基于FPGA的ECG信号滤波与心率计算verilog实现,包含testbench

本文主要是介绍基于FPGA的ECG信号滤波与心率计算verilog实现,包含testbench，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

目录

1.算法运行效果图预览

2.算法运行软件版本

3.部分核心程序

4.算法理论概述

4.1 ECG信号的特点与噪声

4.2 FPGA在ECG信号处理中的应用

4.3 ECG信号滤波原理

4.4 心率计算原理

4.5 FPGA在ECG信号处理中的优势

5.算法完整程序工程

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1.算法运行效果图预览

其RTL结构如下：

2.算法运行软件版本

vivado2019.2

3.部分核心程序

...................................................................//调用心率数据
ECG_data ECG_data_u(.i_clk (i_clk), .i_rst (i_rst), .o_data(o_data));//low filter
wire signed[31:0]w_channel_output1;fir_lower fir_lower_u(.aresetn            (~i_rst), // input sclr.aclk               (i_clk), // input clk.s_axis_data_tvalid (1'b1), // output rfd.s_axis_data_tready (),.s_axis_data_tdata  ({o_data[11],o_data[11],o_data[11],o_data[11],o_data}), .m_axis_data_tvalid (), .m_axis_data_tdata(w_channel_output1) // output [24 : 0] dout
);
assign o_data_filter1=w_channel_output1[25:10];//high filter//这里和论文不一样，我再增加一个高频滤波
wire signed[31:0]w_channel_output2;
fir_higher higher_filter_u(.aresetn            (~i_rst), // input sclr.aclk               (i_clk), // input clk.s_axis_data_tvalid (1'b1), // output rfd.s_axis_data_tready (),.s_axis_data_tdata  ({o_data_filter1}), .m_axis_data_tvalid (), .m_axis_data_tdata(w_channel_output2) // output [24 : 0] dout
);assign o_data_filter2=w_channel_output2[25:10];//平均滤波
avg_filters avg_filters_u(.i_clk       (i_clk), .i_rst       (i_rst), .i_data      (o_data_filter2), .o_avg_filter(o_data_avgfilter));//===============================================================
wire[15:0]o_pv2_1;dyn_lvl dyn_lvl_u(.i_clk   (i_clk), .i_rst   (i_rst), .i_agcamp(16'd1500), .i_pv2_1 (o_pv2_1), .o_lvl   (o_lvl));find_heart_max find_heart_max_u(.i_clk      (i_clk), .i_rst      (i_rst), .i_lvl      (o_lvl), .i_peak     (o_data_avgfilter), .o_pv2_1    (o_pv2_1), .o_idx_1    (o_idx_1), .o_delay_cnt(o_delay_cnt), .o_syn      (o_syn), .curr_state (), .cnten      (), .cnt0       (), .cnt1       (), .cnt2       (), .cnt3       (), .cnt4       (), .max_1      (), .max_2      (), .max_3      (), .max_4      ());assign o_peaks = o_pv2_1;//计算心率
heart_rate_cal heart_rate_cal_u(.i_clk(i_clk), .i_rst(i_rst), .i_heart    (o_syn), .o_heartrate(o_heartrate), .o_heartcnt (o_heartcnt));endmodule
37_006m

4.算法理论概述

         心电图（ECG）是医学领域中常用的一种无创检测技术，用于记录和分析心脏的电活动。由于ECG信号微弱且易受到噪声干扰，因此在采集和处理过程中需要进行滤波以提取有效信息。同时，根据滤波后的ECG信号，可以进一步计算心率等生理参数。现场可编程门阵列（FPGA）以其并行处理能力和可重构性，在ECG信号处理中发挥着重要作用。

4.1 ECG信号的特点与噪声

         ECG信号是一种低频、微弱的生物电信号，其频率范围主要集中在0.05Hz至100Hz之间。典型的ECG波形包括P波、QRS波群和T波等。在信号采集过程中，ECG信号容易受到基线漂移、工频干扰、肌电干扰和电极接触噪声等的影响。

4.2 FPGA在ECG信号处理中的应用

       FPGA作为一种高性能的数字信号处理器件，可以实现复杂的数字滤波算法，以去除ECG信号中的噪声干扰。常用的数字滤波器包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器等。

4.3 ECG信号滤波原理

1. 低通滤波器：用于去除高频噪声，如肌电干扰和工频干扰。其数学表达式为：

(H(z) = \sum_{k=0}^{N} b_k z^{-k} / \sum_{k=0}^{M} a_k z^{-k})

其中，(H(z))为滤波器的传递函数，(b_k)和(a_k)为滤波器的系数，(N)和(M)为滤波器的阶数。

1. 高通滤波器：用于去除基线漂移等低频噪声。其数学表达式与低通滤波器类似，但系数不同。

2. 带通滤波器：结合低通和高通滤波器的特点，仅允许特定频率范围内的信号通过，以提取ECG信号中的有效信息。

4.4 心率计算原理

        心率计算通常基于ECG信号中的R波进行检测。R波是ECG信号中幅度最大、最易于识别的波形之一。通过检测R波的间隔时间（RR间期），可以计算出心率。

        心率（HR）的计算公式为：

        (HR = 60 / RR)

        其中，RR为两个相邻R波的时间间隔（以秒为单位）。

       在FPGA中实现心率计算时，通常需要先对滤波后的ECG信号进行阈值检测或峰值检测，以准确识别R波的位置。然后，通过计时器或计数器测量RR间期，并根据上述公式计算心率。

4.5 FPGA在ECG信号处理中的优势

1. 并行处理能力：FPGA可以同时处理多个数据通道，实现高速的ECG信号采集和处理。

2. 可重构性：FPGA可以根据不同的应用需求灵活配置滤波器和心率计算算法。

3. 低功耗：相比其他高性能处理器，FPGA在功耗方面具有优势，适用于便携式医疗设备。

5.算法完整程序工程

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