基于FPGA的皮肤打印机控制系统设计与研究

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近年来,因烧伤、交通事故等原因,皮肤损伤或功能缺失的病例数量持续上升,生物再生材料和移植皮肤的缺口逐年增加,这对我国健康医疗事业提出了新的挑战。因此,在十四五规划中,国家将生命科学和信息技术上升到国家科技战略层面,期望研发新技术以改变传统的自体移植皮肤烧伤治疗方案。在此基础上,3D生物打印技术逐渐兴起,被广泛的应用于皮肤组织再生领域,为皮肤烧伤治疗提供了新方向。然而,现有的3D生物打印技术在皮肤打印的稳定性和打印速度方面还不理想。针对现有问题,本文将设计一款专用于打印皮肤的3D打印机控制系统,加快打印速度,提高打印的稳定性。主要研究内容如下:(1)设计了生物3D皮肤打印机的硬件结构。以FPGA为主控制器,设计了其外围电路、雾化电路和加热电路,同时采用电磁阀和气压挤出相结合的方式解决了现有打印机的拖尾和出料不均匀的问题。(2)实现了基于遗传算法优化神经网络的步进电机转速控制方法。本文利用基于遗传算法优化神经网络的PID控制器来实时调节步进电机的转速,改善了传统PID控制器只能应用于线性和时不变的工作场景,解决了现有打印机的速度和稳定性的问题。同时将训练好的网络在FPGA上实现,利用FPGA并行性和流水线的特性,大大提高了算法的运行速度,节约了功耗。(3)构建了基于FPGA的生物3D皮肤打印软件控制系统。本文利用FPGA并行性和流水线的特性,在FPGA上设计了打印机的软件控制系统,提高了系统的速度和稳定性,缓解了电机在快速启动和停止过程中造成的电机磨损问题。主要包括系统的通信模块、加减速控制器以及神经网络在FPGA上实现。(4)完成了生物3D皮肤打印机集成测试。研究了0-60℃温度范围内的系统温控精度,使温控精度达到0.3℃以内;对PC端和FPGA的通信进行重复实验,证明了系统通信正确性以及稳定性;最后研究了实物打印方法,打印时间缩短近10%;明显改善了打印线条和皮肤支架的稳定性
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2021年7月24日,由《清史研究》编辑部主办的"第二届清代经济史高端论坛"在线上举行,来自北京大学、清华大学、中国人民大学、中山大学、上海交通大学、厦门大学、中国社会科学院、东京大学等高校和科研院所的三十余位专家学者与会。本次论坛由特邀主题报告和四场专题报告组成。中山大学滨下武志教授和北京大学李伯重教授的主报告题目分别为《全球史视野下清末海关资料研究的新课题与新方法 :1850-1910》
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