数字心率计的FPGA设计与实现
项目8 基于FPGA的数字频率计的设计
系统的外部输入信号为系统工作所需的时钟信号、工作模式选 择信号、时间设置信号，系统输出外接设备为报时的蜂鸣器和用于 时间显示的6位数码管显示器。其中设置的功能键为:(1) mode按键。 此按键为功能模式选择按键，用于系统计时模式、校准模式、清零 复位功能设置。(2) set按键。在系统校准模式下手工进行小时、分 钟的调整，每按一次使小时计数器或者分钟计数器加1，在复位模 式下用于清零确认。(3)报时按键。用于发出整点报时音。系统采用 6位共阴极LED数码管作为显示装置，分别显示小时、分钟和秒。
图8-4 RAM电路的基本结构
①存储矩阵 存储矩阵由许多存储单元排列成行列矩阵结构，每个存储单元 存储1位二进制数据（0或1）。存储器以字为单位组织内部结构，1 个字含有若干个存储单元。1个字中所含的位数称为字长。在实际 应用中，常以字数和字长的乘积表示存储器的容量，存储器的容量 越大，意味着存储器存储的数据越多。 例如，一个容量为256×4(256个字，每字4位)的存储器，有 1024个存储单元，这些单元可以排成32行×32列的矩阵形式，如 图8-5所示。图中每行有32个存储单元，每4列存储单元连接在相同 的列地址译码线上，组成一个字列，由此看出每行可存储8个字， 每个字列可存储32个字。每根行地址选择线选中一行，每根列地址 选择线选中一个字列。因此，图示阵列有32根行地址选择线和8根 列地址选择线 。
③输入／输出控制电路
输入／输出控制电路用来控制存储器内部数据与外部进行交换 的过程。图8-6给出了一个简单的输入／输出控制电路。为了便于 控制，电路不仅有读/写控制信号 ，还有片选控制信号 。 当片选信号有效时，芯片被选中，可以进行读/写操作，否则芯片不 工作，内部数据线与端口引脚隔离。片选信号仅解决芯片是否工作 的的问题，而芯片的读/写操作则由读/写控制信号 决定。
基于FPGA的便携式心电监护系统设计
基于FPGA的便携式心电监护系统设计随着现代医疗技术的不断发展，心电监护系统在临床医学中发挥着重要的作用。
然而，传统的心电监护系统存在着体积大、使用不便携等问题，限制了其在移动医疗领域的应用。
为了解决这些问题，基于FPGA的便携式心电监护系统应运而生。
基于FPGA（现场可编程门阵列）的便携式心电监护系统设计，主要通过集成电路和相关软件实现对心电信号的采集、处理和分析。
首先，系统使用传感器将患者的心电信号转换为电信号，然后通过FPGA芯片进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号。
接下来，系统通过数字信号处理算法对心电信号进行滤波、放大、去噪等处理，提高信号的质量和准确性。
最后，系统将处理后的心电信号通过显示屏或无线传输技术展示给医生或患者，实现实时监护和数据传输。
相比传统的心电监护系统，基于FPGA的便携式系统具有以下优点。
首先，该系统采用FPGA芯片作为核心处理器，具有较高的计算能力和实时性，在保证系统性能的同时，大大减小了体积和重量，便于患者携带和医生操作。
其次，系统具有较低的功耗和较长的续航时间，不需要频繁更换电池，减少了使用成本和维护困难。
此外，基于FPGA的系统还具有较高的可靠性和稳定性，能够满足临床医学对实时性和准确性的要求。
基于FPGA的便携式心电监护系统在移动医疗领域具有广阔的应用前景。
首先，该系统可以应用于急救现场，及时监护患者的心电变化，为医生提供准确的诊断依据。
其次，系统还可以应用于家庭医疗，患者可以随时随地进行心电监测，并及时与医生进行沟通和咨询。
此外，该系统还可以应用于长期护理机构、体育训练等领域，为不同人群提供个性化的心电监护服务。
总之，基于FPGA的便携式心电监护系统的设计和应用，为移动医疗领域带来了新的突破。
该系统不仅具有较小的体积和重量，方便携带和操作，还具有较高的计算能力和实时性，满足临床医学的需求。
相信随着技术的进一步发展，基于FPGA的便携式心电监护系统将发挥更大的作用，为人们的健康保驾护航。
数字心率计的FPGA设计与实现
收稿日期:2009-08-06 修回日期:2009-12-11第27卷 第8期计 算 机 仿 真2010年8月文章编号:1006-9348(2010)08-0363-05数字心率计的FPGA 设计与实现付 扬,李 静(北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048)摘要:数字心率计的测量准确度和性价比是衡量其性能的重要指标,为提高其性能指标,首先设计了高精度的模拟电路,抑制了心率信号采集处理过程中的干扰,得到了明显突出的脉冲心率信号。
然后重点设计了基于先进FPGA 技术的数字系统,设计中采用了有效方法,解决了瞬时心率计算如何节省FPGA 资源的难题,实现了FPGA 优化设计。
通过对心率计的综合仿真,验证了系统设计的有效性和可行性,成功地用到了FPGA 芯片中。
心率计的设计实现了瞬时心率、平均心率的测量。
经仿真证明,各种心率状态显示和报警等。
为数字心率计FPGA 的设计提供了技术依据,降低了成本和功耗,具有高性价比,符合功能要求。
关键词:仿真;心率计;瞬时心率;平均心率;现场可编程门阵列;硬件描述语言中图分类号:TN47 文献标识码:BFPGA D esi gn and I m ple m entation of D i gital H eart -rate M eterF U Yang ,LI Jing(Co llege o f In f o r m ati on Eng ineer i ng,Beiji ng T echno logy and Bus i ness U niversity ,Be ijing 100048,Ch i na)AB STRACT :In o rder to i m prove the m easurem ent accuracy and co st perfor m ance rati o of dig ital heart-ra te m eter ,firstl y,h i gh-prec i s i on ana l og circu it i s desi gned to obta i n the heart rate pulse signa l by i nhi b iti ng t he si gnal i nterfer ence i n the acqu isiti on and processi ng .A nd t hen d i g ital sy stem is desi gned w ith e m phasis based on advanced FPGA techno logy .T he e ffecti v e w ay is stud i ed for the instantaneous heart rate ca l culation to solve the prob l em o f FPGA re sources sav i ng ,and opti m a l desi gn o f the FPGA i s achieved .F i na lly ,co m prehensi v e s i m u l a tion de m onstrates t he ef fecti veness and feas i bility of t he design .It i s s uccessfull y down l oaded to FPGA chip .The heart-ra