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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（Intantane 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。
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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。
1.3 告警控制电路
告警控制电路的功能是根据心率计算电路得到的瞬时心率值来判断心率的状态：心跳到否正常、是否过快或过慢、是否心率不齐。如果心率处于60～120的范围，则心跳正常;如果心率小于60，则心跳过慢，如果心跳大于120，则心跳过快;如果相邻两次测量的心率值认为心率不齐。这些判断是由一系列比较器完成的，用VHDL语言实现比较简单，这里不再详述。
完成比较判断后，告警控制电路将代表不同心率状态的字母E（正常）、F或S（过快或过慢）及I（心率不齐）的七段显示代码以8Hz的频率分别送到三个LED显示器进行报警显示，同时将不同心率状态信号以8Hz的频率分别送到三个不同颜色的发光二极管进行报警显示。
厦门光沃自动化设备有限公司
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