定脉冲实现心率测量

摘要 为了实现快速准确的心率测量,降低成本,放弃了通常采用的利用单片机进行定时的方法。通过分析得到心率值的大小为60f/N,利用16位计数器加电路实现60f个固定脉冲的输出,在此固定脉冲的作用下利用比较计数电路,在满足精度的条件下,通过合适的参数计算、器件选择,硬件上实现了60f/N的除法操作,快速准确地得到心率的测量结果。

关键词 心率计;定脉冲;硬件实现除法

中图分类号R54 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)26-0185-02

0 引言

心率(Heart Rate)是用来描述心脏跳动周期的专业术语,指心脏每分钟跳动的次数,它能够反应心脏的工作状态。准确测量人的心率对于身体状况的诊断有着重要意义。有两种方案可以测量心率,一种是在一定时间内测量心脏跳动的次数,然后再转换为一分钟心脏跳动的次数,这种方法的缺点是测量周期长;另一种是测量心脏跳动一定次数的时间,再通过计算得到一分钟心脏跳动的次数,该方法优点是测量时间短。考虑到在医院中实际使用的情况,对于病人而言很短的时间也非常重要,所以第二种方案更加合适。

1 设计原理

设两次心脏跳动之间的时间间隔为,则心率公式HR(Heart Rate)=60/t。用已知频率的脉冲对时间间隔t进行计数,计数脉冲的频率为f,计数值为N,则t=N/f,心率计算公式变为HR=60f/N。这里存在一个问题,在数字电路里面,实现乘法容易,而要实现除法功能,会耗费很多硬件资源。为了避免不必要的资源浪费,考虑到心率测量结果只需要是整数,精确到小数没有意义,可以用一种方法得到60f/N结果的整数部分。从60f/N的意义上来看,就是60f中有多少个N,这样就可以用个60f个脉冲作为某个计数器的计数脉冲,在60f范围内,每当计满N时,产生一个进位信号,用该进位信号对计数器清0,然后继续计数。这样一来,当60f个脉冲输出完成后,进位信号的个数就是60f/N结果的整数部分,即心率值。

2 参数计数与电路实现

2.1 电路参数计算

2.1.1 测量N的电路参数计算

要实现N的测量,需要解决的问题是在多少频率的计数脉冲下,需要多少位的计数器才能满足精度的要求。实际使用的心率计,必须能够测出任何可能出现的心率值,而不单单是正常的心率,且测量精度要能满足要求。人的正常心率为50次/min~90次/min[1],但有些出生的婴儿的心率会达到210次/min,一些病理性问题可能造成心率低于40次/min。为了能够在任何情况下都能够准确测出待测者的心率,本设计将心率的准确测量范围定为30次/min~250次/min。

假设心率计的精度要求为测量误差次/min。在对心脏跳动间隔进行计数时,由于时序上的不同步造成的最大计数误差为次,假设所使用的计数信号频率为f,计数的结果为N,由测量精度要求,可以得出式(1)

求解上式,可得到,。故对两次心跳间隔进行计数的计数器必须选择12位。由于,在定脉冲产生模块中,要能产生60f=31 800次的定脉冲,其计数器必须选择16位。

综合两个计数器的位数,在充分利用所选的计数器资源的原则下,将脉冲频率选择1kHz,这样计数器最大能够计到,定脉冲产生模块的计数器所预置的值60f=60 000

1kHz的脉冲由晶振产生,由于晶振的频率只能取标准值,选择400kHz的晶振进行400分频得到1kHz的脉冲信号。

2.1.2 定脉冲产生电路参数计算

通过前面介绍,知道心率值是通过计算得到,而计算则是采用定脉冲的方法。现在要解决的一个问题是:定脉冲方法是通过计数的方法得到60f个脉冲中有多少个N,如果产生定脉冲的晶振频率太低的话,会造成在两次心跳的时间间隔内60f个脉冲还没有完全输出,这样得到的结果就不是真实的值;如果频率太高,又给整个系统的布线带来难度,造成成本的上升。

通过分析得知,要使定脉冲产生电路能够有效工作,必须使得在可能出现的最短心跳时间间隔内完成定脉冲的输出。经前面讨论知道最短的时间间隔为0.24s,要在0.24s的时间内完成60f个脉冲的输出,必须满足式:

(4)

在前面的计数电路中,选择的晶振频率为400kHz,能够满足上述要求,故此处的晶振与前面介绍的计数电路用同一个晶振即可。

2.2 定脉冲发生电路

如图1当心率信号到来时,将RS锁存器置1,打开与门,这样就可以使脉冲信号输出,同时心率信号将16位计数器清零。清零以后,计数器在400kHz的脉冲信号作用下进行计数,当计满60 000(1110101001100000)时,通过7输入与门产生高电平将RS置 0,这样即将2输入与门封锁,脉冲无法输出,达到定脉冲输出的功能。

2.3 60f/N计算电路

该电路的功能是实现对60f/N的取整计算。电路主要分为3个功能模块,分别是计数结果锁存模块,计数模块和比较模块。

如图2所示,计数结果锁存模块为锁存器1,其作用是锁存N值,为比较电路提供操作数;计数器2的作用是对定脉冲输出进行计数,将计数的结果送入比较器与锁存器1中的N值进行比较,当两者相等时,比较器输出脉冲信号,该脉冲信号作为计数器3的计数脉冲信号,同时作为计数2器的清零信号。清零后,计数器2进行下一轮的计满N清零操作,直到定脉冲输出到达60f,不再有脉冲信号输出为止。最后计数器3值即为60f/N的值,即心率值。

最后可将计数器3的值送入7段数码管显示,即可方便知道心率的大小。

3 结论

测量准确、响应速度快、成本低的心率计对医院医生的诊断有重要的作用。本设计采用硬件实现除法的功能从而实现心率的测量,具有简单高效准确的特点;同时这种用硬件电路实现除法的方法在精度要求不高的场合下具有一定的意义。

参考文献

[1]白永菊.应重新规定心率正常值.国外医学护理学分册, 1996,15(6):261-262.