te m eter ach i eves the m easurement and dig ital sho w o f i nstantaneous and average heart rate ,variety status d i sp l ay and a l a r m functi ons o f hea rt rate .T he FPGA desi gn of d i g ita l hea rt-ra te m e ter i s techno l ogy advanced ,m eas u re m ent is accuracy,the co st and pow er consu m pti on i s reduced and cost perfor m ance ratio i s h i gh .K EYWORDS :S i m u l a tion ;H eart-ra te m ete r ;Instantaneous heart ra te ;A verage heart ra te ;F ield progra mm able gate array(FPGA );H ard w are descr i ption language(VHDL );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。
基于fpga控制的数字频率计设计(含程序、仿真图)大学毕设论文
目录1 引言 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 课题意义 (2)1.3 国内外现状及发展趋势 (2)1.4 系统开发环境及技术分析 (3)1.4.1 FPGA开发简介 (3)1.4.2 VHDL特点及设计方法 (5)2 需求分析 (7)2.1 系统基本要求 (7)2.2 系统结构 (7)3 系统设计 (8)3.1 总体方案比较 (8)3.2 程序流程图 (10)3.3 系统模块设计 (11)3.3.1 整形电路 (11)3.3.2 计数器 (12)3.3.3分频器 (14)3.3.4锁存器 (16)3.3.5控制器 (19)3.3.6 显示器 (22)4 系统仿真及测试 (23)结论 (29)致谢 (30)参考文献 (31)附录1 (32)附录2 (35)1 引言1.1 课题背景进入信息时代以来，微电子技术和计算机技术飞速发展, 各种电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化, 特别是DSP技术诞生以后，电子测量技术更是迈进了一个全新的时代[1]。
近年来，DSP逐渐成为各种电子器件的基础器件，逐渐成为21世纪最具发展潜力的朝阳行业，甚至被誉为信息化数字化时代革命旗手。
在电子技术领域内，频率是一个最基本的参数，频率与其它许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系。
如时间，速度等都涉及到或本身可转化为频率的测量。
因此，频率的测量就显得更为重要。
而且，目前在电子测量中，频率的测量精确度是最高的.现在市场上有各种多功能，高精度，高频率的数字频率计，但价格不菲。
而在实际工程中，不是对所有信号的频率测量都要求达到非常高的精度。
因此，本文提出了一种能满足一般测量精度要求，但成本低廉的数字频率计的设计方案。
在电子工程中、资源勘探、仪器仪表等相关应用中，频率计是工程技术人员必不可少的测量工具。
数字频率计是计算机，通信设备，音频视频等科研生产领域不可缺少的车辆仪器，采用VHDL语言编程设计实现的数字频率计，除被测信号的整形部分，键输入部分和数码显示部分以外其余全在一片FPGA芯片上实现，整个设计过程变得十分透明，快捷和方便，特别是对于各层次电路系统的工作时序的了解显得尤为准确而且具有灵活的现场可更改性。
基于FPGA的心电信号处理研究与实现
研究生签名： 导 师签名：
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2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第一章 绪论
１．１ 课题背景 当前，心血管疾病仍是威胁人类健康和生命安全的主要疾病之一。据不完全统计，目 前我国有上亿的人患有不同程度的高血压病，每年死于心血管疾病的人数高达几十万，并 且，随着我国老龄化人口的加剧，还有逐年上升的趋势。因此，对于一个拥有 13 亿人口 的国家来说，设计出物美价廉的心电监护产品具有重大的现实意义。自 1906 年第一台心 电图机应用于临床以来，我国从国外引进或自行研制了各种形式了心电监护产品，目前， 这些产品正朝着微型化、 多功能化和低功耗方向发展； 但这些心电监护产品一般是采用 DSP 处理器加多个单片机（MCU）的设计结构，也就是说，这些心电监护产品是通过在其 DSP 处理芯片和单片机芯片中编写复杂的程序来实现产品的功能的。因此，随着产品要实现功 能数目的增加，出现了硬件设计复杂、体积庞大、软件编写烦琐、开发周期长和研制成本 高等一系列问题。因此，就要寻找别的研制多功能心电监护仪解决方案。随着 90nm 工艺 的现场可编程逻辑器件（FPGA）出现，为解决上述问题提供了技术可能。 本课题的根本出发点，是采用现场可编程逻辑器件（FPGA）来解决上述出现的问题， 即用 FPGA 取代目前心电监护产品中广泛采用的 DSP 和 MCU 多 CPU 结构。在电路的设 计过程中，利用灵活的 Avalon 总线，把要实现的各个功能模块和外部各个设备接口加到 Avalon 总线上来，构成一个基于 32 位嵌入式 Nios II 软核 CPU 的嵌入式系统，从而实现 信号的采集、处理、回放、存储、通信和显示等集于一体的多功能监护产品（如图 6-1 所 示） 。 更重要的是， 这些功能模块、 全部的外设接口和 Nios II 软核 CPU 都可在同一片 FPGA 上实现，这不仅有利于降低产品成本、缩短研发周期和提高系统的可靠性和性价比，而且 还有利于缩小系统体积和降低系统损耗。 １．2 可编程逻辑器件发展简史 随着微电子技术和计算机技术迅猛发展， 电子系统的设计方法与思路正在发生革命 性的变革。目前，集系统描述、硬件设计、仿真测试、综合和调试于一体的 EDA 技术已 成为现代电子系统设计的主流行方向，因此，采用 90nm 工艺的可编程逻辑器件来实现一 个“片上系统”也将成为数字系统设计领域中的主导模式。自 1985 年 Xilinx 公司推出第 一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA 已经历了几十年的发展历史。在这几十年 的发展过程中，以 FPGA 为代表的数字集成电路技术取得了惊人的发展：它从最初只能存 储少量数据（或只能完成简单逻辑功能）大约只有 1200 个可利用门的现场可编程逻辑器 件，发展到能完成复杂逻辑功能的内部集成了数百万门的现场可编程逻辑器件，并且这些
基于单片机的数字人体心率计的设计与实现
摘要生物医学信号指标与人体的健康息息相关，只有掌握其中规律才能更好的解决人体的健康问题。
随着电子信息技术的发展和医学的不断进步，人们对高精度便捷式生物医学信号电子检测设备的需求越来越高。
心率和体温是人体的两个重要指标，根据所学知识制作了此心率计。
设计是基于单片机的数字人体心率计，从可实现性和经济性方面考虑，决定采用51单片机作为设计的主控芯片，使用红外光电传感器作为心率的采集模块，而体温的采集则使用18b20温度传感器，外加显示模块和功能选择模块。
