楊 抒，史春寶，靳忠民，解鳳寶

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院摩擦學(xué)研究所，四川成都 610031；2.北京市春立正達(dá)醫(yī)療器械股份有限公司，北京 101100）

可變載荷是指在整個(gè)設(shè)計(jì)使用過程中，其數(shù)值水平能夠始終處于變化狀態(tài)，且平均變化數(shù)值不被完全忽視的傳輸載荷結(jié)構(gòu)體。按照其自身橋涵結(jié)構(gòu)形式的不同，可細(xì)化分為活載（也叫基本可變荷載）與其他可變荷載兩類。由于載荷數(shù)值不會(huì)隨傳輸時(shí)間的累積而出現(xiàn)變化，因此恒定可變載荷也叫永久性荷載，一般情況下，其變化值與平均值之間的物理量偏差基本可以忽略不計(jì)。在整個(gè)恒定處理周期內(nèi)，可變載荷總是持續(xù)施加在既定應(yīng)用結(jié)構(gòu)體之中，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮載荷變量的長(zhǎng)期作用效應(yīng)[1]。

錐頸面是為了減緩關(guān)節(jié)疼痛而利用人工手段在髖關(guān)節(jié)球頭與股骨柄的接觸部位所形成的錐頸連接面，以治療髖關(guān)節(jié)疾病等。但是隨著人體運(yùn)動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，這種用于連接的錐頸面在髖關(guān)節(jié)假體中會(huì)出現(xiàn)明顯的微動(dòng)、磨損等現(xiàn)象，不僅會(huì)導(dǎo)致骨骼受力持續(xù)增大，也會(huì)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)造成影響?，F(xiàn)有的FPGA 型磨損檢測(cè)系統(tǒng)在以太網(wǎng)硬件接口電路的支持下，對(duì)關(guān)節(jié)處的人體運(yùn)動(dòng)帶電量進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，再借助既定連接協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)電量信息的提取與分析。但該系統(tǒng)的UTI 與STI 指標(biāo)數(shù)值水平過低，很難達(dá)到理想的標(biāo)準(zhǔn)條件。同時(shí)由于無法通過實(shí)驗(yàn)探測(cè)到錐頸面各方位的應(yīng)力、微動(dòng)幅值等數(shù)值，因此有學(xué)者將有限元分析應(yīng)用到錐頸面磨損檢測(cè)研究中，但是運(yùn)用該分析方法并不能有效進(jìn)行錐頸面磨損檢測(cè)，其UTI 與STI 指標(biāo)數(shù)值水平同樣較低[2]?；诖?，該文引入可變載荷理論，設(shè)計(jì)一種新型的錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)，首先搭建檢測(cè)系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境，分別從時(shí)鐘配置電路、數(shù)據(jù)鏈路層主機(jī)、軟核檢測(cè)處理器三部分進(jìn)行搭建設(shè)計(jì)；其次搭建檢測(cè)系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境，分別進(jìn)行媒介工作模式配置、PHY 初始化檢測(cè)程序設(shè)計(jì)以及GigE Vision 檢測(cè)協(xié)議連接處理設(shè)計(jì)等。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效確定錐頸面的磨損行為。

1 檢測(cè)系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境搭建

錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由時(shí)鐘配置電路、數(shù)據(jù)鏈路層主機(jī)、軟核檢測(cè)處理器三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 時(shí)鐘配置電路

時(shí)鐘配置電路是錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)中的底層電量供應(yīng)元件[3]，在已知變動(dòng)載荷輸出量條件的情況下，控制人體運(yùn)動(dòng)電子在單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)際傳輸數(shù)值，一般情況下，電路結(jié)構(gòu)體所承擔(dān)的人體運(yùn)動(dòng)電子量越多，錐頸面的實(shí)際磨損情況也就越嚴(yán)重。當(dāng)MAX31342 設(shè)備保持較強(qiáng)電子輸出能力時(shí)，存在X1與X2 感應(yīng)接口之間的電阻R快速增大自身已接入的阻值水平[4]，而當(dāng)該物理數(shù)值達(dá)到既定限度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，MCU（MicroController Unit）設(shè)備 會(huì)對(duì)MAX31342主機(jī)中的人體電流進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，直至能夠準(zhǔn)確感知錐頸表面的實(shí)際骨體磨損情況。時(shí)鐘配置電路示意圖如圖1 所示。

