摘 要：介绍了一种的由取样电路、放大整形电路、计数显示电路、电源电路四部分组成的新型心率计的设计方法。采用高集成度、高性能、低功耗、高频高速的集成芯片实现计数译码模块。具有时基信号频率稳定，设置合理，计数器清零及时，瞬时心率周期内准确计数等优点。测量范围为0～199次/min，两位半数字显示测量值。
　　关键词： 瞬时心率； 数字方法； 快速； 两位半显示

 　　心跳速率是了解人体健康状况的重要参数之一，实时准确显示心率在生物医学以及体育运动方面都有广泛的应用。
　　目前使用的心率计其测量范围几乎都是每分钟几十至两百多次。本文介绍一种新型数字心率计的设计，其测量范围为0～199次/min，并作两位半数字显示，所显示心率值是前一次心跳的速率（每心跳一次心率显示更新一次）。本心率计能快速测量出人体瞬时心率值，对于极低的心率依然能够准确测量出来。
1 测量方法
　　设两次心跳间隔时间为T秒，则瞬时心率（Instantaneous Heart Rate）可表示为：
　　IHR=60/T （次/min）
　　即先测量两相邻R波之间的时间T秒（即瞬时心率周期），再将这个心率周期转换为每分钟的心跳次数。
如果用频率为f的时钟脉冲作为测量时间基准信号，在T秒时间内对时钟脉冲计数，并设计数值为N，则T=N/f，故瞬时心率的计算公式又可表示为：
IHR=60f/N  （次/min）
　　只要算出脉冲数，即可根据上式求出瞬时心率[1]。
2  电路组成及工作原理
2.1  电路组成方框图
　　心率计电路基本组成框图如图1所示。

　　通过取样电路获得微弱的人体心电信号（约0.5mV～3 mV），通过具有低通滤波特性的放大器将心电信号放大到2V左右，并将心电信号含有的音频干扰滤除。整形电路先由比较器将脉搏波变换为方波，再通过单稳态触发器把不规则的方波整形成为宽度相同，并且小于一个时钟周期的“干净”的矩形脉冲。石英晶体多谐振荡器产生频率稳定的时钟脉冲作为时基信号。计数器在心率周期T秒时间内对输入的时钟脉冲个数进行计数，经过译码存储电路即可得到瞬时心率值的BCD码，再经过锁存驱动电路送至显示电路进行显示。利用心电信号经过放大整形得到的矩形窄脉冲作为锁存器的锁存使能信号，并经过延迟后作为计数器的清零信号，这保证了计数器在瞬时心率周期内进行计数，且锁存显示的是前一次心跳的速率。
2.2 各模块的电路及工作原理
2.2.1 取样传感器
　　取样电路采用抗腐蚀的陶瓷压力传感器CPS182。抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠通斯电桥。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比、与激励电压成正比的高度线性度电压信号。通过激光标定，该传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性。
2.2.2  放大整形电路
　　放大器由第一级放大器A₁、第二级放大器A₂和RC低通滤波器组成，如图2所示。对这部分电路的设计要求有：(1)输入阻抗高，输出阻抗低；(2)放大倍数足够大；(3)低频响应好；(4)温度漂移小；(5)抗干扰能力强[2]。

　　电阻R₁与电容C₁、电阻R₃与电容C₂构成低通滤波器，将脉搏波中的音频噪声滤去。R₁ 、R₃取阻值为2 kΩ，C₁，C₂容量根据实际测量值而定。第一级运放A1采用差动比例放大电路（因前面为电桥电路），第二级运放A2采用电压串联负反馈，提高了放大倍数的稳定性，且运放级输入电阻较大，输出电阻较小。第一级电压放大倍数为：              
　　
　　显然,上式忽略了电容C₁的影响。实际上，总电压放大倍数A<1020倍,且心跳频率不同,A也不同。
放大器输出的心电信号还不能直接用于心率测量，必须经过整形电路变换成脉冲信号。整形电路如图3所示。本设计的整形电路先通过比较器把脉搏波变成方波，再通过R₁₀与C₆进行微分后触发555组成的单稳电路把方波整形成宽度也相等的窄脉冲，以作为锁存使能信号和计数器延时清零信号。

