心率計是常用的醫(yī)學檢查設備，實時準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^[1]。
　　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計算R波(或脈搏波)的脈沖個數(shù)，然后將脈沖計數(shù)乘以一個適當?shù)某?shù)測量心率的。這種方法的缺點是測量誤差較大、元件參數(shù)調試困難、可靠性差。數(shù)字方法是先測量兩相鄰R波之間的時間，再將這個時間轉換為每分鐘的心跳數(shù)測量心率的。這種方法的優(yōu)點是測量精度高、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可分為兩種類型：一種是使用一個可預置的計數(shù)器實現(xiàn)除法電路；另一種是通過自動下降的時鐘頻率" title="時鐘頻率">時鐘頻率測量相鄰R波之間的時間^[2～7]。
　　本心率計在數(shù)字式心率計的基礎上，采用FPGA和VHDL語言實現(xiàn)^[8]，減少了元器件使用數(shù)量，提高了測量精度和可靠性。該電路能夠實時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)光管進行閃爍報警顯示。
1 測量方法及電路組成
1.1 測量方法
　　如上所述，采用數(shù)字方法測量瞬時心率(Instantaneous 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換為每分鐘的心跳數(shù)。如圖1所示，設心率周期為T秒，則瞬時心率的計算公式為IHR=60/T。如果用頻率為f₀的時鐘脈沖作為測量時間基準，在T秒時間內對時鐘脈沖計數(shù)，并設計數(shù)值為N，則T=N/f₀秒，故瞬時心率的計算公式為IHR=60f₀/N。當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測得的各個瞬時心率求平均值。設測得的瞬時心率為IHR₁，IHR₂，…，IHR_n，則平均心率的計算公式為:
　　AHR=(IHR₁+IHR₂+…+IHR_n)/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行比較，將心電信號轉換為同周期的方波信號，再輸入FPGA進行心率測量。

　　在FPGA中，波形變換電路首先將這個脈沖寬度較寬的方波信號進行微分，轉換為脈沖寬度等于時鐘信號(clk1)一個周期的方波信號，通過周期計數(shù)器在心率周期T時間內對時鐘信號計數(shù)，再根據(jù)前面給出的瞬時心率計算公式做除法運算即可得到瞬時心率。瞬時心率通過譯碼電路轉換為七段" title="七段">七段顯示代碼后送到FPGA外部的三個LED顯示器上進行顯示。在一次測量結束時，心率計算模塊將測到的各個瞬時心率求平均，得到的平均心率轉換為七段顯示代碼也送到三個LED顯示器進行顯示。
　　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)光二極管進行閃爍報警顯示。按下stop開關將結束測量過程，并將平均心率送三個LED顯示器進行顯示。
　　系統(tǒng)的主時鐘頻率為32MHz，送到FPGA中的時鐘分頻電路產生1kHz和8Hz的時鐘頻率，分別送到用作波形變換、瞬時心率計算和心率狀態(tài)顯示的波形變換模塊、心率計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，因為脈沖寬度太大。要進行正確的心率測量，必須對這個方波脈沖進行微分，將其寬度調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，可用一個時鐘進程實現(xiàn)這個微分電路。圖3中各點波形如圖4所示。
2.2 心率計算電路
　　根據(jù)瞬時心率計算公式及圖1，瞬時心率的計算應以1kHz的時鐘頻率作為時間基準，測量相鄰兩次心跳之間的時間，然后做除法運算。因此，瞬時心率計算電路應包括一個12位的二進制計數(shù)器和一個16位的二進制除法電路。平均心率的計算應根據(jù)測量結束前最后測得的16次心率值求平均，因此心率計算電路還應包括一個能完成12位二進制數(shù)加法的電路和一個能完成12位二進制數(shù)除法的電路，這個除法運算可通過移位寄存器右移四次來實現(xiàn)。計數(shù)器、加法器和移位寄存器在FPGA中用VHDL語言實現(xiàn)都很容易。下面主要討論測量瞬時心率的除法運算的實現(xiàn)方法。

　　瞬時心率計算公式是一個拋物線函數(shù)，分母中計數(shù)值N是一個變量，這個除法運算不能通過簡單的移位寄存器來實現(xiàn)；而設計16位二進制除法運算電路，無論采用組合電路還是采用時序電路，都將耗費很多的芯片資源。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，也不會超過20～200跳/分鐘的范圍，因此所測量的心率值只有有限個數(shù)據(jù)。這樣，可根據(jù)每一個可能出現(xiàn)的心率值，預先求出N的變化范圍，制作一張表，存入ROM中。實際測量時，再根據(jù)測到的N值，選擇相應的心率數(shù)據(jù)。假設心率的變化范圍為20～200，則N的變化范圍為3077～300。瞬時心率值IHR與計數(shù)值N的關系如表1所示。

　　心率計算電路除了完成上述功能外，還要將瞬時心率值和平均心率值轉換為七段顯示代碼，再送入LED顯示器進行數(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)心率計算電路得到的瞬時心率值來判斷心率的狀態(tài)：心跳是否正常、是否過快或過慢、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，則心跳過慢，如果心跳大于120，則心跳過快；如果相鄰兩次測量的心率值不同并相差5跳/分鐘(應根據(jù)醫(yī)學定義作相應調整)，則認為心率不齊。這些判斷是由一系列比較器完成的，用VHDL語言實現(xiàn)比較簡單，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(過快或過慢)及I(心率不齊)的七段顯示代碼以8Hz的頻率分別送到三個LED顯示器進行報警顯示，同時將不同心率狀態(tài)信號以8Hz的頻率分別送到三個不同顏色的發(fā)光二極管進行報警顯示。

2.4 時鐘分頻電路
　　時鐘分頻電路的功能是將系統(tǒng)提供的主時鐘進行分頻，提供其它模塊電路所需的兩個時鐘(1kHz和8Hz)。其中，周期計數(shù)器的時鐘(clk1)決定了周期計數(shù)器的位數(shù)。當心率測量范圍為20～200跳/分鐘時，對應的心率周期T為3～0.3秒。若時鐘信號clk1的頻率f₀=1kHz，則在最低心率(20跳/分鐘)時的計數(shù)值N=3/10^-3=3000，因此計數(shù)器的位數(shù)為12位。由下面的性能評價指標分析可知，更高的時鐘頻率可擴大心率測量范圍并提高測量分辨率，但同時會增加電路的復雜性；而報警控制電路的時鐘(clk2)決定了顯示閃爍的快慢。在FPGA中，時鐘分頻電路一般是通過VHDL語言的進程語句由計數(shù)器實現(xiàn)的。
3 性能評價指標
　　心率計性能評價指標主要包括測量誤差和分辨率。由表1可知，由于計數(shù)值N的邊界取值對應于相鄰兩個心率值的中點，故在20～200跳/分鐘范圍內測量的每一個顯示心率值的誤差都為0.5跳/分鐘。最大相對誤差" title="相對誤差">相對誤差(用百分比表示)如圖5所示。相對誤差的最大值發(fā)生在最低心率20跳/分鐘處，隨著心率值的增加，相對誤差減小。當心率值大于或等于50跳/分鐘時，相對誤差小于1％，而當心率值大于100跳/分鐘時，相對誤差小于0.5％。