Logo ČVUT
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
STUDIJNÍ PLÁNY
2020/2021

Základy mikroprocesorové techniky

Přihlášení do KOSu pro zápis předmětu Zobrazit rozvrh
Kód Zakončení Kredity Rozsah Jazyk výuky
17PBTZMT Z,ZK 4 2P+2C česky
Přednášející:
Pavel Smrčka (gar.)
Cvičící:
Pavel Smrčka (gar.)
Předmět zajišťuje:
katedra informačních a komunikačních technologií v lékařství
Anotace:

V předmětu se studenti seznámí s principy, architekrurou a stavebními prvky mikroprocesorového systému a na prakticky orientovaných úlohách z biomedicínské praxe se je naučí propojit a naprogramovat příslušný firmware. Pozornost je věnována zejména tématů: struktura mikroprocesorů, připojování základních periferií, programátorský model mikropočítačového systému. Digitální vstupy a výstupy, řadič přerušení, čítače, časovače, 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. SPI, I2C a 1wire rozhraní, Klony architektur ATMega a ARM Cortex M s praktickými ukázkami jejich programování.

Požadavky:

Prerekvizitou je orientace v základech analogové a číslicové techniky a základní znalost programování v jazyce C. Studenti v průběhu semestru řeší průběžné dílčí úlohy (60%) a dále samostatnou rozsáhlejší individuální semestrální práci (40%).

Osnova přednášek:

1. Vymezení pojmů. Architektury mikroprocesorů, pojem mikroprocesor, jednočipový mikropočítač, mikrokontrolér. Příklady aplikací z každodenního života a z medicíny.

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

3. Programátorský model mikroprocesorového systému. Instrukční soubor, instrukce řídicí, aritmetické, logické, přesuvu. Strojový kód. Časování operací. Priority přerušení. Ukázky programů ve strojovém kódu (AVR, ARM).

4. Mikroprocesory rodiny Atmel ATmega. Instrukční soubor, vestavěné periferie (čítače, časovače, řadič přerušení, AD převodník, PWD modul, sériová rozhraní UART a SPI), typické oblasti použití.

5. Mikroprocesory rodiny ARM. Srovnání jednotlivých typů podle aplikačně zajímavých kriterií - rychlost, vybavenost periferiemi a vývojovými nástroji, spotřeba, velikost, dostupnost a cena.

6. Softwarové nástroje pro vývoj medicínských embedded (vnořených) mikropočítačových aplikací. Překladače a integrovaná vývojová prostředí. Kombinované použití assembleru a jazyka C.

7. Konfigurace a využití GNU Toolchain (avr-gcc, arm-gcc, sdcc) pro programování mikroprocesorových systémů.

8. Biomedicínské aplikace mikroprocesorů. Přehled základních idejí algoritmů pro snímání, kalibraci, předzpracování, přenos a

archivaci biologických signálů a dat.

9. On line ladění firmware pomocí JTAG rozhraní , způsoby přenosu formware do aplikačních vývojových desek, ukázky použití.

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

11. Napojení mikropočítačových systémů na medicínskou technickou infrastrukturu. Standardní paralelní a sériová rozhraní (RS232, USB, CAN-bus), mikroprocesorové moduly pro převod signálů na jednotlivá rozhraní.

12. Využití síťových komunikačních rozhraní v mikrokontrolérech, Ethernet, implemetace UDP a TCP paketové komunikace.

13. Přenosová média: typy a vlastnosti metalických spojů, optická vlákna, laserové a infračervené spoje (Ir).

14. Radiofrekvenční spoje (Bluetooth, Edge, 3G, WiFi, ZigBee, Xbee, PacketRadio). Srovnání, možnosti použití v mikroprocesorových systémech.

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:

Praktické seznámení s principy mikroprocesorové techniky v biomedicínckých přístrojových systémech, při snímání, přenosu a zpracování biologických signálů a dat. Ukázky designu a programování moderních embedded systémů založených na mikroprocesorové technice.

Studijní materiály:

Povinná literatura:

•Brtník B., Matoušek D.: Mikroprocesorová technika, BEN, 2011

•ATMEL ATmega32/L Datasheet, on-line: http://www.atmel.com/Images/doc2503.pdf, , 2011 Atmel Corporation

Doporučená literatura:

Kuo S., Lee B. et al.:Real-Time Digital Signal Processing: Fundamentals, Implementations and Applications, 3rd Edition, Wiley, 2013

Poznámka:
Další informace:
Výukové materiály jsou zveřejněny na e-learningovém serveru Moodle.
Rozvrh na zimní semestr 2020/2021:
06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út
St
Čt

místnost AL:001
Smrčka P.
08:00–09:50
LICHÝ TÝDEN

(přednášková par. 1)
Praha 2 - Albertov
Albertov - učebna
místnost AL:001
Smrčka P.
10:00–12:50
LICHÝ TÝDEN

(přednášková par. 1
paralelka 1)

Praha 2 - Albertov
Albertov - učebna
Rozvrh na letní semestr 2020/2021:
Rozvrh není připraven
Předmět je součástí následujících studijních plánů:
Platnost dat k 2. 3. 2021
Aktualizace výše uvedených informací naleznete na adrese http://bilakniha.cvut.cz/cs/predmet4745106.html