基于FPGA的数字式心率计的设计实现

2010-09-27 19:32:10来源: 嵌入式在线

  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=60×1000/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

  

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关键字:VHDL  FPGA  数字式  心率计  设计

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2010/0927/article_1530.html
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