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PORTALE DELLA DIDATTICA

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

01IJYMV

A.A. 2022/23

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 39
Esercitazioni in laboratorio 21
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Knaflitz Marco Professore Ordinario ING-INF/06 39 0 0 0 17
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-INF/06 6 B - Caratterizzanti Ingegneria biomedica
2022/23
L'insegnamento si propone di introdurre i principali concetti di elettronica digitale iniziando dalle porte logiche elementari per arrivare alla descrizione funzionale di FPGA e microcontrollori. In particolare verrà descritto nel dettaglio un microcontrollore che costituirà oggetto di esercitazione di laboratorio. Circa la metà delle ore del corso è utilizzata per realizzare in laboratorio un progetto che consente di realizzare un blocco funzionale di un dispositivo medico basato sul microcontrollore studiato.
Purpose of this course is presenting the basics of digital electronics, from elementary logic gates to the functional description of FPGAs and microcontrollers. Specifically, a microcontroller will be described in detail and it will be used for carrying out a laboratory project. Approximately one-half of the teaching hours will be used for the laboratory project, aimed at designing and building a functional block of a medical device based on the microcontroller described during the lessons.
Al termine dell'insegnamento gli studenti conosceranno: - le porte logiche elementari e la sintesi empirica di circuiti combinatori e sequenziali - le diverse tecnologie elettroniche con i relativi settori di impiego - la struttura di un tipico microcontrollore - le principali istruzioni assembler della famiglia di microcontrollori considerata Al termine dell’insegnamento gli studenti avranno le seguenti abilità: - analizzare e progettare alcuni semplici circuiti digitali basati su porte logiche elementari - realizzare semplici circuiti contenenti un microcontrollore e scrivere il software in linguaggio assembler necessario a far funzionare il microcontrollore stesso. - date le specifiche funzionali, di ricavare schema a blocchi, schema elettrico, flow chart del software e codice in linguaggio assembler
After attending the course, students will know: - elementary logic gates and empirical synthesis of combinatory and sequential circuits - different electronic technologies and their typical applications - the structure of a typical microcontroller unit - the main assembly instructions of the family of the microcontroller studied After attending the course, students will be able to: - analyze and design simple circuits based on elementary logic gates - design and build simple circuits containing a microcontroller and write its assembly code - given the functional specifications of a simple system obtain its possible block diagram, wiring diagram, software block diagram and flow-chart, and assembly code
È importante avere famigliarità con gli argomenti trattati nel modulo di Elettronica della laurea triennale. È utile aver seguito con profitto il modulo di Bioingegneria Elettronica e quello di Dispositivi Impiantabili Attivi della laurea triennale.
It is important to be familiar with arguments dealt with in the course of Electronics of the first level degree. It is also useful to be familiar with the arguments dealt with in the courses of Electrical Bioengineering and Safety and Implantable active devices of the first level degree.
Lezioni frontali - Conversione analogico digitale e digitale analogico - Dimensionamento di un sistema di acquisizione - Famiglie logiche TTL e CMOS: caratteristiche ed interconnessione - Modelli di ingresso ed uscita di porte logiche. Margine di rumore. - Interfacciamento di famiglie logiche diverse - Porte logiche elementari e relative tavole di verità - Parametri statici e dinamici - Porte three state ed open collector - Transistore bipolare: modelli di saturazione ed interdizione - Dimensionamento condensatori di by-pass - Circuiti sequenziali: FF, registri, contatori - Tecnologie elettroniche - Descrizione della struttura di un microcontrollore - Microprogrammazione Laboratori - Uso della strumentazione di laboratorio - Misura di parametri statici e dinamici su porte logiche CMOS e TTL - Uso ambiente di sviluppo e progetto, scrittura e debugging di semplici programmi di prova - Lavoro sui progetti assegnati
Frontal lessons - Analog to digital and digital to analog conversion - Design of an acquisition system - TTL and CMOS families: main features and mixed circuits - Input and output models of gates. Noise margin. - Connecting gates belonging to different logical families - Elementary logic gates and their truth tables - Static and dynamic parameters of logic gates - Three state and open collector gates - Bipolar transistor: saturation and interdiction models - Selection of the value of by-pass capacitors - Sequential circuits: FF, registers, counters - Different technologies - Description of a microcontroller unit - Development of microcontroller code in assembly language Laboratory activities - How to use basic laboratory instruments - Measurement of static and dynamic parameters on CMOS and TTL gates - The development environment of the microcontroller and its usage; design, coding, and debugging of simple test programs - Development of specific projects carried out by groups of students
L’insegnamento è suddiviso in circa 30 ore di lezioni frontali ed altrettante ore di esercitazione di laboratorio. Durante le lezioni frontali verranno presentati i vari argomenti di tipo teorico e verranno proposti semplici esercizi di calcolo per verificare l'apprendimento delle nozioni teoriche. Durante le ore di laboratorio gli studenti lavoreranno su progetti specifici.
