心率计是常用的医学查看设备，实时精确的心率丈量在患者监控、临床医治及体育竞赛等方面都有着广泛的运用。心率丈量包含瞬时心率丈量和均匀心率丈量。瞬时心率不只可以反映心率的快慢。一起能反映心率是否匀齐；均匀心率虽只能反映心率的快慢，但记载便利，因而这两个参数在丈量时都是必要的。
丈量心率有模仿和数字两种办法。模仿办法是在给定的时刻距离内核算R波（或脉息波）的脉冲个数，然后将脉冲计数乘以一个恰当的常数丈量心率的。这种办法的缺陷是丈量差错较大、元件参数调试困难、可靠性差。数字办法是先丈量相邻R波之间的时刻，再将这个时刻转换为每分钟的心跳数丈量心率的。这种办法的长处是丈量精度高、可靠性好，并且能一起丈量瞬时心率和均匀心率。用数字办法丈量心率的电路又分为两种类型：一种是运用一个可预置的计数器完结现除法电路；另一种是经过主动下降的时钟频率丈量相邻R波之间的时刻。
本心率计在数字式心率计的基础上，选用FPGA和VHDL言语完结，减少了元器材运用数量，进步了丈量精度和可靠性。该电路可以实时收集并丈量人体心跳的瞬时和均匀心跳速率，判别并显现心率状况（即心跳是否正常、是否过快或过慢、是否有心率不齐现象）。假如心率过快或过慢或许有心率不齐现象，那么将用不同色彩发光管进行闪耀报警显现。
1 丈量办法及电路组成
1．1 测验办法
如上所述，选用数字办法丈量瞬时心率（Intantaneous Heart Rate,IHR）时，先丈量两相邻R波之间的时刻（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，则瞬时心率的核算公式为IHR=60/T。假如用频率为f0的时钟脉冲作为丈量时刻基准，在T秒时刻内对时钟脉冲计烽，并规划数值为N，则T=N/f0秒，故瞬时心率的核算公式为IHR=60f0/N。当f0=1kHz时，IHR=60×1000/N=60000/N。
均匀心率（Average Heart Rate）的丈量是将必定时刻内测得的各个瞬时心率求均匀值。设测得的瞬时心率为IHR1，IHR2，…，IHRn，则均匀心率的核算公式为：
AHR=（IHR1+IHR2+…+IHRn）/n
1.2 电路组成
体系的组成框图如图2所示。按下start开关将发动丈量进程，由传感器取得的模仿心电信号（R波或脉息波）经过扩展后加到比较器的一个输入端，与另一个输入端的参阅电压进行比较，将心电信号转换为同周期的方波信号，再输入FPGA进行心率丈量。
在FPGA中，波形改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，经过周期计数器在心率周期T时刻内对时钟信号计数，再依据前面给出的瞬时心率核算公式做除法运算即可得到瞬时心率。瞬时心率经过译码电路转换为七段显现代码后送到FPGA外部的三个LED显现器上进行显现。在一次丈量完毕时，心率核算模块将测到的各个瞬时心率求均匀，得到的均匀心率转换为七段显现代码也送到三个LED显现器进行显现。
告警操控模块依据每一个瞬时心率值判别心率是否正常、是否过快或过慢，并依据相邻两个瞬时心率值判别是否有心率不齐现象，别离以英文字母E（正常）、F或S（过快或过慢）及I（心率不齐）的七段显现代码送告警显现电路中的三个LED显现器进行显现，并将这三种心率状况以8Hz的频率送到告警显现电路中色彩别离为绿、红、黄的三个发光二极管进行闪耀报警显现。按下stop开关将完毕丈量进程，并将均匀心率送三个LED显现器进行显现。
体系的主时钟频率为32MHz，送到FPGA中的时钟分频电路发生1kHz和8Hz的时钟频率，别离送到用作波形改换、瞬时心率核算和心率状况显现的波形改换模块、心率核算模块和告警操控模块。体系中的数字电路悉数由FPGA芯片完结，外围只要少数的模仿器材，包含比较器、LED和发光二极管显现器、电源电路及晶振电路等，因而体系的体积小、作业安稳、可靠性高。
2 FPGA中各模块的电路组成及作业原理
2．1 波形改换电路
由比较器取得的方波心率脉冲还不能直接用于心率丈量，因为脉冲宽度太大。要进行正确的心率丈量，有必要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言语编程时，可用一个时钟进程完结这个微分电路。图3中各点波形如图4所示。
2．2 心率核算电路
