基于FPGA的ECG心电信号峰值检测和心率计算,包括testbench测试文件和ECG数据转换为coe文件程序

1.算法运行效果图预览

2.算法运行软件版本

vivado2019.2

matlab2022a

3.算法理论概述

        心电图（ECG）是一种广泛应用于医疗诊断的技术，用于监测心脏的电活动。随着医疗技术的发展，基于FPGA（现场可编程门阵列）的ECG信号处理系统越来越受到关注。这种系统具有高实时性、高可靠性、低功耗等优点，能够满足现代化医疗设备的需求。本文将详细介绍基于FPGA的ECG心电信号峰值检测和心率计算的方法，包括原理、公式和实现过程。

       ECG信号是一种生物电信号，反映了心脏的电活动。在ECG信号中，峰值点对应于心室除极过程中的最大电压，是分析ECG信号的重要特征之一。通过检测ECG信号的峰值点，可以确定心跳的起止时刻，从而计算心率。

       基于FPGA的ECG信号峰值检测和心率计算方法主要包括以下几个步骤：

ECG信号预处理：由于ECG信号中存在噪声和其他干扰，需要对信号进行预处理，以便后续的峰值检测和心率计算。预处理方法包括滤波、放大和去基线漂移等。

峰值检测：在预处理后的ECG信号中，通过一定的算法检测峰值点。常用的峰值检测算法包括阈值法、斜率法和最大值法等。

心率计算：通过检测到的峰值点，计算心率。常用的心率计算方法包括周期法、频率法和瞬时心率法等。

在峰值检测和心率计算过程中，涉及到的公式包括：

基于FPGA的ECG信号峰值检测和心率计算的实现过程如下：

ECG信号采集：通过ECG采集设备获取原始的ECG信号。

ECG信号预处理：对原始ECG信号进行预处理，包括滤波、放大和去基线漂移等操作，以便后续的峰值检测和心率计算。

峰值检测：根据选定的算法（如阈值法、斜率法或最大值法），在预处理后的ECG信号中检测峰值点。

心率计算：根据检测到的峰值点时间间隔和心跳周期的关系，计算心率。

数据传输和存储：将计算得到的心率数据传输给上位机或存储设备进行后续处理和分析。

系统调试和优化：根据实际需求和系统性能进行系统调试和优化，以提高系统的准确性和实时性。

       基于FPGA的ECG心电信号峰值检测和心率计算方法具有高实时性、高可靠性和低功耗等优点，能够满足现代化医疗设备的需求。通过对ECG信号的预处理、峰值检测和心率计算等步骤的实现，可以实现对ECG信号的准确分析和处理。这种技术对于医疗诊断、健康监测和运动训练等领域具有广泛的应用前景。

4.部分核心程序

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/09/05 04:23:51
// Design Name: 
// Module Name: tops
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//
 
module tops(
input i_clk,
input i_rst,
output signed[11:0]o_data,
output signed[15:0]o_pv2_1, 
output signed[15:0]o_pv2_2, 
output signed[15:0]o_pv2_3, 
output signed[15:0]o_pv2_4, 
output             o_syn, 
output signed[31:0]o_heartrate,
output signed[15:0]o_heartcnt 
);
    
    
//调用心率数据
ECG_data ECG_data_u(
    .i_clk (i_clk), 
    .i_rst (i_rst), 
    .o_data(o_data)
    );
 
    
// ECG峰值检测模块find_heart_max的实例化，用于检测ECG信号的峰值信息  
//ECG峰值检测  
find_heart_max find_heart_max_u(
    .i_clk      (i_clk), 
    .i_rst      (i_rst), 
    .i_lvl      (16'd500), // 阈值设定为500，此处需要确认该数值的单位和范围是否正确
    .i_peak     ({o_data[11],o_data[11],o_data[11],o_data[11],o_data}),  // 将ECG数据打包成5个11位的信号作为输入峰值信号  
	 
    .o_pv2_1    (o_pv2_1), // 输出的第1峰值电压值  
    .o_pv2_2    (o_pv2_2), // 输出的第2峰值电压值  
    .o_pv2_3    (o_pv2_3), // 输出的第3峰值电压值  
    .o_pv2_4    (o_pv2_4), // 输出的第4峰值电压值  
    .o_idx_1    (), 
    .o_delay_cnt(), 
    .o_syn      (o_syn), // 同步信号，用于控制心率计算模块的工作时序  
    .curr_state (), 
    .cnten      (), 
	 
    .cnt0       (), 
    .cnt1       (), 
    .cnt2       (), 
    .cnt3       (), 
    .cnt4       (), 
	 
    .max_1      (), 
    .max_2      (), 
    .max_3      (), 
    .max_4      ()
    );
//根据峰值位置计算近似心率
//计算心率
heart_rate heart_rate_u(
    .i_clk(i_clk), 
    .i_rst(i_rst), 
    .i_heart    (o_syn), 
    .o_heartrate(o_heartrate), 
    .o_heartcnt (o_heartcnt)
    );
 
endmodule