测量误差小于1%。 关键词：心率计 瞬时心率 平均心率 FPGA VHDL语言 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电路又分为两种类型：一种是使用一个可预置的计数器实现现除法电路；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。该电路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 测量方法及电路组成 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%26;#215;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 电路组成 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，波形变换电路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。瞬时心率通过译码电路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电路中的三个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电路中颜色分别为绿、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中的时钟分频电路产生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。系统中的数字电路全部由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、电源电路及晶振电路等，因而系统的体积小、工作稳定、可靠性高。 2 FPGA中各模块的电路组成及工作原理 2．1 波形变换电路 由比较器获得的方波心率脉冲还不能直接用于心率测量，因为脉冲宽度太大。要进行正确的心率测量，必须对这个方波脉冲进行微分，将其宽度调整为一个时钟周期宽。微分电路如图3所示。用VHDL语言编程时，可用一个时钟进程实现这个微分电路。图3中各点波形如图4所示。 2．2 心率计算电路 根据瞬时心率计算公式及图1，瞬时心率的计算应以1kHz的时钟频率作为时间基准，测量相邻两次心跳之间的时间，然后做除法运算。因此，瞬时心率计算电路应包括一个12位的二进制计数器和一个16位的二进制除法电路。平均心率的计算应根据测量结束前最后测得的16次心率值求平均，因此心率计算电路还应包括一个能完成12位二时制数加法的电路和一个能完成12位二进制数除法的电路，这个除法运算可通过移位寄存器右移四次来实现。计数器、加法器和移位寄存器在FPGA中用VHDL语言实现都很容易。下面主要讨论测量的实现方法。 瞬时心率计算公式是一个抛物线函数，分母中计数值N是一个变量，这个除法运算不能通过简单的移位寄存器来实现；而设计16位二进制除法运算电路，无论采用组合电路还是采用时序电路，都将耗费很多的芯片资源。另一方面，人的正常心率为60～120跳/分钟，即使心率出现异常，也不会超过20～200跳/分钟，因此所测量的心率值只有有限个数据。这样，可根据每一个可能出现的心率值，预先求出N的变化范围，制作一张表，存入ROM中。实际测量时，再根据测到的N值，选择相应的心率数据。假设心率的变化范围为20～200，则N的变化范围为3077～300。瞬时心率值IHR与计数值N的关系如表1所示。 表1 瞬时心率值与计数值N的对应关系 IHR N 20 2927 3 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%26;#215;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位会增加电路的复杂性。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、不需要电路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。