基于LabVIEW和DSP技术的人工关节试验机数据采集和控制系统

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 4.13MB 111 页 15积分

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摘要

人工关节模拟试验机主要是用于评价人工关节假体生物材料的摩擦磨损特性

的装置。在完成试验机机械结构设计、制作的基础上，本课题设计了一种基于

LabVIEW 和DSP 技术的人工关节试验机数据采集和控制系统。

首先，在人工关节仿真模拟系统的柔性加载、机械运动和润滑模拟部分设计

完成的基础上，重点设计了髋关节、膝关节、脊椎关节仿真模拟系统的数据采集

和控制系统。本论文采用 DSP 开发板平台和 LabVIEW 软件进行人工关节数据采

集和控制系统的设计研究，将 DSP 开发板上主芯片 TMS320F2812 丰富的片上资

源、较高的数据处理能力与功能强大的图形化编程虚拟仪器开发平台 LabVIEW 相

结合，并通过串行通讯接口将数据传送到 PC 机中。由 LabVIEW 软件对人体髋关

节、膝关节、脊椎关节的运动和载荷进行仿真，并通过传感器采集到的运动和载

荷曲线信号由 DSP 开发板处理后，再由 LabVIEW 软件显示。设计了基于 DSP 芯

片TMS320F2812 的控制电机仿真人体运动和载荷、数据采集、模/数(A/D)转换和

串口通讯模块程序。

其次，上下位机都遵循模块化设计。下位机采用自上向下的设计思路，主要

分析了主程序的总体框架结构、模拟量采集程序的设计、串口通讯程序设计和脉

冲宽度调制(PWM)控制步进电机程序。

最后，对设计的人工髋关节、膝关节、脊椎关节的运动和载荷仿真系统进行

了调试。在调试的过程中，系统整体运行正常，设计的串行通讯接口实现了上、

下位机之间的通讯。上位机 LabVIEW 操作界面能够正常的发送仿真人体髋关节、

膝关节、脊椎关节的运动和载荷，同时能够显示从下位机发送过来的仿真人体关

节运动和载荷的数字量信号，并对这些信号进行处理,得出仿真人体关节运动的实

际结果。下位机 DSP 芯片 TMS320F2812 通过串行通讯接口接受上位机发送过来

的信息后，能够实现对步进电机的控制、采集到模拟人体关节运动的传感器模拟

量信号,并进行模数转换，同时将处理后的传感器信息给上位机。通过对调试结果

的分析,本系统基本实现在同一人工关节试验机平台基于步态情况下对人体髋关

节、膝关节、脊柱关节运动和载荷的仿真，并对仿真的结果进行了实时的显示。

在今后的研究中，可以将本系统应用于人工关节试验机来对各种材质的人工关节

进行体外仿生力学实验，对假体材料的耐磨、耐压、抗疲劳等生物力学性能进行

科学评价，为临床应用提供依据。

关键词：人工关节试验机 LabVIEW DSP 仿真系统

ABSTRACT

The artificial joint simulater is mainly used to evaluate the friction and wear

properties of the biological prosthesis materials． After completing the structure design

and production of the simulator, an artificial joints simulator data acquisition and

control system based on LabVIEW and DSP technology was designed.

Firstly, after completing the design of the artificial joints flexible loading parts and

mechanical movement parts and lubrication parts of the analog simulation system, the

data acquisition and control system of hip, knee and spine joint simulation were

especially designed based on it. The DSP development board and LabVIEW software

platform virtual instrument system was used in the research and design of the control

system and data acquisition. A powerful and graphical programming for virtual

instrument development platform of LabVIEW was combined with the main chip

TMS320F2812 of DSP development board with a rich on-chip resources and high data

processing capacity. Through a serial communication interface, the data was transferred

to the PC. The hip joint, knee joint and spine joint movement and loading of the human

body were simulated by the LabVIEW software. After the movement and loading curve

signal were collected by the sensor and processed by the DSP development board, the

results were shown by the LabVIEW software on PC. The PWM motor control of

simulating the human joint motion and loading, data acquisition, Analog-to-Digital

(A/D) conversion and serial communication module part of the program was designed

based on the TMS320F2812 chip of DSP.

Secondly, a modular design was followed by the supervisory computer and the

senior machine. The senior machine was designed with the top-down ideas. The overall

framework of the main program, the design of Analog to Digital Converter (ADC)

analog acquisition program, the design of serial communication program and the PWM

motor control program were mainly analysed.

