FPGA在數(shù)字式心率計(jì)中的電路組成及工作原理

心率計(jì)是常用的醫(yī)學(xué)檢查設(shè)備，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的心率測(cè)量在病人監(jiān)控、臨床治療及體育競(jìng)賽等方面都有著廣泛的應(yīng)用。心率測(cè)量包括瞬時(shí)心率測(cè)量和平均心率測(cè)量。瞬時(shí)心率不僅能夠反映心率的快慢。同時(shí)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(gè)參數(shù)在測(cè)量時(shí)都是必要的。

測(cè)量心率有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬方法是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算R波（或脈搏波）的脈沖個(gè)數(shù)，然后將脈沖計(jì)數(shù)乘以一個(gè)適當(dāng)?shù)某?shù)測(cè)量心率的。這種方法的缺點(diǎn)是測(cè)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(cè)量相鄰R波之間的時(shí)間，再將這個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)換為每分鐘的心跳數(shù)測(cè)量心率的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、可靠性好，并且能同時(shí)測(cè)量瞬時(shí)心率和平均心率。用數(shù)字方法測(cè)量心率的電路又分為兩種類型：一種是使用一個(gè)可預(yù)置的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)除法電路；另一種是通過(guò)自動(dòng)下降的時(shí)鐘頻率測(cè)量相鄰R波之間的時(shí)間。

本心率計(jì)在數(shù)字式心率計(jì)的基礎(chǔ)上，采用FPGA和VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，減少了元器件使用數(shù)量，提高了測(cè)量精度和可靠性。該電路能夠?qū)崟r(shí)采集并測(cè)量人體心跳的瞬時(shí)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(guò)快或過(guò)慢、是否有心率不齊現(xiàn)象）。如果心率過(guò)快或過(guò)慢或者有心率不齊現(xiàn)象，那么將用不同顏色發(fā)光管進(jìn)行閃爍報(bào)警顯示。

1 測(cè)量方法及電路組成

1．1 測(cè)試方法

如上所述，采用數(shù)字方法測(cè)量瞬時(shí)心率（Intantaneous Heart Rate,IHR）時(shí)，先測(cè)量?jī)上噜廟波之間的時(shí)間（即心率周期），再將這個(gè)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(shí)心率的計(jì)算公式為IHR=60/T。如果用頻率為f0的時(shí)鐘脈沖作為測(cè)量時(shí)間基準(zhǔn)，在T秒時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)烽，并設(shè)計(jì)數(shù)值為N，則T=N/f0秒，故瞬時(shí)心率的計(jì)算公式為IHR=60f0/N。當(dāng)f0=1kHz時(shí)，IHR=60×1000/N=60000/N。

平均心率（Average Heart Rate）的測(cè)量是將一定時(shí)間內(nèi)測(cè)得的各個(gè)瞬時(shí)心率求平均值。設(shè)測(cè)得的瞬時(shí)心率為IHR1，IHR2，…，IHRn，則平均心率的計(jì)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(dòng)測(cè)量過(guò)程，由傳感器獲得的模擬心電信號(hào)（R波或脈搏波）經(jīng)過(guò)放大后加到比較器的一個(gè)輸入端，與另一個(gè)輸入端的參考電壓進(jìn)行比較，將心電信號(hào)轉(zhuǎn)換為同周期的方波信號(hào)，再輸入FPGA進(jìn)行心率測(cè)量。

在FPGA中，波形變換電路首先將這個(gè)脈沖寬較寬的方波信號(hào)進(jìn)行微分，轉(zhuǎn)換為脈沖寬度等于時(shí)鐘信號(hào)（clk1）一個(gè)周期的方波信號(hào)，通過(guò)周期計(jì)數(shù)器在心率周期T時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)，再根據(jù)前面給出的瞬時(shí)心率計(jì)算公式做除法運(yùn)算即可得到瞬時(shí)心率。瞬時(shí)心率通過(guò)譯碼電路轉(zhuǎn)換為七段顯示代碼后送到FPGA外部的三個(gè)LED顯示器上進(jìn)行顯示。在一次測(cè)量結(jié)束時(shí)，心率計(jì)算模塊將測(cè)到的各個(gè)瞬時(shí)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(gè)LED顯示器進(jìn)行顯示。

告警控制模塊根據(jù)每一個(gè)瞬時(shí)心率值判斷心率是否正常、是否過(guò)快或過(guò)慢，并根據(jù)相鄰兩個(gè)瞬時(shí)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(guò)快或過(guò)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(gè)LED顯示器進(jìn)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(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行閃爍報(bào)警顯示。按下stop開關(guān)將結(jié)束測(cè)量過(guò)程，并將平均心率送三個(gè)LED顯示器進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)的主時(shí)鐘頻率為32MHz，送到FPGA中的時(shí)鐘分頻電路產(chǎn)生1kHz和8Hz的時(shí)鐘頻率，分別送到用作波形變換、瞬時(shí)心率計(jì)算和心率狀態(tài)顯示的波形變換模塊、心率計(jì)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(shí)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。