心率和体温的采集部位均为指尖，采集信号经单片机处理后输出给显示模块显示最终的结果。
从硬件电路到程序设计，主要解决了如下的几个问题：1、心率信号由红外光电传感器采集，经过两级放大将原信号放大后，再由比较电路进行整形，输出能使单片机更好识别的脉冲波信号；2、体温信号由单线温度传感器18b20采集，采集数据经过转换计算后变为温度，最后单片机输出体温测量结果；3、测量的结果都是以数字形式输出，3位一体数码管显示结果，使测量结果的读取简单精确化；4、按键和程序的结合运用，使得心率计和体温计功能切换更加方便快捷。
关键词：心率；体温；单片机；红外传感器；温度传感器AbstractBiomedical signal indexes and human health are closely related, only to master the law can better solve the health problems of the human body. With the development of electronic information technology and the development of medicine, the demand for high precision portable biomedical signal electronic testing equipment is more and more high. Heart rate and body temperature are two important indicators of the human body, based on the knowledge to make the heart rate meter.The design of digital human body heart rate meter based on SCM, from realization and economic considerations, decided to adopt the 51 microcontroller as the main control chip, the use of infrared photoelectric sensor as the acquisition module, heart rate, and body temperature acquisition using 18B20 temperature sensor is simple, and the display module and the function module. The sampling position of heart rate and body temperature were the fingertips, signal acquisition and processing by the MCU output to the display module to display the final results.The hardware circuit design procedures, mainly solves several problems as follows:1, the heart rate signal by infrared photoelectric sensor acquisition, after two grade general raw signal amplification, shaping by comparison circuit, output the pulse wave signal microcontroller better recognition;2, the temperature signal by a single temperature sensor 18B20 acquisition, acquisition data through the conversion into a temperaturemeasurement results at last, microcontroller output temperature;3, the measurement results are output in digital form, one of 3 digital tube display results, read the measurement results of simple accurate;Combining the 4, keys and program, the heart rate meter and thermometer function switching more convenient.Keywords:heartrate, body temperature,single chip,infrared sensor,temperature sensor目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)1 绪论 (1)1.1 选题背景及意义 (1)1.2 国内外研究现状和发展趋势 (2)1.3 论文结构概括 (3)2 设计方案及论证 (4)2.1 方案一 (4)2.2 方案二 (5)2.3 方案论证 (6)3 硬件电路概述及元器件介绍 (6)3.1 硬件电路总方框图 (6)3.2 单片机模块 (7)3.3 心率信号采集模块 (10)3.4 体温信号采集模块 (15)3.5 显示模块 (18)3.6 功能选择模块 (23)4 程序设计 (24)4.1 主程序设计 (24)4.2 心率测试程序设计 (29)4.3 体温测试程序设计 (34)5 设计完成及整体调试 (41)5.1 硬件电路的焊接及调试 (41)5.2 程序的下载及调试 (43)5.3 调试中的干扰 (45)6 总结和展望 (46)6.1 总结 (46)6.2 展望 (47)参考文献 (48)致谢 (50)附录1 设计总电路图 (51)附录2 设计实物图 (52)附录3 程序清单 (54)附录4 外文文献及翻译 (69)1 绪论1.1选题背景及意义心率（Heart Rate）是用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音为准。
数字心率计的设计
摘要摘要本设计采用以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示心率计的硬件电路和软件设计方法。
整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、信号采集子程序、信号放大处理子程序、显示子程序等模块组成。
本设计采用了红外对管传感器和光电转换原理进一步实现对心率的检测。
心率计通过感知手指内的微弱波动来接收信号，可以避免人工听诊器所带来不必要的麻烦。
心率传感器采样脉搏信号，采用AT89S51单片机作为控制器，心率传感器输出方波传入单片机，单片机每接收一个脉冲波形，数码管就计数一次。
心率次数超限时用蜂鸣器报警。
三极管加大功率，驱动器件工作。
各探头的信号经单片机综合分析处理，实现心率测量的各种功能。
在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。