Finally, the designed simulation system of the artificial hip, knee and spine joint

about movement and loading was debugged. In the debugging process, the system

operated normally and the serial communication interface achieved the communication

between the PC and the DSP. The LabVIEW user interface of the PC was able to send

the simulation signal of human hip, knee, spine joint movement and loading, at the same

time, the human joint movement and loading digital signal sent from the DSP could be

displayed and handled before obtaining the actual results of the simulating about the

human joint movement. After the information were received by the DSP chip of

TMS320F2812 from the PC via a serial communication interface, the control of the

stepper motor could be realized and the sensor analog signals of simulating human joint

movement were acquisited, while the processed sensor information were sent to the PC.

From the analysis of debugging results, based on the gait case, the human hip, knee

and spine joint movement and load simulation were basically realized by this system for

the same artificial joint testing machine platform and the simulation results were

displayed in real time. In the future studies, the system can be applied to the vitro

mechanical experiments of the simulator for the carbon or other materials, and

evaluating the biomechanical properties such as wear, pressure resistance and

anti-fatigue to provide the basis for clinical application.

Key Word: Artificial joint simulator, LabVIEW, DSP, Simulation

System

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

§1.1 引言......................................................... 1

§1.2 人工关节仿真模拟试验机的研究现状 ............................. 2

§1.2.1 人工髋关节试验机研究现状 ................................. 3

§1.2.2 人工膝关节试验机研究现状 ................................. 9

§1.2.3 人工脊柱关节试验机研究现状 .............................. 13

§1.3 本文研究目的、主要研究内容及创新点.......................... 16

第二章人工关节试验机数据采集和控制系统开发环境 ........................................... 18

§2.1 虚拟仪器简介及开发环境介绍.................................. 18

§2.1.1 虚拟仪器介绍 ............................................ 18

§2.1.2 Lab VIEW 软件及开发环境介绍 ............................ 18

§2.2 DSP 芯片的选型和开发环境介绍 ................................ 19

§2.2.1 DSP 选型 ................................................ 19

§2.2.2 TMS320F2812 特点介绍 .................................... 20

§2.2.3 软件集成开发环境 CCS 介绍 ................................ 21

§2.3 本课题系统总体方案设计...................................... 22

§2.3.1 功能需求 ................................................ 22

§2.3.2 系统组成结构 ............................................ 23

§2.3.3 系统相关的功能模块说明 .................................. 23

§2.3.4 系统总体的设计方案 ...................................... 24

§2.4 本章小结.................................................... 25

第三章数据采集和控制系统硬件平台设计 ............................................................ 26

§3.1 总体硬件方案设计............................................ 26

§3.2 串口通信电路设计............................................ 28

§3.3 滤波电路设计................................................ 29

§3.4 本章小结.................................................... 32

第四章上位机 LabVIEW 和下位机软件的设计与实现 ............................................. 33

§4.1 上位机和下位机软件集成开发环境 Lab VIEW、CCS 简介 ............ 33

§4.2 上位机 Lab VIEW 软件总体设计方案............................. 33

§4.2.1 需求分析 ................................................ 33

§4.2.2 软件功能 ................................................ 34

§4.3 上位机 Lab VIEW 软件的设计与实现............................. 34

§4.3.1 人工髋关节数据采集和控制系统设计 ........................ 38

§4.3.2 人工膝关节数据采集和控制系统设计 ........................ 43

§4.3.3 人工脊柱关节数据采集和控制系统设计 ...................... 47

§4.4 DSP（下位机）软件总体框架................................... 51

§4.4.1 下位机初始化程序模块 .................................... 53

§4.4.2 ADC 数据采集程序模块 .................................... 53

§4.4.3 ADC 初始化程序设计 ...................................... 55

§4.5 SCI 程序发送和接受模块 ...................................... 57

§4.5.1 SCI 串行通信模块结构 .................................... 57

§4.5.2 SCI 发送和接收程序设计 .................................. 58

§4.6 人工关节试验机控制模块...................................... 59

§4.6.1 髋关节控制模块 .......................................... 60

§4.6.2 膝关节控制模块 .......................................... 61

§4.6.3 脊椎关节控制模块 ........................................ 61

§4.7 本章小结.................................................... 62

第五章人工关节试验机数据采集和控制系统性能评价 ......................................... 63

§5.1 信号仿真.................................................... 63

§5.2 控制系统仿真................................................ 65

§5.3 本章小结.................................................... 69

第六章总结与展望 ................................................................................................. 70

§6.1 总结 ........................................................ 70

§6.2 展望........................................................ 70

附录 .......................................................................................................................... 72

参考文献 .................................................................................................................... 99

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 106

致谢 ........................................................................................................................ 107