2.2.3  计数译码显示电路
　　本设计的计数译码显示电路如图4所示。采用12位二进制计数器74HC4040与4位二进制计数器74LS163级联构成16位二进制计数器。其计数值在0～65 535之间，所计得的二进制数作为EPROM uPD24C1024D的地址码，该地址单元存储的数据为相应瞬时心率值的BCD码。EPROM输出的数据送到3片具有锁存驱动功能的芯片CC4511以驱动用于显示个位、十位、百位的LED显示器[3]。

 　　假设心率为150次/min，那么计数器在一个周期T内,可以计数得到脉冲数N=60×1 000/150=400(个)，化为十六进制数为190，即在EPROM的190地址单元中填上心率值150的个位、十位、百位数，亦即D8为1；D7、D6、D5、D4分别为0、1、0、1；D3、D2、D1、D0均为0。如果心率为80次/min，则计数器在一个周期内计得的脉冲数为N=60×1 000/80=750(个)，用十六进制数表示为2EE，即在EPROM的2EE的地址单元中填上心率值80的个位、十位、百位数，亦即D8为0；D7、D6、D5、D4分别为1、0、0、0；D3、D2、D1、D0均为0。如果心率为10次/min，则计数器在一个周期内计得的脉冲数为N=60×1  000/10=6 000(个)，用十六进制数表示为1 770，即在EPROM的1 770的地址单元中填上心率值10的个位、十位、百位数，亦即D8为0；D7、D6、D5、D4分别为0、0、0、1；D3、D2、D1、D0均为0。依此编码。由于实际计数值与理论值存在差异，一定范围数内的N值可以表示同一心率值，因此EPROM的多个地址单元可能存放同一个心率数值，且心率越低所对应地址个数越多。
2.2.4  电源电路
　　电源电路部分采用常规方法设计[3]，220V交流电经过整流、滤波、稳幅，输出稳定的直流电压，向各部分电路供电。适当设置变压器原副线圈的匝数比，使电源电路能提供+15V、+5V的直流电压。电路图如图5所示。

　　EPBOM输出的数据反映瞬时心率值，经过锁存后再进行显示，锁存使能信号取自555输出的心电信号窄脉冲，当脉冲上升沿到来时，锁存器锁存当前数值。心电信号窄脉冲经过74LS04非门延迟（约50 ns）后作为计数器的清零信号，清零后计数器重新开始计算下一心率周期内输入的脉冲个数。延迟电路确保在计数器清零之前，锁存器CC4511有足够的锁存时间。因此，保证了计数器在瞬时心率周期内进行计数，且锁存显示的是前一次心跳的速率。
　　由瞬时心率计算公式：IHR=60f /N（次/min）可知，当周期计数值N较小时，N变化一个单位（增大或减小1）对应的瞬时心率值变化比较大。显然，低心率处的分辨率较好，高心率处的分辨率较差。而在实际心率测量中，人们习惯1跳/min的分辨率，更高的分辨率没有必要。因此，综合考虑分辨率要求以及EPROM的地址范围（0～65 535），本设计采用频率f=1000 Hz的高稳定度的时钟脉冲作为时基信号。时钟脉冲频率的稳定度，直接决定着计时的精度，本设计的时钟电路选用振荡频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。调节电容C4的容值，使晶振时钟频率稳定在f=1000 Hz。
　　由瞬时心率计算公式IHR=60f/N  （次/min）可得
　　N = 6 0 f /IHR=60×1000/IHR
　　因此，瞬时心率值IHR与计数值N的关系如表1所示[4]。
 

　　本设计采用数字方法测量瞬时心率，这种方法的优点是测量精度高，可靠性好，并且使用了高集成度、高性能、低功耗、高频高速的集成电路，能够很好地实现对瞬时心率的测量。
参考文献
[1] 魏庆国,奉华成.基于FPGA的数字式心率计 [J].电子技术应用,2005,31(7):75-77.
[2] 梁延超.电桥传感式数字心率计 [J].现代医学仪器与应用，1995,7(3):14-19.
[3] 王新贤.通用集成电路速查手册（第二版） [M]. 济南:山东科学技术出版社,2002.
[4] 张玉明.一种高可靠瞬时心率计的设计 [J].医疗设备信息(研究通讯),1995,(5):5-7.