Mikroprocesorová technika v biomedicíně

Přednášející:

Karel Hána (gar.)

Cvičící:

Karel Hána (gar.)

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. WIFI, Bluetooth a GPRS komunikace. Klony architektur 8051, AVR, PIC a ARM s praktickými ukázkami jejich programování.

Požadavky:

Podmínky zápočtu: Úspěšně odladěné a obhájené řešení zadané úlohy.

Osnova přednášek:

1. Vymezení pojmů. Mikroprocesorová technika - nejdynamičtěji se rozvíjejícíoblast elektroniky. Příklady aplikací z každodenního života a z medicíny.

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

3. Kombinační logické obvody. Minimální logická sada, úprava logických výrazů,konstrukce promocí hradel. Sekvenční logické obvody. Ad-hoc návrh statický a dynamický hazard. Přehled praktických metod syntézy sekvenčních logických obvodů.

4. Moderní zákaznická řeše logických obvodů, programovatelná logická pole. Propojování TTL a CMOS obvodů 3V a 5V logiky. Snímače a převodníky úrovní. Připojování mechanických kontaktů a výkonových prvků k logickým obvodům

5. A/D a D/A převodníky. Přehled principů, typické parametry moderních převodníků. Vzorkování, kvantování, chyby převodu. Paměti, posuvné registry. Typy, přehled současných technologií, obvyklé a mezní parametry.

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

7. Programátorský model mikroprocesorového systému. Instrukční soubor, instrukce řídicí, aritmetické, logické, přesuvu. Strojový kód. Časování operací. Priority přerušení. Ukázky programů ve strojovém kódu (8051, AVR).

8. Mikroprocesory rodiny 8051. Historie, moderní klony. Instrukční soubory, ukázky programů ve strojovém kódu. Přehled produktů současných výrobců, aplikace. Mikroprocesory rodiny RISC AVR. Řada AT90S a AT Mega. Instrukční soubor, vestavěné periferie, typické oblasti použití.

9. Přehled dalších rodin mikroprocesorů. Řada PIC, Motorola HC, Mikroprocesory ARM, 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 paralelní a sériová rozhraní (RS232, USB, CAN-bus), síťová rozhraní (Ethernet). Přenosová média: typy a vlastnosti metalických spojů, optická vlákna, laserové a infračervené spoje (Ir), radiofrekvenční spoje (Bluetooth, GPRS, WiFi). Srovnání a možnosti použití.

14. Klasické a perspektivní aplikace mikroprocesorové techniky ve zdravotnictví. Od běžné lékařské elektroniky přes inteligentní personální monitory, dohledové a čipové evidenční systémy, až po distribuované sítě senzorů a automatizované systémy řízení a komunikace na všech úrovních zdravotnické infrastruktury.

Osnova cvičení:

1. Seznámení s vývojovými prostředími pro mikroporocesory rodiny 8051. Snímání a ovládání logických úrovní na I/O bráně mikroprocesoru. Ukázka jednoduché aplikace.

2. Vývojové prostředí pro mikroprocesory rodiny AVR. Ukázky fungování vestavěných periferií. Komunikace po sériové lince, propojení s PC.

3. Vývojové prostředí pro mikroprocesory rodiny PIC. Připojení A/D převodníku k mikropočítači. Ukázka aplikace.

4. Vývojové prostředí pro mikroprocesory rodiny ARM. Ukázka aplikace.

5. Programování kapesních počítačů typu PDA s dotykovým displejem. Ukázka jednoduché aplikace.

6. Praktická ukázka dlouhého metalického vedení a optického přenosu.

7.Ukázka síťového rozhraní Ethernet napojeného na mikropočítačový systém.

8. Bezdrátové komunikace mikropočítače s okolím: Bluetooth, GPRS modem, modul WIFI. Praktické ukázky a srovnání.

9. Napojení mikroprocesoru na satelitní navigační systém GPS.

10. Zadání samostatných úloh, časový plán řešení.

11. Analýza a návrh řešení zadaných úloh. Řešení zadané úlohy na počítači.

12. Řešení zadané úlohy na počítači.

13. Řešení zadané úlohy na počítači.

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:

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

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

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bakalářský studijní obor Biomedicínská informatika - prezenční (povinně volitelný předmět)
• Bakalářský studijní obor Biomedicínská informatika - prezenční (povinně volitelný předmět)