关键词：心率；传感器；滤波器；放大器；显示电路；报警电路IAbstractAbstractThe rapid development of society today, people's material and cultural life has been great ly improved, but at the same time, a variety of diseases threatening people's life; and the heart attack is difficult to prevent the sudden fatal disease, so health is also more and more attention by people. This design is to solve the problem that can be measured by heart rate, heart dise ase prevention of heart disease in the digital heart rate meter.Heart rate is an important phys iological parameter of human body, in modern medicine, heart rate for blood circulation and c ardiac function in field research has important significance. Heart rate meter is used to measur e the human heart rate in medical devices, high accuracy rate meter research and development of medical instrument is always an important topic in the field of. This design aims to have th e circuit and hardware knowledge, design a simple heart rate meter. In the design of the pulse frequency and heart rate, heart rate can be used to measure the pulse measurement is obtained, therefore the design of human body pulse as the measuring object.Key words：Heart rate;sensor;filter;amplifier;a display circuit;alarm circuitII目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 课题背景、目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状及存在问题 (1)1.3 课题的主要问题和研究方法 (2)1.3.1 设计要求 (2)1.3.2 设计内容 (2)第2章数字心率计总体方案设计 (3)2.1 数字心率计方案设计思路 (3)2.2 心率计的结构组成和框图 (3)2.2.1 心率计的结构组成 (3)2.2.2 心率计的结构框图 (4)2.3 本章小结 (4)第3章心率计的硬件设计 (5)3.1 AT89S51单片机 (5)3.1.1 AT89S51单片机简介 (5)3.1.2 AT89S51单片机的特点 (5)3.1.3 AT89S51的结构 (6)3.1.4 工作原理 (8)3.2 传感器 (8)3.2.1 传感器的选择与论证 (8)3.2.2 红外线传感器 (10)3.3 复位电路 (10)3.3.1 单片机复位电路 (10)3.3.2 按键电路 (11)3.3.3 振荡电路 (11)3.4 显示报警模块 (12)3.4.1 显示模块的选择与论证 (12)3.4.2 显示电路 (12)3.4.3 报警电路 (15)3.5 信号采集电路 (16)I I3.6 信号放大电路 (17)3.7 信号比较电路 (17)3.8 LM358P放大器 (18)3.9 本章小结 (19)第4章心率计的软件设计 (20)4.1 程序流程 (20)4.1.1 主程序流程图 (20)4.1.2 中断程序流程图 (21)4.1.3 定时器T0和T1的中断服务程序 (21)4.2 测量计算原理 (22)4.3 KEIL编程软件的介绍 (23)4.4 几种主要干扰因素 (23)4.5 本章小结 (24)总结 (25)致谢 (26)参考文献 (27)附录 (28)附录1 系统原理图 (28)附录2 程序代码 (29)I V第1章绪论1.1课题背景、目的及意义近年来世界科技与经济的飞速蓬勃发展，重视生命和健康渐渐成为人类共同的追求。
基于FPGA的医疗保健应用中的低功耗高精度心率检测算法研究
基于FPGA的医疗保健应用中的低功耗高精度心率检测算法研究近年来，人们对健康的关注越来越高，而心率作为健康状况的一个重要指标，被人们广泛关注和研究。
随着现代科技的不断发展，FPGA作为一种新型的计算器件，也被广泛应用于医疗保健领域。
本文将从低功耗高精度心率检测算法的角度，探讨FPGA在医疗保健应用中的重要性和优势。
首先，我们需要了解什么是FPGA。
FPGA全称为Field-Programmable Gate Array，即现场可编程逻辑门阵列。
它是一种集成电路芯片，具有极高的灵活性和可编程性，与传统的固定功能电路相比，FPGA可以根据用户的不同需求进行自定义，实现各种复杂的逻辑运算。
同时，FPGA的实现方式是基于硬件的，并且具有并行处理的能力，因此在计算速度和效率方面都有非常优秀的表现。
在医疗保健应用中，FPGA的高性能和可编程性使得它成为一个重要的计算器件。
以心率检测为例，FPGA可以通过各种算法和模块的组合，实现低功耗高精度的心率检测功能。
这在传统的心率检测方法中是难以实现的，因为传统的方法往往需要大量的计算资源和复杂的算法，而且功耗较高，难以实现可植入设备等医疗设备应用。
接下来，我们探讨一下低功耗高精度心率检测算法在FPGA中的实现方式。
在FPGA中，实现低功耗高精度心率检测算法的关键在于优化算法的结构和参数，并且合理利用硬件资源。
在这方面，FPGA的灵活可编程性非常重要，可以通过编写、优化和封装各种算法模块，来实现对心率信号进行处理和分析。
在具体的实现中，可以将FPGA看作一个大型的逻辑门阵列，其中包含多个计算器件和存储单元。
通过FPGA内部的各种逻辑门和开关，可以将心率信号进行各种处理，从而提取出有效的心率信息。
例如，可以采用数字信号处理（DSP）算法来对心电信号进行滤波、放大和去噪等预处理操作；然后，使用功率谱分析（PSD）算法或波形形态分析（WTA）算法等方法，提取心跳信号的频率和幅度信息。
数字人体心率检测仪的设计
数字人体心率检测仪与智能手环、智能手表等设备的竞争关系 数字人体心率检测仪在医疗、运动、健康管理等领域的应用优势 数字人体心率检测仪与专业医疗设备的比较分析 数字人体心率检测仪在未来的发展趋势和前景展望
智能化：随着人 工智能技术的不 断发展，数字人 体心率检测仪将 更加智能化，能 够实现更多功能 和应用场景。
较
多功能显示： 具有多功能显 示，可以同时 显示心率、血 压等多种生理
参数
便携式设计： 采用便携式设 计，方便携带
和使用
支持多用户同时使用，满足多场景需求 数据同步功能，实时监测和记录用户心率数据 可通过蓝牙或WiFi连接手机或电脑进行数据传输和分析 具备数据加密和安全保护功能，确保用户隐私和数据安全
