基于ZYNQ的皮肤支架打印机

孙建其，张 博，张文栋，周传刚

(太原理工大学 信息与计算机学院，新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室，山西 晋中 030600)

3D打印可再生人工组织主要用于药品检测，组织移植(皮肤、骨骼、血管)等各个医疗领域。中国人口数量庞大，近年来，由于工伤、交通事故、自然灾害和环境污染，人体神经组织和免疫器官功能受损或免疫功能完全缺失的疾病患者的总人数也在快速增加；与此同时，随着近年我国国民经济的快速发展和我国人民对于生活品质水平的要求持续不断提高，人们对生物再生材料等医疗产品的需求持续上涨，行业市场发展空间广阔[1]。同时，我国烧伤年发病率约为1.5%～2%，即每年大约有2 000万人遭受不同程度烧伤，其中200万的烧伤病人需要进行植皮手术治疗[2]。2016年11月，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，提出要加快推进组织器官修复和替代材料及植入医疗器械产品的创新和产业化[3-4]。

生物活性支架作为组织工程三要素的核心，它不仅可以为生物组织提供立体的生存环境，而且其结构可以创造出有利于创伤处细胞生长的环境。支架通过增加对受损部位的覆盖来减少出血、组织液渗出以及二次感染。支架材料所具有的特殊生物活性及其多孔结构有利于受损部位细胞的黏附迁移、物质交换，十分适合细胞等人体组织的生长。因此科研人员对如何制备生物活性支架的问题越发重视。与传统制备生物活性支架的方法相比，通过3D打印技术打印出的支架不仅可以根据预设的大小和孔间距离打印出完全连通的立体结构，而且更具有灵活性及可重复性[5-9]。

但是现有的3D生物打印机存在打印精度低、打印时间长、材料挤出不稳定的问题。基于此，本文设计了一种基于ZYNQ的皮肤支架打印机，利用其内嵌的ARM处理器为核心，辅助以内嵌的可编程逻辑器件来控制三轴位移平台，通过在可编程逻辑器件上实现电机控制的加减速器控制来提高打印的精度，利用可编程逻辑器件的并行性提高打印的速度。在一定程度上解决了现有打印机的精度、速度和出料不均匀问题。并且研制了基于ARM的嵌入式软件，利用该软件可以灵活地根据打印的支架材料来调节喷头打印的压力、喷头的开启时间和打印间隙，制备出完全连通的皮肤支架，同时简化了相关医护人员的操作。

1 系统结构

1.1 系统整体结构

本次设计采用软硬件协同设计的方式来实现整个系统。首先是搭建硬件系统，硬件系统主要包括在ZYNQ的PL端实现3个电机的控制信号的输出[10-12]，再通过控制电路将PL端输出信号的电压转化为电机正常工作的电压；其次，在硬件系统的基础上在搭建嵌入式Linux操作系统，Linux操作系统通过硬件驱动层来管理控制硬件系统；最后在应用层利用QT技术开发图形界面[13-14]。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构Fig.1 Structure of whole system

1.2 电路设计

系统的硬件设计主要由三部分构成。首先是ZYNQ芯片及其外围电路。其次是控制电路，主要包括电机控制电路、喷嘴控制电路和比例阀控制电路。由于打印需要，系统还设计了雾化电路和温度控制电路，其中雾化电路是由于在打印海藻酸钠时需要利用氯化钙进行交联，所以需要将氯化钙雾化，以便其可以均匀地洒在海藻酸钠上；由于在制备支架时可能会打印对温度敏感的材料(如明胶等)并且需要控制打印平台的温度，所以设计了一个加热电路。

1.2.1ZYNQ及其外围电路

设计采用的ZYNQ芯片XC7Z020，具体的外围电路包括晶振、串口、SD卡、电源、DDR等。其中UART是在调试时与PC上位机的串口调试，4 GB的SD卡来充当系统的硬盘，DDR暂时存储系统运行的数据。