第一章绪论

§1.1 引言

随着社会的高速发展与进步，“以人为本”价值观念被广泛认同。但是由于疾

病、事故和战争等各种因素，导致人体骨骼病变和损伤，使得许多人变成残疾而

且失去了基本的生活能力，同时给病人自己、家庭及社会带来了极大的影响和沉

重的负担。20 世纪中期，英国曼彻斯特人 John Charnley、McKee、Watson-Farrar

等首先报道了类风湿性髋关节骨性关节炎采用全髋关节置换术治疗[1]。John

Charnley[2]制作了22.25mm 直径的不锈钢股骨头，髋臼的制作采用聚四氟乙烯

（PTFE），固定材料采用聚甲基丙烯酸甲酯（骨水泥），低摩擦的全髋关节假体

Charnley 型得以形成，McKee、Watson-Farrar[3]用的是不锈钢材料制作了全关节

假体，这些前人的研究奠定了现代人工关节置换手术的基础。从此以后，人工关

节置换手术得以迅速发展，日益成为治疗人类关节伤痛、重建人类关节相关功能

的重要技术手段。

近五十年来，人工关节材料作为研究人工关节置换技术的重要组成部分之一，

在最近 20 年得到了较快的发展。人工关节是指模仿人体关节制成的植入性假体

关节，以代替人体已经病变或损伤的关节,从而恢复人体关节的功能[1]。目前，人

工关节包括髋、膝、肩、脊柱、腕、跺、肘、踝等关节，其中主要是髋、膝、脊

柱关节的置换[2-3]。据不完全统计全球每年有 110 万例的髋关节植入，这个数字

还在逐年递增[4]。目前我国每年的发病人数近 500 万[5]，且随着我国社会老龄化

的到来，呈逐渐上升的趋势。因此，研制和发展人工关节置换技术，提高置换关

节材料的使用寿命，具有现实和深远的意义。

人工关节材料的摩擦磨损性能是决定其使用寿命的重要性能之一，因此对人

工关节材料摩擦磨损性能评价技术进行研究同样具有重要意义。人工关节的磨损

不仅能造成关节假体本身的破坏而引起机械性失效，还会产生大量磨损颗粒诱导

假体周围骨溶解[6-7,15]。人们对人工关节摩擦磨损方面的研究工作主要分为生物体

内研究和体外模拟实验研究。生物体内实验过程比较复杂，且实验风险大、成本

高、周期长，体外模拟实验过程则较为简单，易于观察和实验分析，同时，相对

的干扰因素比较少，且操作成本相对较低，所以与体内实验相比较，可以广泛的

推行和利用。但是，体外模拟实验也有着相当多的难点，其中主要是实际使用过

程中，人体关节和实验模拟中的人工关节存在着运动和生理环境差异性，也就是

真实情况还原度的问题。因此自 1965 年以来，研究者相继开发关节模拟试验装置，

曾采用销-盘(pin-on-disc)磨损实验、环一盘(ring-on-disc)磨损实验、四球实验磨损

及环块实验磨损等[8]，但是由于试验设备结构的限制，因此无法运用全尺寸关节

基于 LabVIEW 和DSP 的人工关节试验机数据采集和控制系统

副进行摩擦试验，而且，在提供的试件关节副接触运动形式以及相关的载荷特性

上，都与人体关节的实际运动状态相距较远。这样，开发更加真实地模拟人体关

节运动情况及环境的新型人工关节试验机变得相当的迫切，同时也为不同的假体

关节材料的临床应用，提供较为准确可靠的实验数据。同时，智能化、计算机化

是人工关节模拟试验机系统研究方向之一[9-11]，通过计算机和相应的电控模块，

可对关节模拟试验系统的各个模块进行有效的监控和测试。

§1.2 人工关节仿真模拟试验机的研究现状

人工关节的磨损，是一个非常严峻的临床问题[12]。经研究表明人工关节的后

期松动、人体关节的骨质溶解[13]等问题与人工关节的磨损有着直接关系。因此，

提高人工关节的使用寿命，延长其临床时间和减轻患者痛苦，亟待开展对人工关

节生物摩擦学特性方面的研究，只有掌握人工关节假体的摩擦磨损行为规律，才

能使人工关节设计更加合理，减少关节植入后的诸多问题。

在建立评价关节材料的摩擦磨损特性，往往需要进行相关的摩擦学试验。而

摩擦学试验的结果在很大程度上受试验设备的影响。因此，所选用试验机的主要

性能应尽可能模拟人体关节实际工况条件，如关节副接触方式、运动状态、载荷、

速度、温度及环境介质等。不同试验设备之间因运动机理不同，即使用同样材质

试件进行试验，所得结果也有很大出入[7]，如下图 1-1 不同试验机得到的不同体

积摩擦磨损率。

图1-1 不同试验机下得到的不同的体积磨损率[7]