数据分析：通过配套的专业软件，用户可以对心率数据进行深度分析，了解自己的健康状况。
预警功能：当检测到异常心率时，检测仪会发出预警信号，提醒用户及时关注自己的健康状 况。
实时监测：数字 人体心率检测仪 能够实时监测人 体的心率数据。
异常提醒：当检 测到异常心率时， 设备会自动提醒 用户，避免意外 情况发生。
便携化：随着人 们对健康管理的 需求不断增加， 数字人体心率检 测仪将更加便携， 方便用户随时随 地进行检测。
精准化：随着传感 器技术的不断进步， 数字人体心率检测 仪的检测精度将不 断提高，能够更加 准确地反映用户的 心率状况。
个性化：随着个性 化需求的不断增加， 数字人体心率检测 仪将更加个性化， 能够根据用户的需 求和偏好进行定制 和优化。
睡眠质量监测：数字人体心率检测仪 可以监测用户的睡眠质量，帮助用户 了解自己的睡眠状况，改善睡眠质量。
实时监测患者的心率数据，辅助医生诊断和治疗心血管疾病 长期监测健康人的心率变化，预测和预防潜在的健康问题 跟踪运动员的心率数据，提高训练效果和竞技表现 在紧急救援现场，快速检测伤员的心率，为救治提供及时准确的数据支持
基于fpga的非接触式人体心率测量系统
电子技术• Electronic Technology80 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】FPGA 非接触式 心率测量 血液容积脉搏波人体健康体征监测是当前智能硬件的研发趋势之一。
传统的心率检测需要直接与被测者皮肤进行接触，对被测者束缚性较大，长时间测试易引起被测者的不舒适感，在这种情况下，研究非接触式的体征监测方法极具吸引力。
人的心脏每跳动一次，会有很多的血液经过你的面部。
由于心跳引起的血液体积的变化使得人体皮肤对反射光颜色发生变化，并且反射光颜色变化的幅度与光源的强度成正比。
血液在量上的增加会导致有更多的光被吸收，因而面部反射的光线也随之减少。
通过摄像头捕捉到这些变化，并进行一定的处理后,就能够计算出心率值。
1 系统构成本心率测量系统由心率测量硬件装置与手机APP 组成。
其中心率测量硬件装置由OV7725摄像头模块、EGO1-FPGA 开发板、蓝牙模块、OLED 显示模块共同组成。
其系统构成框图如图1所示。
在摄像头采集模式下，由摄像头模块进行实时的图像信息采集，并将信息传输到FPGA 进行数据处理，其后将采集到的图像数据以一帧为单位存放在FPGA 片内存储器中，同时在FPGA 中处理数据，经过心率检测算法处理后提取有效心率信息，并通过手机APP 及OLED 模块显示当前心率值。
VGA 显示模块仅用于系统调试使用，调试时可以将摄像头捕捉到的实时图像通过VGA 接口传输给显示器。
2 算法设计在基于视频的心率(HR)测量方法中，具有红色（R ）、绿色（G ）和蓝色（B ）成分的基于FPGA 的非接触式人体心率测量系统文/吴涵 陈龙 陈子为 吴正正RGB 颜色模型都在实验中尝试。
结果表明，与R 和B 信号相比，G 信号对HR 测量最有效。
因此我们采用G 通道数据作为心率计算的数据来源，摄像头采集32秒的数据，做FFT 变换，找到有效频谱内的幅值最高频点，随后通过一个5秒的时域滤波（取5秒内的中值），输出结果。
数字心率计
西南交通大学年短学期电子课程设计报告目录一、课题要求二、方案论证与设计三、系统原理框图四、主要电路以及参数计算五、调试步骤六、测试数据及实验结果七、结论八、学习心得九、本作品使用说明十、附录一、课题要求基本要求：实时数字显示心率值（两位半）能够有报警信号显示1）正常2）过快3）过慢提高要求：可显示平均心率心率不齐时有报警信号二、方案论证与设计（1）模拟部分●采集信号用红外反射ST188传感器采集血液流动信号，当血液流动时，由于血液的各项参数指标变化，那么传感器接收到的电流信号就会发生变化，从而从传感器输出的电信号也会发生不同的变化，由于接收到的信号很微弱，数量级在毫伏级别，且同时信号具有低频率，低幅值和干扰性非常强的特点，所以我们对采集到的信号进行放大才能被检测到，从而实现心率的测量与计算。
因此模拟部分电路分为三个模块，放大，滤波，整形。
●放大据资料显示，ST188采集到的人体的心率信号所能转化的电流大概在0.05mV-5mV左右，由于采集到的信号是毫伏级别的，而后面要进行整形的输入信号要达到3V以上，所以对电路的放大倍数的设置是非常重要的。
那么在开始阶段我们借助模拟电子技术的一些资料来设计电路，然后通过软件进行仿真，但是由于实验室无法满足每个电路元件参数的要求，所以我们在实际电路中统一使用了老师给定的电路。
用两个放大电路来实现需要的放大，，每个子电路的放大10，采用的电子电路元件参数为：①680K和2.7K；②680K和2.7倍数都约为2Ｋ。
滤波电源供电时会对电路产生50HZ的工频，且我们采用的是红外线传感器，易受外界影响，这些都会会影响模拟信号的采集和计算，所以需要把这50HZ的工频滤掉且尽量减小外界信号的干扰。
由于人的心率频率大概为3HZ左右，所以我们设置的滤波电路的截止频率为0.23-2.3Hz，由此计算得到高通滤波电路的设计为:①10uF和68K（0.23Hz）；低通滤波电路的设计为：①0.1uF和680K （2.3Hz）；。
基于 fpga 的数字频率计的设计与实现
基于 FPGA 的数字频率计的设计与实现随着现代科技的不断发展，我们对数字信号处理的需求也越来越高。
数字频率计作为一种用来测量信号频率的仪器，在许多领域有着广泛的应用，包括无线通信、雷达系统、声音处理等。
在这些应用中，精确、高速的频率测量常常是至关重要的。
而基于 FPGA 的数字频率计正是利用了 FPGA 高速并行处理的特点，能够实现高速、精确的频率计算，因此受到了广泛关注。
本文将从设计思路、硬件实现和软件调试三个方面，对基于 FPGA 的数字频率计的设计与实现进行详细讲解。
一、设计思路1.1 频率计原理数字频率计的基本原理是通过对信号进行数字化，然后用计数器来记录单位时间内信号的周期数，最后根据计数器的数值和单位时间来计算信号的频率。
在 FPGA 中，可以通过硬件逻辑来实现这一过程，从而实现高速的频率计算。
1.2 FPGA 的优势FPGA 作为一种可编程逻辑器件，具有并行处理能力强、时钟频率高、资源丰富等优点。
这些特点使得 FPGA 在数字频率计的实现中具有天然的优势，能够实现高速、精确的频率测量。
1.3 设计方案在设计数字频率计时，可以采用过采样的方法，即对输入信号进行过取样，得到更高精度的测量结果。
还可以结合 PLL 锁相环等技术，对输入信号进行同步、滤波处理，提高频率测量的准确性和稳定性。
二、硬件实现2.1 信号采集在 FPGA 中，通常采用外部 ADC 转换芯片来对输入信号进行模数转换。
通过合理的采样率和分辨率设置，可以保证对输入信号进行精确的数字化处理。
2.2 计数器设计频率计最关键的部分就是计数器的设计。
在 FPGA 中，可以利用计数器模块对输入信号进行计数，并将计数结果送入逻辑单元进行进一步的处理。
2.3 频率计算通过对计数结果进行适当的处理和归一化，可以得到最终的信号频率。
在这一过程中，需要注意处理溢出、误差校正等问题，以保证频率测量的准确性和稳定性。
三、软件调试3.1 FPGA 开发环境在进行基于 FPGA 的数字频率计设计时，可以选择常见的开发工具，例如 Xilinx Vivado 或 Quartus II 等。
基于FPGA的数字式心率计的设计实现
