摘要：介紹了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）的數(shù)字式心率計(jì)。該儀器采用fpga和vhdl語言實(shí)現(xiàn)時鐘分頻、波形變換、心率測量、告警控制及數(shù)碼轉(zhuǎn)換等功能，能夠?qū)崟r測量瞬時心率和平均心率，并能提供心率異常告警信息。該儀器使用元器件數(shù)量少、工作穩(wěn)定可靠、顯示直觀，測量范圍為20～200跳/分鐘，測量誤差小于1%。 關(guān)鍵詞：心率計(jì) 瞬時心率 平均心率 fpga vhdl語言 心率計(jì)是常用的醫(yī)學(xué)檢查設(shè)備，實(shí)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(jì)算r波（或脈搏波）的脈沖個數(shù)，然后將脈沖計(jì)數(shù)乘以一個適當(dāng)?shù)某?shù)測量心率的。這種方法的缺點(diǎn)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(diǎn)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(jì)數(shù)器實(shí)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(jì)在數(shù)字式心率計(jì)的基礎(chǔ)上，采用fpga和vhdl語言實(shí)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(jìn)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(jì)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(jì)烽，并設(shè)計(jì)數(shù)值為n，則t=n/f0秒，故瞬時心率的計(jì)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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)數(shù)器在心率周期t時間內(nèi)對時鐘信號計(jì)數(shù)，再根據(jù)前面給出的瞬時心率計(jì)算公式做除法運(yùn)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(jìn)行顯示。在一次測量結(jié)束時，心率計(jì)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(jìn)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(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、黃的三個發(fā)光二極管進(jìn)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(jìn)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(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量，因?yàn)槊}沖寬度太大。要進(jìn)行正確的心率測量，必須對這個方波脈沖進(jìn)行微分，將其寬度調(diào)整為一個時鐘周期寬。微分電路如圖3所示。用vhdl語言編程時，可用一個時鐘進(jìn)程實(shí)現(xiàn)這個微分電路。圖3中各點(diǎn)波形如圖4所示。