F7PBBMTB - Mikroprocesorová technika v biomedicíně

Formou prakticky orientovaného výkladu a demonstračních úloh bude vysvětlen princip a stavební prvky mikroprocesorového systému, struktura mikroprocesoru, připojování základních periferií, programátorský model mikropočítačového systému. Bude podán základní přehled architektur ATMega a ARM Cortex M s praktickými ukázkami jejich programování s ukázkami užití v biomedicíně. Vstupní požadavky předmětu: základní vědomosti o číslicové technice a zpracování signálů, základy ISO C. Výstupní znalosti, dovednosti, schopnosti a kompetence: Student se orientuje v oblasti výběru a návrhu řešení mikroprocesorového systému pro použití v biomedicíně. Zvládá konfiguraci a programové ovládání těchto stavebních bloků mikroprocesorového systému: digitální vstupy a výstupy, A/D a D/A převodníky, sériová a paralelní komunikace, čítače a časovače, řadič přerušení. Chápe základy komunikace mikropočítačů s okolím: rozhraní pro LCD displeje, klávesnice, RS232, Ethernet, WIFI, Bluetooth, XBee a mobilní 3G/4G komunikace, GPS/GLONAS lokalizace.

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

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

2. Logické obvody a jejich varianty. Vstupní, výstupní, převodní a dynamické charakteristiky.

3. Propojování číslicových obvodů, např. 3V a 5V logiky. Snímače a převodníky úrovní.

4. Programátorský model mikroprocesorového systému. Strojový kód. Časování operací. Priority přerušení. 5. Mikroprocesory rodiny ATMega. Přehled produktů současných výrobců, aplikace.

6. Mikroprocesory rodiny ARM.. Přehled produktů současných výrobců, aplikace.

7. Sběrnicová struktura mikroprocesorového sytému. Mikroprogramový řadič, aritmeticko-logická jednotka.

8. A/D a D/A převodníky. Řadič přerušení, čítače, časovače. Rozhraní UART, SPI, I2C.

9. Přehled dalších rodin mikroprocesorů, signálové procesory. Srovnání jednotlivých typů podle parametrů.

10. Softwarové nástroje (toolkity a frameworky) pro vývoj medicínských mikropočítačových aplikací.

11. Podpůrné prostředky pro vývoj potřebného software na platformě PC, způsoby přenosu do aplikačních vývojových desek, on-line ladění programu.

12. Specifické požadavky na biomedicínské 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.

1. Úvod do architektury jednočipových počítačů a mikrokontrolérů. Krátké zopakování základů jazyka ISO C -část I. Praktické ukázky na mikrokontroléru ATMEGA (ATMega328 resp. 2560) a. ARM Cortex M3: práce s digitálními vstupy 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 ATMEGA (ATMega328/2560) resp. ARM Cortex M3: Využití jednotky digitálních vstupů.

4. Praktické ulohy na mikrokontroléru ATMEGA (ATMega328/2560) resp. ARM Cortex M3: UART, SPI, I2C, nastavení

5. Praktické ulohy na mikrokontroléru ATMEGA (ATMega328/2560) resp. ARM Cortex M3: Řadič přerušení - využití, základní nastavení

6. Praktické ulohy na mikrokontroléru ATMEGA (ATMega382/2560) resp. ARM Cortex M3: základy práce s čítačem a časovačem

7. Samostatná úloha: „měřič reakční doby“ - využití GPIO, časovače a LCD (volitelně UART) pomocí mikrokontroléru ATMega328 a ARM Cortex M3

8. Samostatná úloha: základ systému pro monitorování fyzické aktivity laboratorních zvířat ) pomocí mikrokontroléru ATMega2560 a ARM Cortex M3

9. Ukázky práce A/D převodníku - parametry, nastavení, ovládací registry ) s využitím analogového frontendu ADS1258 resp. 1298.

10. Samostatná úloha - Inteligentní medicínský teploměr řízený mikrokontrolérem Atmel ATMEGA 328 resp. ARM Cortex M3 s využitím analogového frontendu ADS1258 resp. 1298.

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

Orientace v biomedicínských aplikacích mikroprocesorové techniky. 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 a implementace vybraných algoritmů pro zpracování biosignálů v mikroprocesorových systémech.

Stud. materiály jsou zveřejněny na e-learningovém serveru: https://moodle-vyuka.cvut.cz/

Povinná literatura:

[1] Virius: Programování v C++: od základů k profesionálnímu použití, Grada 2018

[2] Katalogový list ADS1298, on-line http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1298.pdf, Texas Instruments, 2015

Doporučená literatura:

[1] Kernighan, Ritchie: Programovací jazyk C, ComputerPress, Praha 2014

[2] Kameník: Příkazový řádek v Linuxu – praktická řešení, Computer press, 2012

• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika (povinně volitelný předmět)
• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika (povinně volitelný předmět)