1.2.2控制电路

电机的控制电路主要是将ZYNQ的PL端所提供的步进电机运转所需要的使能、脉冲、方向信号进行电压的控制。喷嘴使用德国的高精度喷嘴，它的保持电压为+5 V，开启电压为+24 V.所以设计通过一个相加电路使其达到喷嘴所需的保持电压。通过三极管电路将电压拉高到24 V，由于打印不同的材料所需的开启时间不同，为了便于在硬件上调节它的开启时间，实现调节的软硬件兼容，电路通过添加555定时器来达到调节喷嘴时间的目的，关键电路如图2所示。

图2 控制电路Fig.2 Pilot circuit

1.2.3雾化电路

雾化电路原理是通过超声波换能的方法来产生高频振动使水面发生雾化。系统通过TTP227和TTP320芯片辅助以三极管和三脚电感来实现；由于每一个雾化片的最佳频率(一般在92～180 kHz)有差别，所以为了找到微孔雾化片的最佳频率，设计在TTP320的6引脚上通过一个1 Ω的反馈机制来检测电压的大小，达到检测电流大小的目的。检测到最大电压时所发送的频率即为该雾化片的最佳频率，图3为雾化电路原理图。

图3 雾化电路Fig.3 Atomization circuit

1.2.4加热电路

加热电路是通过温度传感器来读取实时的温度，再通过可控硅和电阻丝来达到设定的温度。系统选择了DS18B20温度传感器来测试温度。在可控硅和电阻丝的加热电路里加入了继电器，使得加热模块有了继电器和可控硅的双重保护，只有继电器和可控硅同时开启才有电流流入电阻丝达到加热的效果。具体电路如图4所示。

2 软件设计

系统的软件设计主要包括在主控中心程序设计和在FPGA的程序设计。前者代码运行于XC7Z020芯片PS端的Linux系统下，采用C++编写。后者运行于XC7Z020芯片PL端下，采用Verilog编写。

2.1 主控中心程序设计

主控中心程序设计主要包括两部分：一是在XC7Z020芯片PS端搭载Linux系统；二是应用软件的设计。

2.1.1嵌入式操作系统的搭建

搭载嵌入式操作系统的目的在于方便对系统中全部的资源进行合理分配，对于任务的调度、控制和协调并发活动提供了有力的保证，增加系统的可靠性。Linux系统运行时所占用的内存相对来说比较少，用户可动态地向内核插入和卸载，能满足复杂任务的需求。

图4 加热电路Fig.4 Heater circuit

ZYNQ启动Linux流程如图5所示。XC7Z020芯片上电复位后，对SD卡、串口等BootROM里包含外设进行初始化，使得ARM处理器可以访问这些外设，该代码还负责加载阶段1的启动镜像文件(FSBL)，加载完FSBL后，FSBL代码将对DDR、时钟、MIO口等进行初始化。初始化完毕后，FSBL 将获取分区信息并验证header，验证通过后则加载分区，若加载的分区属于比特流，则将比特流文件烧写到PL端，若不是比特流则将其拷到DDR中，进行阶段2的启动，即 SSBL；在SSBL阶段，主要由U-boot负责初始化启动Linux前的所必须的硬件，然后加载Linux内核、设备树和文件系统，最后启动Linux[15].

图5 Linux操作系统启动Fig.5 Start-up Linux operating system

2.1.2应用软件的开发

为了进行更好的人机交互，设计通过在Linux上运行QT来开发便于操作人员操作的GUI界面。

应用程序主要有4个功能块：一为控制面板，在这个界面可以进行每一层的参数设置；二为状态检测，它可以控制进行打印的开始和停止；三为参数设置，它主要设置电机和喷嘴的参数；四为串口设置，功能是方便了程序的调试。