依据瞬时心率核算公式及图1，瞬时心率的核算应以1kHz的时钟频率作为时刻基准，丈量相邻两次心跳之间的时刻，然后做除法运算。因而，瞬时心率核算电路应包含一个12位的二进制计数器和一个16位的二进制除法电路。均匀心率的核算应依据丈量完毕前最终测得的16次心率值求均匀，因而心率核算电路还应包含一个能完结12位二时制数加法的电路和一个能完结12位二进制数除法的电路，这个除法运算可经过移位寄存器右移四次来完结。计数器、加法器和移位寄存器在FPGA顶用VHDL言语完结都很简略。下面首要评论丈量的完结办法。
瞬时心率核算公式是一个抛物线函数，分母上钩数值N是一个变量，这个除法运算不能经过简略的移位寄存器来完结；而规划16位二进制除法运算电路，不管选用组合电路仍是选用时序电路，都将消耗许多的芯片资源。另一方面，人的正常心率为60～120跳/分钟，即便心率呈现反常，也不会超越20～200跳/分钟，因而所丈量的心率值只要有限个数据。这样，可依据每一个或许呈现的心率值，预先求出N的改变规模，制造一张表，存入ROM中。实践丈量时，再依据测到的N值，挑选相应的心率数据。假定心率的改变规模为20～200，则N的改变规模为3077～300。瞬时心率值IHR与计数值N的联系如表1所示。 
心率核算电路除了完结上述功用外，还要将瞬时心率值和均匀心率值转换为七段显现代码，再送入LED显现器进行数字显现。
2．3 告警操控电路
告警操控电路的功用是依据心率核算电路得到的瞬时心率值来判别心率的状况：心跳到否正常、是否过快或过慢、是否心率不齐。假如心率处于60～120的规模，则心跳正常；假如心率小于60，则心跳过慢，假如心跳大于120，则心跳过快；假如相邻两次丈量的心率值以为心率不齐。这些判别是由一系列比较器完结的，用VHDL言语完结比较简略，这儿不再胪陈。
完结比较判别后，告警操控电路将代表不同心率状况的字母E（正常）、F或S（过快或过慢）及I（心率不齐）的七段显现代码以8Hz的频率别离送到三个LED显现器进行报警显现，一起将不同心率状况信号以8Hz的频率别离送到三个不同色彩的发光二极管进行报警显现。
2．4 时钟分频电路
时钟分频电路的功用是将体系供给的主时钟进行分频，供给其它模块电路所需的两个时钟（1kHz和8kHz）。其间，周期计数器的时钟（clk1）决议了周期计数器的位数。当心率丈量规模为20～200跳/分钟时，对庆的心率周期T为3～0.3秒。若时钟信号clk1的频率f0=1kHz，则在最低心率（20跳/分钟）时的计数值N=3/10 -3=3000，因而计数器的位数为12位。由下面的功用点评佛标剖析可知，更高的时钟频率可扩展心率丈量规模并进步丈量分辨率，但一起分添加电路的复杂性；而报警操控电路的时钟（clk2）决议了显现闪耀的快慢。在FPGA中，时钟分频电路一般是经过VHDL言语的进程句子由计数器完结的。
3 功用点评目标
心率计数能点评目标首要包含丈量差错和分辨率。由表1可知，因为计数值N的边办取值对应于相邻两个心率值的中点，故在20～200跳/分钟规模内丈量的每一个显现心率值的差错都为0.5跳/分钟。最大相对差错（用百分比表明）如图5所示。相对差错的最大值发生在最低心率20跳/分钟处，跟着心率值的添加，相对差错减小。当心率值大于或等于50跳/分钟时，相对差错小于1%，而当心率值大于100跳/分钟时，相对差错小于0.5%。
另一个功用目标是仪器的分辨率。由瞬时心率IHR=6×10 4/N和表1可知，当周期计数值N较小时，N改变一个单位（增大或减小1）对应瞬时心率改变比较大。因而，高心率处的分辨率较差，而低心率处的分辨率较好。在瞬时心率挨近200跳/分钟时，N值很小，分辨率为1跳/分钟；在较低的瞬时心率时，分辨率小于1跳/分钟。
假如将时钟频率进步到8kHz，一起将周期计数器的位数进步到16位，分辨率将会大幅进步。此刻，在瞬时心率挨近200跳/分钟处，分辨率会小于0.1跳/分钟，而在瞬时心率较低处，分辨率将进一步变好。因而，在20～200跳/分钟的心率规模内，可以0.1跳/分钟的分辨率显现一切心率。不过，将周期计数器从12位进步到16位会添加电路的复杂性。别的，在实践心率丈量中，人们习气1跳/分钟的分辨率，更高的分辨率没有必要。
根据FPGA的数字心率计丈量精度高，丈量规模宽，在20～200跳/分钟的测验规模内，最大差错为2.5%，而当心率大于50跳/分钟时，差错小于1%，并且它的作业安稳性和可靠性好、功耗低、不需要电路参数校正和灵敏度调理，可以丈量瞬时心率和均匀心率，并具有心率反常报警功用。因而，与文献中报导的其它心率计比较，具有更好的功用。