基于FPGA的数字式心率计的设计实现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=601000/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。
心率计的设计与实际实现
心率计的设计与实际实现心率计的设计与实际实现摘要为了响应我们国家的智造2025计划，现阶段学校对智造型人才给予了很大的支持，尤其是我们工科的学生，学校给我们配备了强而有力的师资力量以及完善的实验设施。
由此，决定做出对应的产品以验证自身能力。
现如今，随着生活节奏的变快，年青人受到各种良莠不齐的诱惑，导致很多中年人会患上不同程度的心脏疾病。
更有甚者，平时不注意必要的体育锻炼，常常三天打鱼两天晒网，在运动的时候给予了身体过大的负担，从而使得心脏供血出现问题。
最简单的症状就是心肌梗塞。
藉由，我想制作一款简易的心率检测计，用来监视自身的心脏跳动速度，以便及时发现问题趁早就医，做到大事化小，小事化了。
关键词：stc89c52,传感器，原理图，运算放大器,程序实现Design and implementation of heart rate meterAbstractIn response to China's smart manufacturing 2025 plan, the school has given great support to smart modeling talents, especially our students of engineering. The school has equipped us with strong teachers and perfect experimental facilities. Therefore, it is decided to make corresponding products to verify its ability.Nowadays, with the fast pace of life, young people are tempted by various good and bad, leading to many middle-aged people will suffer from different degrees of heart disease. More have even, do not pay attention to the physical exercise that is necessary at ordinary times, often 3 days catch fish 2 days bask in a net, the burden that gave the body is too big when exercising, make heart blood appears a problem thereby. The simplest symptom is a heart attack. By means of this, I want to make a simple heart rate monitor, which can be used to monitor the beating speed of my own heart, so as to detect problems in time and seek medical treatment as soon as possible, so as to minimize incidents.Keywords：stc89c52,sensor，schematic diagram，Op Amp,program implementation目录1 前言 (1)1.1 心率计研究现状与未来发展 (1)2设计过程中考虑使用的元件（硬件方面）： (1)2.1预计设计实现的功能： (2)2.2传感器的类别与原理： (2)2.3传感器的选择考虑： (2)2.4单片机的介绍与选择： (3)2.5 LED动态显示的选择 (5)2.6运算放大器的选择 (6)3.设计思路 (7)3.1信号采集电路部分 (8)3.2信号放大部分 (9)3.3键盘电路 (9)3.4程序流程图： (10)3.6控制程序延迟模块的设计 (12)4.proteus的仿真图 (13)5.焊接过程以及注意事项 (13)6.致谢： (14)参考文献 (15)附录 (16)1 前言在经济发展飞速的这个时代，人们的工作越来越忙碌，许多人为了自己的生活质量打拼的同时却忘记了身体是革命的本钱，不愿意花费时间去医院检查使得心脑血管疾病的多发。
基于FPGA的心率测量仪的设计
基于FPGA的心率测量仪的设计
林海英
【期刊名称】《三明学院学报》
【年(卷),期】2011(28)2
【摘要】基于FPGA芯片功能模块,设计出一款用于远程监控使用的快速心率测量仪,并通过Quartus Ⅱ软件得到时序仿真的结果,使整机集成实现了与手机信号通讯的功能,达到远程自动监控心率信号的功能,利用智能机器自主学习的算法,对被监控人员的心率和血压的变化情况进行自动监控,具有广泛的推广价值.
【总页数】3页(P62-64)
【作者】林海英
【作者单位】闽江学院计算机科学系,福建,福州,350108
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
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基于fpga的数字频率计的设计
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心率诊断的FPGA硬件实现及仿真
心率诊断的FPGA硬件实现及仿真彭斌王时胜(南昌大学信息工程学院，江西南昌330031)摘要：心电（ECG）信号的检测和分析，是临床了解心功能、辅助诊断心血管疾病和评估其他治疗效果的重要手段，本文对心电信号检测方法进行了扼要分析，给出了一种采用动态阈值来检测R波群。
在此基础上提出了一种基于FPGA硬件实现心率诊断的方法，结合QuartusⅡ进行软硬件仿真，说明本法对R波的检测和识别是切实可行的，有助于对心电信号诊断的准确判断。
关键词：FPGA；心电信号；心率诊断；仿真中图分类号：TP274 文献标识码：A1、引言在便携式心电监测仪中，心电信号的自动检测和自动分析对于心血管疾病的检测和诊断具有重要意义，心率的测量则是主要任务，而心率的检测主要由QRS 波的R波确定。
在心电波形中，R波具有较高的幅值，其主频也集中在17Hz附近，带宽为10Hz，其它波的频率则比较低。
目前，QRS波的检测方法包括硬件处理方法和软件处理方法。
硬件检测处理速度快。
软件处理方法有：模板匹配法、阈值法、小波变换法和神经网络法等。
模板匹配法是利用心电信号的周期性较强，各个心动周期之间相应波形的差异较小的特点，把QRS波群近似看成单独的模板，通过识别QRS波群模板与其它模板之间的区别来识别QRS波群，此方法原理简单。
阈值法是基于QRS波中的R波的幅值为最大的特点，确定R 波的阈值，计算ECG 数据的最大值并与阈值进行比较，如达到或超过该阈值即可判断为检测到一个R 波。
根据R 波群可计算出心率，该方法简单，易于工程实现。
小波变换法则是采用3种不同性质的小波为母小波对来自国际上广泛承认的心电数据库MIT-BIH Arrhythmia Database中的记录进行小波变换，选取了灵敏度更高的高斯函数一阶小波作为小波函数，并采用时频域相结合的分析方法，检测出QRS突变点，该方法能快速检测QRS波，实时性较好，有良好的应用前景。