控制面板界面如图6所示，用户可以利用该界面来添加每一层的起始位置、打印尺寸、打印通道及打印方式。

图6 控制面板界面Fig.6 Control panel interface

状态检测界面如图7(a)所示，用户可以通过该界面来实时监控打印的进度。参数设置界面如图7(b)所示，主要用来设置电机细分、打印速度、单圈位移等。

图7 状态检测界面和参数设置界面Fig.7 State detection and parameter seting interface

2.2 FPGA逻辑设计

FPGA逻辑设计主要包括PS端的指令接受、指令解析、雾化电路控制、电机及喷嘴控制、参数设定和停止打印5个模块。

指令主要包括打印命令、雾化命令、打印参数命令、停止命令。所有的命令都是以十六进制的68 68开头，在命令里加入CRC校验来保证数据的准确性。不同的命令有不同的帧头。通过将上位机的命令进行解析来启动雾化电路控制、电机及喷嘴控制。具体的流程如图8所示。

图8 FPGA流程图Fig.8 Flow diagram of FPGA

为了提高设计的稳定性和精度，本设计对电机的控制采用了加减速控制的方法。具体框图如图9所示，其中位置判断模块根据脉冲总数，以及对输入指令脉冲和输出进给脉冲的计数值，控制指令脉冲的产生和进给脉冲的输出，实现定量脉冲控制。同时，位置处理模块还需实现减速点位置判断功能。加减速控制模块的自动加减速控制功能是通过一个状态机实现。

图9 加减速控制器Fig.9 Acceleration and deceleration controller

3 实验结果

通过上述介绍，设计了打印成型尺寸可以达到400 mm×400 mm×400 mm，打印移动精度为10～50 μm，打印速度阈值范围为0.5～80 mm/s，对于材料挤出方式为气动挤压和电磁阀的方式来进行控制，使得出料更加可控的皮肤支架打印机。为验证系统的打印功能，分别对海藻酸钠、明胶、海藻酸钠与明胶的混合物进行了打印[16-18]；通过对材料的浓度、喷头的开启时间、压力、打印间隙的不断调试，成功打印出了皮肤支架。将实验结果和打印机PrototypeSK00(采用龙门式机械结构，选用国际公认的高稳定性能高速步进电机作为运动单元和滚珠式线性滑轨作为导向单元，保证运行速度的同时，提高运行的流畅度和精准度。配合高效的控制程序，实现最佳效果的运动过程。它采用的材料挤出方式为气动挤压。它的打印成型尺寸可以达到150 mm×150 mm×150 mm.打印移动精度为0.1 mm，打印速度阈值范围为0.1～50 mm/s，可设置为0.1 mm层高)对比，表明本次设计在打印时间和精度以及稳定性上有了不错的改观。实验结果如图10(其中(a)、(b)、(c)为PrototypeSK00打印效果图，(d)、(e)、(f)为本次设计的打印机打印效果图)所示；从图中(a)和(d)、(b)和(e)、(c)和(f)对比表明，设计的打印机与PrototypeSK00打印机在打印单条直线、打印局部图和打印整体图中，该打印机在精度和稳定性上明显优于PrototypeSK00.其中在打印局部图中，本次设计的打印机打印了30层依然没出现材料聚集的情况，而PrototypeSK00在打印了13层时就已经出现了聚集。对现有打印机材料聚集的问题有了极大的改善。表1为与PrototypeSK00在时间上的对比，从表1中可以看出本次设计在打印时间上有显著优势。图11-图13为具体实物图。

图10 打印效果图Fig.10 Print effect picture

表1 打印时间对比Table 1 Comparison of print time

图11 打印机及硬件实物图Fig.11 Printer and hardware drawings

图12 打印出的皮肤支架实物照片Fig.12 Printed photo of skin support

图13 打印出的皮肤支架(带细胞)图Fig.13 Printed image of skin support(with cell)

4 结束语

本文为了迎合市场对医疗器材的需求，采用以ZYNQ为主控的方案实现了打印皮肤支架的软硬件设计，与现有的打印机相比，具有精度高、稳定性好、时间短、出料均匀的优点。且操作简单、方便，便于医护人员上手。在后续的研究中将会在利用胶原、海藻酸钠、明胶和成纤维细胞的混合物打印的支架的基础上进行测试，并与医院进行合作，进行打印测试打印机在打印细胞方面的性能测试。