圖1 時(shí)鐘配置電路示意圖

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層存在于錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)的中層連接主體之中，可在時(shí)鐘配置電路元件的作用下，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)電子進(jìn)行規(guī)劃及再次整合，其最基本的服務(wù)功能是將源自上一層級(jí)的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點(diǎn)的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)層，即能夠?qū)⑦€未完全消耗的電子參量反饋至下層系統(tǒng)的應(yīng)用元件之中[5]。隨著可變載荷調(diào)節(jié)強(qiáng)度的增大，錐頸面的實(shí)際滑動(dòng)能力也會(huì)增強(qiáng)，且當(dāng)錐頸外錐表面上的摩擦系數(shù)值達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，人體也會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入持續(xù)性的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，而當(dāng)時(shí)鐘配置電路中的電子輸出量不再發(fā)生改變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)環(huán)境中的電子磨損消耗量也會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。規(guī)定系統(tǒng)環(huán)境中的可變載荷條件始終不會(huì)超過理想數(shù)值水平[6]。數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)圖

1.3 軟核檢測(cè)處理器

軟核檢測(cè)處理器是錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)的核心電子處理元件，能夠在時(shí)鐘配置電路、數(shù)據(jù)鏈路層等多個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)體的作用下，執(zhí)行應(yīng)用環(huán)境中的可變載荷約束條件[7]。通常情況下，人體錐頸面與系統(tǒng)核心檢測(cè)主機(jī)之間存在明顯的雙向交流行為，且隨著RAM 端口執(zhí)行能力的增強(qiáng)，相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)體之間的連接緊密度也會(huì)不斷增大，直至系統(tǒng)檢測(cè)主機(jī)能夠?qū)θ梭w消耗電量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[8]。若以一個(gè)中斷信號(hào)傳輸周期作為判別系統(tǒng)檢測(cè)能力的核心應(yīng)用條件，則可在數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)中設(shè)置多個(gè)檢測(cè)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)其中指標(biāo)參量的具體記錄情況，確定軟核檢測(cè)處理器的連接能力[9]。軟核檢測(cè)處理器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟核檢測(cè)處理器結(jié)構(gòu)圖

至此，完成了錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境搭建。

2 檢測(cè)系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境搭建

在硬件執(zhí)行環(huán)境的支持下，按照媒介工作模式配置、PHY 初始化檢測(cè)程序設(shè)計(jì)、GigE Vision 檢測(cè)協(xié)議連接的處理流程，完成系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，與系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于可變載荷的錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)[10]。

2.1 媒介工作模式配置

媒介工作模式能夠保證錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)物理層與數(shù)據(jù)鏈路層工作模式的一致性，且能夠在可變載荷的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體電量的集中調(diào)度與分配。在已知待檢測(cè)電量傳輸穩(wěn)定的情況下，可借助ME88111 寄存器設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)媒介工作模式的初步調(diào)節(jié)，在此過程中，人體電量分子大量累積[11]，一部分直接用于系統(tǒng)后續(xù)檢測(cè)指令的執(zhí)行，另一部分則直接存儲(chǔ)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體之中，以供錐頸面組織的二次調(diào)度。規(guī)定系統(tǒng)內(nèi)的傳輸電壓量始終不會(huì)超過人體所能承受的安全電壓值，那么在傳輸電壓累積量處于該數(shù)值之下時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的媒介工作模式始終將保持相對(duì)穩(wěn)定的連接狀態(tài)。媒介工作模式配置流程如圖4 所示。

圖4 媒介工作模式配置流程圖

2.2 PHY初始化檢測(cè)程序

錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)中的PHY 初始化檢測(cè)程序由MDIO、MDC、CTRL 三類共同組成，詳細(xì)如表1 所示。其中，MDIO 程序作用于系統(tǒng)中所有的錐頸面組織，單位時(shí)間內(nèi)所能承擔(dān)的安全電量值可達(dá)11 000 B，且始終能對(duì)可變載荷傳輸量進(jìn)行準(zhǔn)確感知。MDC程序作用于系統(tǒng)中所有的錐頸面結(jié)構(gòu)體，單位時(shí)間內(nèi)所能承擔(dān)的安全電量值僅能達(dá)到450 B，但對(duì)于可變載荷傳輸量的實(shí)際感知能力則相對(duì)較弱[12]。CTRL程序作用于系統(tǒng)中所有的已磨損錐頸成分，單位時(shí)間內(nèi)所能承擔(dān)的安全電量值處于500～1 000 B 之間，幾乎不能獨(dú)立感知系統(tǒng)內(nèi)的可變載荷傳輸量。