神经网络采用白化匹配滤波器来处理ECG信号的低频成分，模拟其非线性及非稳态的特性，处理后的信号中含有ECG中大部分高频成分，让其通过一线性匹配滤波器来检测QRS波及其位置。
基于51单片机的心率计设计
基于51单片机的心率计设计心率计是一种用于测量人体心率的设备，以帮助人们掌握自己的健康状况。
本文将介绍基于51单片机的心率计的设计思路和实现方法。
首先，我们需要了解心率的原理和测量方法。
心率是指心脏在单位时间内跳动的次数，用每分钟跳动次数表示。
常见的心率测量方法包括心电图、脉搏计和光电传感器等。
在本设计中，我们将使用光电传感器来测量心率。
光电传感器是一种通过光电效应测量光强变化的传感器。
在心率测量中，光电传感器可以用于检测人体指尖的血液流动情况，从而间接地测量心脏收缩的频率和心率。
具体实现时，我们可以将光电传感器连接到51单片机的输入引脚上。
同时，我们需要使用一个合适的光源，如红外线发光二极管，以提供光线来照射到指尖。
当心脏收缩时，血液的流动速度会增加，导致光线的吸收量发生变化。
通过检测光电传感器输出的电压信号的变化，我们可以得到心率的测量结果。
在程序设计上，我们可以使用51单片机的定时器来控制心率测量的时间间隔。
通过定时器中断，在固定的时间间隔内取样光电传感器的输出，并计算心率的值。
我们可以根据光电传感器输出的模拟电压信号，使用ADC转换将其转为数字信号，然后通过一系列算法处理得到心率的结果。
此外，为了方便用户查看心率结果，我们可以连接一个LCD显示屏到51单片机的输出引脚上。
通过LCD显示屏，用户可以即时地看到自己的心率数值，并据此对自己的身体状况进行判断和调整。
总结起来，基于51单片机的心率计设计涉及硬件电路的搭建和软件程序的编写。
硬件方面，我们需要使用光电传感器、光源和LCD显示屏等元件，并将它们与51单片机连接起来。
软件方面，我们需要编写定时器中断程序、ADC转换程序和心率计算程序等。
通过这两方面的协作，我们可以实现一个简单而实用的基于51单片机的心率计。
综上所述，本设计通过光电传感器、LCD显示屏和51单片机等元件的结合，实现了一种基于51单片机的心率计。
以此为基础，我们可以进一步完善该设计，加入更多的功能和特性，以满足用户的需要。
基于FPGA的高精度数码电子计时仪设计
基于FPGA的高精度数码电子计时仪设计在现代科技快速发展的时代，电子计时仪已经成为各个领域中不可或缺的一项技术。
在运动竞技、物理实验、计算机研究等领域中，我们都需要用到高精度的计时仪来提供准确的数据支持。
而这里我们要介绍的基于FPGA的高精度数码电子计时仪，正是最新的一种计时仪技术。
一、FPGA技术介绍FPGA即现场可编程门阵列，是一种可编程逻辑器件，主要由可编程逻辑模块、内部控制器、高速缓存、可编程I/O模块组成。
它的主要特点是具有现场可编程性，可以在用户现场进行逻辑和电路设计，提供了更高的灵活性和性能。
因此FPGA技术已经在各个领域中得到了广泛的应用。
二、基于FPGA的高精度数码电子计时仪设计基于FPGA的高精度数码电子计时仪是一种基于可编程技术的计时仪，它利用FPGA的现场可编程特性，将各种计时、数码信号处理等电路全部集成在一块芯片上，从而实现高速、高精度的计时功能。
其主要设计流程如下：1.系统框图设计首先需要对计时仪的各个部分进行需求分析，设计系统框图。
系统框图是整个计时仪的基础，它描述了硬件电路、软件程序、各种控制信号等之间的关系，为后续的设计提供了参考。
2.数码预处理电路设计数码电子计时仪的核心是数码电路，包括数码显示、数字信号处理等电路。
其中数码预处理电路负责数据输入、数据处理等功能。
在数字信号处理方面，数码计时电路主要有比较器、检测器、解码器等电路组成，以保证每次计时的准确性。
3.逻辑控制电路设计逻辑控制电路主要是用来控制数码计时仪的运行状态，包括计时状态、预置状态、停止状态、清零状态等。
在整个电路中，逻辑电路起到了控制和判定的重要作用。
4.FPGA电路设计FPGA电路的设计是最为重要的一步，它包含了所有的硬件和软件设计。
在FPGA的设计过程中，首先需要将设计好的数码预处理电路和逻辑控制电路进行集成，进而实现高精度的计时功能。
5.时序分析和测试验证在所有的电路设计完成后，还需要对整个系统进行时序分析和测试验证。
心率检测仪的电路设计及基于STM32的嵌入式系统实现
心率检测仪的电路设计及基于STM32的嵌入式系统实现心率检测仪是一种用于测量人体心率的设备，它可以帮助人们监测心脏健康状况并及时发现异常。
本文将介绍心率检测仪的电路设计以及基于STM32的嵌入式系统实现。
心率检测仪的电路设计是整个系统的核心部分，它包括传感器、信号处理模块和显示模块。
首先，我们需要选择一个合适的心率传感器。
常见的心率传感器有光电传感器、压力传感器和心电图传感器等。
光电传感器是最常用的一种，它通过测量血液中血红蛋白的反射光强度来确定心率。
在电路设计中，我们可以使用光电二极管传感器和光敏二极管来实现。
接下来，我们需要对传感器输出的信号进行处理。
首先，需要对传感器输出的光信号进行放大，以增强信号的强度。
可以使用运放进行放大处理。
其次，需要通过滤波器进行滤波处理，以去除噪声干扰和不必要的频率成分。
可以采用低通滤波器来实现。
在信号处理模块之后，我们需要将处理后的信号进一步转换成数字信号，以供嵌入式系统的处理。
这可以通过模数转换器（ADC）来实现。
ADC将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，以便进行数字信号处理。
接下来，我们将介绍基于STM32的嵌入式系统实现。
STM32是一系列32位内核的单片机，具有丰富的外设接口和处理能力，非常适合用于嵌入式系统的设计。
首先，我们需要选取一款适合的STM32芯片，根据需求选择合适的型号。
然后，我们需要编写相应的软件程序，包括初始化设置、数据采集和处理、显示功能等。
在软件程序中，首先需要进行STM32芯片的初始化设置，包括时钟配置、GPIO口设置等。
然后，在主循环中不断读取ADC转换后的数字信号，进行数据处理和心率计算。
可以采用一些算法如峰值检测法或相关性分析法来计算心率。
最后，将心率数据通过显示模块显示出来。
为了降低功耗，可以使用睡眠模式来控制系统的运行状态。
当没有心率检测需求时，可以将系统进入睡眠状态，以达到节能的目的。
此外，为了增加系统的可靠性和稳定性，还可以在嵌入式系统中加入一些保护功能，例如温度保护、电压保护等。
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收稿日期:2009-08-06 修回日期:2009-12-11第27卷 第8期计 算 机 仿 真2010年8月文章编号:1006-9348(2010)08-0363-05数字心率计的FPGA 设计与实现付 扬,李 静(北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048)摘要:数字心率计的测量准确度和性价比是衡量其性能的重要指标,为提高其性能指标,首先设计了高精度的模拟电路,抑制了心率信号采集处理过程中的干扰,得到了明显突出的脉冲心率信号。
然后重点设计了基于先进FPGA 技术的数字系统,设计中采用了有效方法,解决了瞬时心率计算如何节省FPGA 资源的难题,实现了FPGA 优化设计。
通过对心率计的综合仿真,验证了系统设计的有效性和可行性,成功地用到了FPGA 芯片中。
心率计的设计实现了瞬时心率、平均心率的测量。
经仿真证明,各种心率状态显示和报警等。
为数字心率计FPGA 的设计提供了技术依据,降低了成本和功耗,具有高性价比,符合功能要求。