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(cè)量，因?yàn)槊}沖寬度太大。要進(jìn)行正確的心率測(cè)量，必須對(duì)這個(gè)方波脈沖進(jìn)行微分，將其寬度調(diào)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(xiàn)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(jì)算電路

根據(jù)瞬時(shí)心率計(jì)算公式及圖1，瞬時(shí)心率的計(jì)算應(yīng)以1kHz的時(shí)鐘頻率作為時(shí)間基準(zhǔn)，測(cè)量相鄰兩次心跳之間的時(shí)間，然后做除法運(yùn)算。因此，瞬時(shí)心率計(jì)算電路應(yīng)包括一個(gè)12位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)16位的二進(jìn)制除法電路。平均心率的計(jì)算應(yīng)根據(jù)測(cè)量結(jié)束前最后測(cè)得的16次心率值求平均，因此心率計(jì)算電路還應(yīng)包括一個(gè)能完成12位二時(shí)制數(shù)加法的電路和一個(gè)能完成12位二進(jìn)制數(shù)除法的電路，這個(gè)除法運(yùn)算可通過(guò)移位寄存器右移四次來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)數(shù)器、加法器和移位寄存器在FPGA中用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)都很容易。下面主要討論測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法。

瞬時(shí)心率計(jì)算公式是一個(gè)拋物線函數(shù)，分母中計(jì)數(shù)值N是一個(gè)變量，這個(gè)除法運(yùn)算不能通過(guò)簡(jiǎn)單的移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)；而設(shè)計(jì)16位二進(jìn)制除法運(yùn)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(fèi)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(xiàn)異常，也不會(huì)超過(guò)20～200跳/分鐘，因此所測(cè)量的心率值只有有限個(gè)數(shù)據(jù)。這樣，可根據(jù)每一個(gè)可能出現(xiàn)的心率值，預(yù)先求出N的變化范圍，制作一張表，存入ROM中。實(shí)際測(cè)量時(shí)，再根據(jù)測(cè)到的N值，選擇相應(yīng)的心率數(shù)據(jù)。假設(shè)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(jì)數(shù)值N的關(guān)系如表1所示。

計(jì)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(zhuǎn)換為七段顯示代碼，再送入LED顯示器進(jìn)行數(shù)字顯示。

2．3 告警控制電路

告警控制電路的功能是根據(jù)心率計(jì)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(cè)量的心率值認(rèn)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(xiàn)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(bào)警顯示，同時(shí)將不同心率狀態(tài)信號(hào)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(bào)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(tǒng)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(jì)數(shù)器的時(shí)鐘（clk1）決定了周期計(jì)數(shù)器的位數(shù)。當(dāng)心率測(cè)量范圍為20～200跳/分鐘時(shí)，對(duì)慶的心率周期T為3～0.3秒。若時(shí)鐘信號(hào)clk1的頻率f0=1kHz，則在最低心率（20跳/分鐘）時(shí)的計(jì)數(shù)值N=3/10 -3=3000，因此計(jì)數(shù)器的位數(shù)為12位。由下面的性能評(píng)價(jià)佛標(biāo)分析可知，更高的時(shí)鐘頻率可擴(kuò)大心率測(cè)量范圍并提高測(cè)量分辨率，但同時(shí)分增加電路的復(fù)雜性；而報(bào)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(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的。

3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

心率計(jì)數(shù)能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括測(cè)量誤差和分辨率。由表1可知，由于計(jì)數(shù)值N的邊辦取值對(duì)應(yīng)于相鄰兩個(gè)心率值的中點(diǎn)，故在20～200跳/分鐘范圍內(nèi)測(cè)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(duì)誤差（用百分比表示）如圖5所示。相對(duì)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(duì)誤差減小。當(dāng)心率值大于或等于50跳/分鐘時(shí)，相對(duì)誤差小于1%，而當(dāng)心率值大于100跳/分鐘時(shí)，相對(duì)誤差小于0.5%。

另一個(gè)性能指標(biāo)是儀器的分辨率。由瞬時(shí)心率IHR=6×10 4/N和表1可知，當(dāng)周期計(jì)數(shù)值N較小時(shí)，N變化一個(gè)單位（增大或減小1）對(duì)應(yīng)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(jì)數(shù)器的位數(shù)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(nèi)，可以0.1跳/分鐘的分辨率顯示所有心率。不過(guò)，將周期計(jì)數(shù)器從12位提高到16位會(huì)增加電路的復(fù)雜性。另外，在實(shí)際心率測(cè)量中，人們習(xí)慣1跳/分鐘的分辨率，更高的分辨率沒有必要。

基于FPGA的數(shù)字心率計(jì)測(cè)量精度高，測(cè)量范圍寬，在20～200跳/分鐘的測(cè)試范圍內(nèi)，最大誤差為2.5%，而當(dāng)心率大于50跳/分鐘時(shí)，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(shù)校正和靈敏度調(diào)節(jié)，能夠測(cè)量瞬時(shí)心率和平均心率，并具有心率異常報(bào)警功能。因此，與文獻(xiàn)中報(bào)道的其它心率計(jì)相比，具有更好的性能。