表1 PHY初始化檢測(cè)程序分類

2.3 GigE Vision檢測(cè)協(xié)議

GigE Vision 檢測(cè)協(xié)議連接是基于可變載荷錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的末尾處理環(huán)節(jié)[13]，可在已知PHY 初始化檢測(cè)程序現(xiàn)有執(zhí)行能力的基礎(chǔ)上，限定錐頸平面的實(shí)際磨損程度，并以此為條件，制定滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)執(zhí)行指令。簡(jiǎn)單來說，GigE Vision檢測(cè)協(xié)議是以自動(dòng)化圖像指令為標(biāo)準(zhǔn)所制定的主機(jī)處置協(xié)議，可在自動(dòng)化可變載荷領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)對(duì)人體電量數(shù)據(jù)的高速傳輸，一方面能夠借助各項(xiàng)系統(tǒng)執(zhí)行指令，處理待傳輸數(shù)據(jù)包，另一方面也可將待配置的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為直流傳輸?shù)男问健?/p>

至此，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中軟硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，基于此，在可變載荷理論的支持下，完成新型錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[14-16]。

3 系統(tǒng)應(yīng)用能力檢測(cè)

為驗(yàn)證基于可變載荷錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。選取一名錐頸面受損但仍舊具有行動(dòng)能力的病人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在其錐頸面部位植入一電量感知芯片，記錄該部位組織在既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的實(shí)際磨損情況。其中，實(shí)驗(yàn)組記錄主機(jī)搭載基于可變載荷的錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)照組記錄主機(jī)搭載現(xiàn)有FPGA 型磨損檢測(cè)系統(tǒng)。

已知UTI 指標(biāo)、STI 指標(biāo)均能反映人體錐頸面的實(shí)際磨損情況，一般情況下，UTI 指標(biāo)與STI 指標(biāo)的數(shù)值水平越高，人體錐頸面的實(shí)際磨損程度就越弱，反之則越強(qiáng)。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的UTI 指標(biāo)實(shí)際數(shù)值變化情況。

表2 UTI指標(biāo)對(duì)比表

通過分析表2 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組的UTI 指標(biāo)數(shù)值始終保持先上升、再穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，全局最大值達(dá)到了81.2%，且能夠保持相對(duì)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定化存在狀態(tài)。而對(duì)照組UTI 指標(biāo)數(shù)值則始終呈現(xiàn)下降與上升交替出現(xiàn)的變化狀態(tài)，全局最大值僅能達(dá)到66.9%，與實(shí)驗(yàn)組極值81.2%相比，下降了14.3%。此外，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到50 min 時(shí)，實(shí)驗(yàn)組的UTI 指標(biāo)數(shù)值比對(duì)照組的UTI 指標(biāo)數(shù)值高了38.1%。綜上可知，隨著基于可變載荷錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，UTI 指標(biāo)數(shù)值水平得到了有效促進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體錐頸面磨損程度的有效控制，符合保護(hù)人體骨關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能力的實(shí)際應(yīng)用需求。

表3 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的STI 指標(biāo)實(shí)際數(shù)值變化情況。

表3 STI指標(biāo)對(duì)比表

通過分析表3 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組的STI 指標(biāo)數(shù)值始終保持先穩(wěn)定、再下降的變化趨勢(shì)，全局最大值達(dá)到了85.4%，且能夠保持相對(duì)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定化存在狀態(tài)。而對(duì)照組的STI 指標(biāo)數(shù)值與實(shí)驗(yàn)組極值85.4%相比，下降了34.1%。此外，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到50 min 時(shí)，實(shí)驗(yàn)組的STI 指標(biāo)數(shù)值比對(duì)照組的STI 指標(biāo)數(shù)值高了29.3%。綜上可知，隨著基于可變載荷錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，STI指標(biāo)數(shù)值水平也出現(xiàn)了大幅上升，能夠在有效控制人體錐頸面磨損程度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體骨關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能力的合理化保護(hù)。

4 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的錐頸面磨損檢測(cè)系統(tǒng)通過搭建系統(tǒng)的硬件、軟件執(zhí)行環(huán)境，使得該檢測(cè)系統(tǒng)能夠在配置媒介工作模式的同時(shí)，也能夠滿足應(yīng)用需求的PHY 初始化檢測(cè)程序。從實(shí)用性角度來看，UTI 指標(biāo)數(shù)值、STI 指標(biāo)數(shù)值不斷增大，能夠在抑制錐頸面無效磨損行為的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)錐頸面組織滑動(dòng)的精準(zhǔn)化控制，而所設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的UTI 指標(biāo)數(shù)值、STI 指標(biāo)數(shù)值均高于現(xiàn)有FPGA 型磨損檢測(cè)系統(tǒng)，表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)完全符合實(shí)際的應(yīng)用需求，具備較強(qiáng)的推廣可行性。