Jste zde

17PBBMTB - Mikroprocesorová technika v biomedicíně

Kód Zakončení Kredity Rozsah Jazyk výuky
17PBBMTB KZ 2 1+1 česky
Předmět je ekvivalentem v KFS pro:
17KBBMTB
Přednášející:
Pavel Smrčka (gar.)
Cvičící:
Pavel Smrčka (gar.)
Předmět zajišťuje:
katedra informačních a komunikačních technologií v lékařství
Anotace:

Princip a stavební prvky mikroprocesorového systému, logické obvody. Struktura mikroprocesorů, připojování základních periferií, programátorský model mikropočítačového systému. Digitální vstupy a výstupy, A/D a D/A převodníky, sériová a paralelní komunikace mikropočítačů s okolím: RS232, Ethernet, WIFI, Bluetooth, XBee a mobilní 3G/4G komunikace, GPS lokalizace. Klony architektur ATMega a ARM Cortex M s praktickými ukázkami jejich programování.

Požadavky:

Podmínky zápočtu: Úspěšně odladěné a obhájené řešení zadaných laboratorních úloh.

Osnova přednášek:

1. Vymezení pojmů. Mikroprocesorová technika, příklady aplikací z každodenního života a z medicíny.

2. Logické obvody a jejich varianty. Konstrukce hradel (NAND, NOR). Vstupní,výstupní, převodní a dynamické charakteristiky. Napěťové úrovně, šumová imunita,logický zisk.

3. Propojování TTL a CMOS obvodů, 3V a 5V logiky. Snímače a převodníky úrovní. Připojování mechanických kontaktů a výkonových prvků k logickým obvodům.

4. Programátorský model mikroprocesorového systému. Instrukční soubor, instrukce řídicí, aritmetické, logické, přesuvu. Strojový kód. Časování operací. Priority přerušení. Ukázky programů ve strojovém kódu pro architekrury ATMega a ARM Corex M0, M3 a M4.

5. Mikroprocesory rodiny ATMega. Instrukční soubory, ukázky programů ve strojovém kódu. Přehled produktů současných výrobců, aplikace.

6. Mikroprocesory rodiny ARM. Instrukční soubory, ukázky programů ve strojovém kódu. Přehled produktů současných výrobců, aplikace.

7. Sběrnicová struktura mikroprocesorového sytému. Mikroprogramový řadič, instrukce, strojový cyklus. Aritmeticko-logická jednotka. Připojování vnějších pamětí a periferních obvodů.

8. A/D a D/A převodníky. Přehled principů, typické parametry moderních převodníků. Vzorkování, kvantování, chyby převodu. Paměti, posuvné registry. Řadič přerušení, čítače, časovače. Rozhraní UART, SPI, I2C.

9. Přehled dalších rodin mikroprocesorů. Řada PIC, signálové procesory. Srovnání jednotlivých typů podle aplikačně zajímavých kriterií - rychlost, vybavenost periferiemi a vývojovými nástroji, spotřeba, velikost, dostupnost a cena.

10. Softwarové nástroje pro vývoj medicínských embedded (vnořených) mikropočítačových aplikací. Překladače a integrovaná vývojová prostředí. Kombinované použití assembleru a jazyka C. Firemní produkty (Keil C, IAR...), produkty open-source (avr-gcc, arm-gcc, sdcc).

11. Bimedicínské aplikace mikroprocesorů. Přehled základních idejí algoritmů pro snímání, kalibraci, předzpracování, přenos a archivaci biologických signálů a dat. Podpůrné prostředky pro vývoj potřebného software na platformě PC (MS Windows, GNU/Linux), způsoby přenosu do aplikačních vývojových desek, on-line ladění programu.

12. Specifické požadavky na biomedicíncké mikroprocesorové systémy. Otázka bezpečnosti, ergonomičnosti ovládání a optimální vizualizace výsledků. Typická současná řešení.

13. Napojení mikropočítačových systémů na medicínskou technickou infrastrukturu. Standardní rozhraní (RS232, USB, XBee), síťová rozhraní (Ethernet). Využitní satelitní navigace v embedded zařízeních.

14. Přenosová média: typy a vlastnosti metalických spojů, optická vlákna, laserové a infračervené spoje (Ir), radiofrekvenční spoje (Bluetooth LE, datové přenosy 3G/4G, WiFi). Srovnání a možnosti použití.

Osnova cvičení:

1. Úvod do architektury jednočipových počítačů a mikrokontrolérů Krátké zopakování základů jazyka ISO C -část I. (výrazy-proměnné-deklarace, cykly, pole). Základy aritmetiky s bity a bajty Praktické ukázky na mikrokontroléru ATMEGA (ATMega16): práce s digitálními vtupy a výstupy v SW simulátoru, práce s LCD displejem v SW simulátoru.

2. Krátké zopakování základů jazyka ANSI C - část II. (funkce v C, vícesouborový projekt v C).

3. Praktické ulohy na mikrokontroléru ATMega16 a ARM7 Využití jednotky digitálních vstupů

4. Praktické ulohy na architektuře ATMega16 a ARM7: UART, SPI, I2C, nastavení

5. Praktické ulohy na mikrokontroléru ATMega16 a ARM7: Řadič přerušení - využití, základní nastavení

6. Praktické ulohy na mikrokontroléru ATMega16 a ARM7: základy práce s čítačem a časovačem

7. Samostatná úloha: „měřič reakční doby“ - využití GPIO, časovače a LCD (volitelně UART) s využitím) pomocí mikrokontroléru ATMega 16

8. Samostatná úloha: základ systému pro monitorování fyzické aktivity laboratorních zvířat pomocí mikrokontroléru ATMega 16 pomocí mikrokontroléru ATMega 16

9. Ukázky práce A/D převodníku - parametry, nastavení, ovládací registry, realizováno vestavěným převodníkem mikrokontroléru ATMega 16

10. Samostatná úloha - Inteligentní medicínský teploměr řízený mikrokontrolérem Atmel ATMEGA 16

11. Digitalizace a přenos biosignálů - požadavky na HW a firmware řídicího mikroprocesoru. Stream dat - serializace, kódování, parsování paketů, pojem kodér a dekodér - praktická ukázka návrhu.

12. Firmware a software pro vizualizaci biosignálů v reálném čase, ukázka propojení s mikropočítačovým systémem

13. Samostatná laboratorní úloha - např. firmware jednoduchého elektrokardiografu řízený mikroprocesorem -vč. připojení k PC.

14. Řešení zadané úlohy na počítači. Prezentace a kontrola výsledků.

Cíle studia:

Seznámení s principy mikroprocesorové techniky v biomedicínckých přístrojových systémech, při snímání, přenosu a zpracování biologických signálů a dat. Praktické ukázky designu a programování moderních embedded systémů.

Studijní materiály:

Výukové materiály pro tento předmět jsou zveřejněny prostřednictvím e-learningového systému na adrese <a href="https://skolicka.fbmi.cvut.cz">https://skolicka.fbmi.cvut.cz</a>

[1] Datesheety ATmega 16,32,128, LPC1769

[2] Murkhard, M.: C pro mikrokontroléry. BEN 2003

[3] Balátě, J.: Automatické řízení. BEN 2004

Poznámka:
Předmět je součástí následujících studijních plánů:
Materiály ke stažení:

Přednášky: 
PřílohaVelikost
PDF icon Materiály k přednáškám341.84 KB

Přednášky - odkaz: 

Cvičení: 
PřílohaVelikost
PDF icon Materiály ke cvičení341.62 KB