所以，设计和制造可直接利用人工关节副作为试验对象，提供与人体关节的

实际运动工况相接近的运动形式及载荷类型的实验装置，对临床应用具有指导意

义。

第一章绪论

§1.2.1 人工髋关节试验机研究现状

髋关节在人体中作为负重关节，它同时承受多方位、多方式的复合力，例如

拉、压、扭转和界面剪切力及反复疲劳、磨损等等，因此人体的髋关节部位极易

发生关节疾病[1]。并且随着全球人口老龄化的日趋严重，加上事故和战争等原因

导致大量人体髋关节病变和损伤，都使得髋关节病症患者日益增多。常见的髋关

节疾病症状有股骨颈骨折、股骨头坏死、骨性关节炎、风湿及类风湿性关节炎、

强直性脊柱炎等[14]，如图 1-2。

(a) 正常的髋关节 (b) 髋关节外部损伤

图1-2 人体髋关节的外部损伤及各种炎症

人工髋关节置换术作为治疗髋部关节疾病的有效手段之一，具有缓解疼痛，

改善关节功能，恢复关节的稳定和肢体的功能等优点已经得到广大患者的认同，

并迅速推广，如图 1-3。

基于 LabVIEW 和DSP 的人工关节试验机数据采集和控制系统

（a）人体髋关节置换前后（b）人工髋关节结构

图1-3 人体髋关节置换术

人工髋关节模拟试验机是用于评价人工髋关节副生物材料的摩擦磨损特性，

以及验证理论计算结果与实际的吻合程度的实验装置。自从上个世纪 60 年代以

来，国内外的开发人员相继设计了多种关节模拟试验装置，例如环-盘磨损实验、

盘-销磨损实验、四球磨损实验及环块磨损实验等[19]。虽然这些试验机对研究人工

髋关节的摩擦磨损问题的研究上做出了一定贡献，但是摩擦学实验结果却不尽人

意。其中原因主要是试验设备和周围环境会对摩擦学试验的结果产生严重影响，

比如偶件接触方式、运动状态、载荷、速度、温度及环境介质等。而且由于实验

设备结构上的一定限制，无法真实的模拟人工髋关节运动情况及运动环境。

目前，世界上已开发的人工髋关节试验机主要是两轴摆动型(biaxial

rockingmotion，BRM)和三轴摆动型的，其中三轴型是由两轴型发展而来。常见两

轴摆动型一般由动力振动器、液压转换器、测量仪和电子控制器等四个主要的部

分组成。其结构示意图如图 1-4、1-5 所示。这种类型的结构形式能够较好的模拟

人体髋关节的运动方式和运动环境，所得到的试验结果大体上与临床试验数据相

吻合[28]。在倾斜的髋臼试件上固定着髋臼杯，其原理是，当两轴摆动型的人工髋

关节试验机工作时，安装在下方的步进电机驱动此机构旋转，并带动安装在组块

上的倾斜髋臼试件，围绕人工髋关节股骨头试件作相对十字交叉状的复合滑动摩

擦，可以模拟伸展/倔曲(flexion-extension (FE))、内旋/外旋(abduction-adduction

(AA))，而且 FE 和AA 两种运动的角度曲线相位差 π/2；模拟这两种运动只要改

变其相位即可。试验机的液压系统提供髋关节所特有的双峰载荷，髋关节股骨头

假体浸泡在润滑液中，温度传感器测量试验机内润滑液和假体摩擦面的温度，润

滑液温度通过恒温外壳使其维持在 37 左右，同时，相关的实验参数可以反馈到

工作台或计算机；同时试验机控制部分需密封安装起来。在试验过程中，对与髋

关节假体试件的污染可以通过上面提到的结构形式避免，同时对更换试件或扩展

用途可以很方便。目前世界上生产 BRM 型的各式模拟试验机主要是 MTS、HUT

等公司，而且他们的试验机试验结果都能较好地反映临床医学数据，随着技术的

发展，已经在向三轴摆动型发展。

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摘要：

摘要人工关节模拟试验机主要是用于评价人工关节假体生物材料的摩擦磨损特性的装置。在完成试验机机械结构设计、制作的基础上，本课题设计了一种基于LabVIEW和DSP技术的人工关节试验机数据采集和控制系统。首先，在人工关节仿真模拟系统的柔性加载、机械运动和润滑模拟部分设计完成的基础上，重点设计了髋关节、膝关节、脊椎关节仿真模拟系统的数据采集和控制系统。本论文采用DSP开发板平台和LabVIEW软件进行人工关节数据采集和控制系统的设计研究，将DSP开发板上主芯片TMS320F2812丰富的片上资源、较高的数据处理能力与功能强大的图形化编程虚拟仪器开发平台LabVIEW相结合，并通过串行通讯接口将数据传...

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