摘要：介绍了一种基于现场可编程门阵列（fpga）的数字式心率计。该仪器采用fpga和vhdl语言实现时钟分频、波形变换、心率测量、告警控制及数码转换等功能，能够实时测量瞬时心率和平均心率，并能提供心率异常告警信息。该仪器使用元器件数量少、工作稳定可靠、显示直观，测量范围为20～200跳/分钟，测量误差小于1%。 关键词：心率计 瞬时心率 平均心率 fpga vhdl语言 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 由比较器获得的方波心率脉冲还不能直接用于心率测量，因为脉冲宽度太大。要进行正确的心率测量，必须对这个方波脉冲进行微分，将其宽度调整为一个时钟周期宽。微分电路如图3所示。用vhdl语言编程时，可用一个时钟进程实现这个微分电路。图3中各点波形如图4所示。