数字心率计的FPGA设计与实现

　　1　引言

　　心率是极为重要的生理参数之一,迅速准确测量心率是对现代医疗监测仪器的要求。在心率计设计中,模拟电路采用了具有高灵敏度的CS0073压电 式脉搏传感器来获取脉搏信号,通过对脉搏信号的多级放大、各种滤波、整形等处理,实现了采集脉冲信号的高精度。数字系统采用先进的FPGA技术,并在设计 中实现了优化。

　　应用FPGA技术设计的数字心率计与其它数字心率计相比,其性能有了很大的提高,主要体现两个方面的优势:其一FPGA设计使原来数字心率计电 路板级产品集成为芯片级产品,集成度高,内部程序并行运行,速度快,功耗和成本降低;其二是FPGA技术具有灵活的VHDL软件编程,不但准确描述其数字 逻辑,保证数字系统的一致性和准确性,而且VHDL语言在设计思想及描述方法方面可实现对FPGA的优化设计。在本设计中,对各模块灵活地运用了VHDL 语句,特别是对心率计算模块的VHDL描述方法进行探索和研究,大大节省了FPGA的资源,降低了功耗,实现通过驾御软件语句来控制硬件构成的能力,优化 了电路设计。

　　本文介绍了心率计功能、信号采集处理的模拟电路设计,重点介绍了数字系统的FPGA设计,即在QuartusⅡ软件下,心率计数字系统各部分VHDL模块的功能描述,详细介绍了瞬时心率计算模块的优化设计和仿真,最后给出了系统设计综合仿真的结果。

　　2　心率计的功能描述

　　本设计的心率计功能如下:

　　1)测量显示瞬时心率和平均心率,分别用3位数码管显示。

　　2)测量显示心率是否正常、整齐、快慢并能发出心率非正常报警。

　　用1位数码管显示为心率是否整齐A和b,并配以1个LED报警灯。用1位数码管显示心率过快、心率过慢、心率正常。当瞬时心率低于60跳/分钟 时,数码管显示为S,同时一个LED报警灯点亮;当瞬时心率高于120跳/分钟时,数码管显示为F,同时一个LED报警灯点亮;当瞬时心率在60跳/分钟 和120跳/分钟之间时,报警数码管显示为E,表示心率正常。

　　3)测量的范围为20跳/分钟—200跳/分钟心率在此范围内,最大误差为2·5%,而当心率大于50跳/分钟时,误差小于1%。

　　3　心率计的模拟信号处理电路

　　脉冲心率信号的获得,是数字系统准确测量的基础。采集得到的人体心电信号微弱、易受干扰,如何经过处理,得到明显突出脉冲心率信号是需要解决的难点。设计中以高灵敏度的CS0073压电式传感器采集的脉搏信号,模拟信号处理电路框图如图1所示

　　由传感器采集到的信号先经前置放大电路,该电路选择仪用放大电路,仪用放大电路的优点在于抑制共模信号能力强,放大倍数可调整,且可调范围广, 设计中放大倍数调为51。心率信号频带为0·3Hz—4Hz之间,采集到的信号易受外界干扰,为了得到整齐的心率信号,需要滤除高频带、低频带。低通和高 通滤波电路均采用二阶压控电压源电路形式,电路增益为1,上限截止频率为132·5Hz,下限截止频率为0·15Hz。信号通过带通滤波电路后,高频干扰 波和低频干扰波已基本被滤除,此时信号较为整齐,进行放大倍数为101的中级放大。直流电源一般都是由频率为5OHz的市电变换得到,变换后的电源仍具有 一定的纹波电压,这种纹波会对电路产生一定干扰,因此设计双T陷波电路滤除50Hz工频信号,在双T陷波电路中对电阻和电容的精度要求很高,才能使陷波器 中心对准50Hz处,并在48-52Hz之间衰减最大。考虑到元器件的选择和实际测量中存在误差,设计了末级放大电路。最后将放大滤波后的脉搏信号与设定 的基准　　电压进行比较,得到心率脉冲数字信号。