FPGA在數字式心率計中的電路組成及工作原理

2 FPGA中各模塊的電路組成及工作原理

2．1 波形變換電路

由比較器獲得的方波心率脈沖還不能直接用于心率測量，因為脈沖寬度太大。要進行正確的心率測量，必須對這個方波脈沖進行微分，將其寬度調整為一個時鐘周期寬。微分電路如圖3所示。用VHDL語言編程時，可用一個時鐘進程實現這個微分電路。圖3中各點波形如圖4所示。

2．2 心率計算電路

根據瞬時心率計算公式及圖1，瞬時心率的計算應以1kHz的時鐘頻率作為時間基準，測量相鄰兩次心跳之間的時間，然后做除法運算。因此，瞬時心率計算電路應包括一個12位的二進制計數器和一個16位的二進制除法電路。平均心率的計算應根據測量結束前最后測得的16次心率值求平均，因此心率計算電路還應包括一個能完成12位二時制數加法的電路和一個能完成12位二進制數除法的電路，這個除法運算可通過移位寄存器右移四次來實現。計數器、加法器和移位寄存器在FPGA中用VHDL語言實現都很容易。下面主要討論測量的實現方法。

瞬時心率計算公式是一個拋物線函數，分母中計數值N是一個變量，這個除法運算不能通過簡單的移位寄存器來實現；而設計16位二進制除法運算電路，無論采用組合電路還是采用時序電路，都將耗費很多的芯片資源。另一方面，人的正常心率為60～120跳/分鐘，即使心率出現異常，也不會超過20～200跳/分鐘，因此所測量的心率值只有有限個數據。這樣，可根據每一個可能出現的心率值，預先求出N的變化范圍，制作一張表，存入ROM中。實際測量時，再根據測到的N值，選擇相應的心率數據。假設心率的變化范圍為20～200，則N的變化范圍為3077～300。瞬時心率值IHR與計數值N的關系如表1所示。

計算電路除了完成上述功能外，還要將瞬時心率值和平均心率值轉換為七段顯示代碼，再送入LED顯示器進行數字顯示。