关键词:仿真;心率计;瞬时心率;平均心率;现场可编程门阵列;硬件描述语言中图分类号:TN47 文献标识码:BFPGA D esi gn and I m ple m entation of D i gital H eart -rate M eterF U Yang ,LI Jing(Co llege o f In f o r m ati on Eng ineer i ng,Beiji ng T echno logy and Bus i ness U niversity ,Be ijing 100048,Ch i na)AB STRACT :In o rder to i m prove the m easurem ent accuracy and co st perfor m ance rati o of dig ital heart-ra te m eter ,firstl y,h i gh-prec i s i on ana l og circu it i s desi gned to obta i n the heart rate pulse signa l by i nhi b iti ng t he si gnal i nterfer ence i n the acqu isiti on and processi ng .A nd t hen d i g ital sy stem is desi gned w ith e m phasis based on advanced FPGA techno logy .T he e ffecti v e w ay is stud i ed for the instantaneous heart rate ca l culation to solve the prob l em o f FPGA re sources sav i ng ,and opti m a l desi gn o f the FPGA i s achieved .F i na lly ,co m prehensi v e s i m u l a tion de m onstrates t he ef fecti veness and feas i bility of t he design .It i s s uccessfull y down l oaded to FPGA chip .The heart-ra te m eter ach i eves the m easurement and dig ital sho w o f i nstantaneous and average heart rate ,variety status d i sp l ay and a l a r m functi ons o f hea rt rate .T he FPGA desi gn of d i g ita l hea rt-ra te m e ter i s techno l ogy advanced ,m eas u re m ent is accuracy,the co st and pow er consu m pti on i s reduced and cost perfor m ance ratio i s h i gh .K EYWORDS :S i m u l a tion ;H eart-ra te m ete r ;Instantaneous heart ra te ;A verage heart ra te ;F ield progra mm able gate array(FPGA );H ard w are descr i ption language(VHDL );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Q uartus 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363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。
图1 模拟信号处理电路框图图2 心率测量数字系统顶层图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 3H z 4H z 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 5H z ,下限截止频率为0 15H z 。
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5OH z 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50H z 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50H z 处,并在48-52H z 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。
4 心率计数字系统的设计4.1 数字方法测量心率原理数字方法测量瞬时心率(Instantaneous H ea rt R ate ,I HR )时,先测量两相邻脉搏波R 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。
设心率周期为T 秒,则瞬时心率的计算公式为I H R =60/T 。
如果用频率为f o 的时钟脉冲CLK 作为测量时间基准,在T 秒时间内对时钟脉冲计数,并设计数值为N,则T =N /f o 秒,故瞬时心率的计算公式为I HR =60f o /N 。
当f o =1k H z 时,I HR =60!1000/N =60000/N 。
若I HR 为20~200,则N 为300~3000。
平均心率(A verage H eart R ate ,AHR )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364I HR 1,I H R 2,∀,I H R n ,则平均心率的计算公式为:AHR =(I H R 1+I H R 2+∀+I H R n )/n 。
4.2 数字系统各部分设计由以上原理,基于FPGA 设计,将整个系统分为若干子模块,各功能子模块利用VHDL 语言准确描述,在Q uartus 环境下对每个底层模块程序进行编译、仿真成功后,再将各个模块连接起来形成顶层,最终的整个数字系统顶层模块设计如图2所示。
图中输入信号c l k1k H z 为基准信号,频率为1k H z ,输入信号m a i bo 为心率脉冲信号。
下面介绍数字系统各部分设计。
4.3 瞬时心率测量部分瞬时心率的测量部分由波形变换模块m a i bobox i ng 、对基准频率计数模块counter 、查表存储模块chab i ao 、3位二进制数译码模块bcd 组成。
波形变换模块是为了准确测量,将脉冲宽度较宽的心率信号转换为等周期的脉冲宽度较窄的信号,转换后a 脉冲宽度为一个时钟clk1k H z 的周期,m a i bo 、a 信号周期不变;计数模块以脉搏信号作为闸门信号对基准频率1k H z 计数,b 表示1k H z 时钟频率在一个脉搏周期时间内的计数值,用二进制数表示,由前面瞬时心率公式,应为12位二进制数;查表存储模块完成对瞬时心率的计算;3位二进制数译码模块将查表存储模块输出8位二进制数转换为12位二进制数,每四位为BCD 码,分别表示个位、十位、百位。