周庆芳

　　(曲靖师范学院 教育技术研究所，云南曲靖市 655011)

　　关键词:心率检测仪,瞬时心率,EDA,FPGA,VHDL语言

　　1 引言

　　随着我国国民生活水平的不断提高，我们的医疗保健体系也不断的完善，各种检测人体生理指标的仪器也走进了千家万户。数字人体心率监测仪能有效的预防疾病，具有重要意义[1]。本设计以QuartusII软件为设计平台，采用VHDL硬件语言进行设计。系统主要分成5个模块：100倍频模块、测量时序控制模块、锁存模块、清零模块、计数模块。经仿真验证该心率检测仪能够实现检测功能，具有广泛的市场应用前景[2]。

　　2 人体心率检测仪主要原理

　　心率是人体重要的生命体征，正常人的心脏搏动速率约为60-80次/分，当人体处在高强度的体力劳动或大运动量的活动中以及受到意外刺激时，心率可发生急剧变化[3]。快速测心率计能实现在0.6秒内推算出人体心率，其测量原理是将传感器送来的，且经过放大整形的信号先做100倍频处理，再控制计数器在0.6秒的时间内对脉冲记数，再加以锁存，显示。

　　VHDL设计主要完成对已经过放大整形的信号的处理。系统主要分成5个模块：

　　100倍频模块、测量时序控制模块、锁存模块、清零模块、计数模块。系统框架图如图1所示。

　　心率是指一分钟内心脏跳动的次数。设心率每分钟n次，则其频率为:f=n/60(hz)。为了实现快速测量心率，可设法先对心率信号进行100倍频处理，则100倍频后的心率为: f100=100n/60(Hz)。然后设计一个计数电路，对倍频后的心率信号进行计数，当控制计数时间为0.6秒时，则0.6秒内的计数为：计数值=(100n/60)*0.6=n，该计数值即为所需测定的心率。

　　3 数字人体心率检测仪的设计

　　3.1 硬件模块的选择

　　1.传感器:用于实现脉搏信号的拾取，可使用压电陶瓷片作为脉搏传感器，所取得的微弱电压信号经放大整形后，得到矩形脉搏信号并送入倍频电路。检测心率脉冲信号的传感器采用压电陶瓷(在压电陶瓷片上安装一海绵垫以传递脉冲信号);将采集到的心率信号经过由CD4069的3个非门组成3级放大电路进行放大，然后通过由R4、R5、C5 及R7、R8、C6构成的2级梯形滤波电路进行滤波处理，即可获得人体心率范围的信号(约在0. 66 Hz～3. 33 Hz之间) ;再通过由二极管D1、D2和R6构成的检测电路以及由U1F、U1D、U1E这3个非门构成的整形电路处理后,就可得到单片机所需要的标准的0～5V脉冲信号。

　　2.声光报警系统:心率参数上、下限：一般正常成人的心率值约为60-80次/分;婴儿等未成年人的心率较高，一般也不超过100次/分，对于长期从事体力劳动和坚持体育锻炼者，心率可低于60次/分，但一般不少于50次/分;因此，心率报警的下限值选择45次/分为宜;报警上限值设为120次/分为宜。

　　3.2 系统顶层电路设计

　　beiping3模块(100倍频模块)：MF输入1KHz脉冲;2NF输入200Hz的脉冲; Fin输入经过整形后的脉搏信号。

　　Reg12模块(锁存模块)：对计数模块送出的计数结果进行锁存。

　　MB_CTRL1模块(脉搏测控模块)：控制锁存模块和计数模块协调工作。Clk1KHZ端口需输入1000Hz的脉冲信号;LOAD为送出的锁存信号;RST_CNT为送给计数器的清0信号;CNT_EN送给计数模块控制计数的使能信号。

　　CNT3D(3位十进制计数器模块)：实现对经过100倍频的脉搏信号进行计数。CLK为要计数信号的输入端口;RST为计数清零信号输入端口;EN为计数使能输入端口。q1、q2、q3为计数结果输出端口。

　　MB_DIS(心率数据显示控制模块)：实现对锁存器输出dout[12..8]、dout[7..4]、dout[3..0]的心率数据进行4-7译码，并通过数码管位选信号bt来选择要显示数据的数码管，将经过译码的7段数码管数据送出。

　　4 小结

　　本文基于FPGA设计了一款数字心率计，该心率计系统主要分成5个模块：100倍频模块、测量时序控制模块、锁存模块、清零模块、计数模块。心率计将传感器送来的，且经过放大整形的信号先做100倍频处理，再控制计数器在0.6秒的时间内对脉冲记数，再加以锁存，显示。经仿真验证该心率检测仪能够实现检测功能，具有广泛的市场应用前景。此外，该心率计还可以进行扩展，如体温测量等功能，进一步完善。

　　参考文献：

　　[1] 潘松.CPLD/FPGA在电子设计中的应用前景[J]，电子技术应用，1999(7),98-114

　　[2] 徐志军，徐光辉. CPLD/FPGA的开发与应用[M]. 北京:电子工业出版社，2002，33-45

　　[3]佚名.基于FPGA的数字式心率计[EB/OL] http://www.61163.com/exposition_show.asp?id=22670