Mikroprocesorová technika v biomedicíně

Garant předmětu:

Pavel Smrčka

Přednášející:

Jan Broulím, Karel Hána, Lenka Hanáková, Pavel Smrčka

Cvičící:

Jan Broulím, Karel Hána, Lenka Hanáková, Pavel Smrčka

Předmět zajišťuje:

katedra informačních a komunikačních technologií v lékařství

Anotace:

Cílem je formou prakticky orientovaného výkladu a demonstračních úloh vysvětlit princip a stavební prvky mikroprocesorového systému, strukturu mikroprocesoru, připojování základních periferií, programátorský model mikropočítačového systému. Podat 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.

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. 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

Cíle studia:

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.

Studijní materiály:

Povinná literatura:

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

[2] Stallman: Using the GNU compiler collection : a GNU manual for GCC, GNU Press, 2008

Doporučená literatura:

[1] Thareja: Programming in C, Second Edition, Oxford University Press, 2015.

Poznámka:

Další informace:

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

Rozvrh na zimní semestr 2023/2024:

	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
Pá	místnost AL:001 Smrčka P. Broulím J. 14:00–15:50 SUDÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Praha 2 - Albertov Albertov - učebnamístnost AL:001 Smrčka P. Broulím J. 16:00–18:50 SUDÝ TÝDEN (přednášková par. 1 paralelka 1) Praha 2 - Albertov Albertov - učebna

Rozvrh na letní semestr 2023/2024:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Prospectus - bakalářský (!)
• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika v aj (povinně volitelný předmět)