The course consists of approximately 30 hours of frontal lessons and 30 hours of laboratory activities. During frontal lessons students will be exposed to the functional aspects of the different devices presented. Simple exercises will be proposed to verify the learning of theoretical aspects. Students will work on specific projects in the lab.
Dispense fornite dal docente e manuali del microcontrollore utilizzato.
Handouts on the different subjects dealt with during the course and manuals of the microcontroller unit.
Modalità di esame: Elaborato scritto prodotto in gruppo; Prova scritta in aula tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
Exam: Group essay; Computer-based written test in class using POLITO platform;
Gli studenti svolgeranno lo scritto in aula attraverso la piattaforma Respondus, accedendo con PC personale. In caso qualche studente non fosse provvisto di PC adatto lo comunicherà al docente entro la data di chiusura delle iscrizioni all’esame ed il docente avrà cura di risolvere il problema. La modalità d'esame in presenza sarà identica a quella utilizzata in remoto o in modalità mista, salvo il fatto che tutti gli studenti saranno in aula, ma comunque utilizzeranno il proprio calcolatore per sostenere l'esame. L'unica reale differenza dalla modalità in remoto consiste nel fatto che in aula, sebbene si richieda comunque l'attivazione del sistema di proctoring, ci sarà anche la sorveglianza di personale apposito (docente, esercitatori, ...). La prova d'esame intende verificare la capacita degli studenti di svolgere esercizi di calcolo, di progetto o di scrittura codice simili a quelli trattati durante le lezioni ed i laboratori, ma potranno contenere varianti tese a verificare la capacità degli studenti di adattare quanto appreso alla soluzione di problemi differenti da quelli espressamente trattati a lezione. Non sarà consentito consultare note, appunti o testi a stampa. La prova d’esame è suddivisa in due parti: • la prima parte consta di 15 domande a risposta guidata; • la seconda parte consta di 4 domande a risposta aperta a) numerica (soluzione di brevi problemi di progetto o di analisi con possibilità di dare la risposta unicamente sotto forma di un valore numerico) o b) componimento (ad esempio, scrittura codice, domanda di tipo teorico, risoluzione completa di un problema di calcolo con disegno di schemi elettrici e di grafici, …). Almeno una delle quattro domande consisterà nella scrittura di codice relativo al microcontrollore trattato nel corso. Il tempo a disposizione per svolgere la prima parte è di 15 minuti, per la seconda è di 60 minuti. Prima parte: domande a risposta guidata Durante la prima parte dell'esame gli studenti non potranno consultare materiale, appunti, testi, ... di alcun tipo e potranno usare unicamente la calcolatrice messa a disposizione dal sistema Respondus. Per ogni domanda sono presentate tre possibili risposte delle quali una sola corretta. Lo studente potrà selezionare la risposta che ritiene corretta o astenersi dal rispondere. Il punteggio massimo ottenibile è pari a 15. In particolare ogni risposta corretta incrementa la votazione di 1 punto (+ 1), ogni risposta errata comporta la sottrazione di 0,33 punti (- 0,33) e ogni risposta non data non viene considerata (0). La votazione minima che lo studente deve ottenere per avere valutata la seconda parte dell’esame è pari a 8,0 punti su 15. Se lo studente non raggiunge almeno la soglia indicata nelle domande a risposta guidata (8,0 punti) è riprovato. Seconda parte: domande a risposta aperta Nella prima “domanda” vengono richiesti alcuni dati necessari per poter procedere rapidamente alla determinazione del voto ed alla successiva registrazione. Fornire le informazioni richieste è un obbligo preciso per tutti gli studenti. In particolare lo studente deve: a) indicare la condizione di laureando o di non laureando cancellando nel modello di risposta l’opzione che non si applica; b) inserire in modo completo l’anno accademico nel corso del quale ha consegnato la relazione di laboratorio (es.: 2021-2022); c) inserire il numero del gruppo al quale il singolo studente apparteneva. Domande a risposta aperta numerica Le domande a risposta aperta numerica consisteranno ognuna in un problema che dovrà essere risolto e del quale dovrà essere fornita la risposta in forma numerica. Sarà specificato nel testo il massimo errore tollerabile (assoluto o percentuale, a seconda dei casi) e, se il risultato non fosse un numero puro, l’unità di misura nella quale esprimerlo. È necessario quindi prestare molta attenzione a non effettuare alcuna approssimazione o a valutare preventivamente il limite massimo dell’approssimazione accettabile, a svolgere i conti mantenendo un numero adeguato di cifre decimali per garantire l’accuratezza richiesta ed a fornire il risultato espresso nell’unità di misura richiesta ma senza indicarla (è già parte del testo della domanda). L’uso di modelli approssimati è sempre possibile, ma richiede la valutazione preventiva dell’errore introdotto dall’approssimazione e la verifica che questo rientri nell’intervallo consentito. Componimento In questo caso, quando ad esempio dovesse essere richiesta la scrittura di codice, l’esaminando dovrà inserire il codice in formato testo direttamente tramite calcolatore. Potrebbe però essere richiesta all’esaminando anche la descrizione testuale di una procedura, il disegno di un diagramma di flusso, l’illustrazione di parte dell’architettura del microprocessore ed ogni altro argomento che si presti ad una spiegazione testuale. In questo caso l'esaminando preparerà l'elaborato su fogli di carta quadrettata e provvederà a caricarli come allegati sul sistema come verrà indicato (foto leggibile con la webcam del PC, scansione con app su smartphone, ...). Caricare l'elaborato come richiesto e verificare che sia perfettamente leggibile è condizione necessaria per poterlo avere corretto. Ogni risposta corretta varrà fino a 3,0 punti ed ogni risposta errata o non data non sarà considerata (non c’è penalizzazione). In tutte le prove d’esame sarà sempre inserita almeno una domanda tipo “componimento” nella quale sarà richiesta la scrittura di codice per il microcontrollore studiato. È necessario ottenere almeno i due terzi del pieno punteggio nelle domande di questa categoria (cioè ottenere almeno a 2 punti su 3) per non essere riprovati. Questa condizione inderogabile è dettata dall’importanza del verificare il fatto che l’esaminando abbia sviluppato questo tipo di abilità, ritenuto essenziale ai fini del superamento dell’esame. Ogni risposta corretta varrà fino a 3,0 punti ed ogni risposta errata o non data non sarà considerata (non c’è penalizzazione). Il punteggio massimo ottenibile nella seconda parte è quindi pari a 12. Votazione finale Posto di aver raggiunto o superato la soglia indicata per la prima parte (8/15) e sulle domande relative alla scrittura di codice (2/3 per ogni domanda), la votazione finale sarà ottenuta sommando il punteggio ottenuto nella prima e seconda parte (sino a 15 punti per le domande a risposta guidata e sino a 12 punti per le domande a risposta numerica aperta e componimenti) ed il punteggio ottenuto nella relazione (sino a 6 punti). Il punteggio finale massimo ottenibile è quindi pari a 33. Per gli studenti che frequentano solo il modulo di PDBP (01IJYMV) il voto finale sarà ottenuto approssimando all’intero più vicino la votazione finale riportata; superando il punteggio di 30,5 allo studente sarà assegnata la lode.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Group essay; Computer-based written test in class using POLITO platform;
The final exam consists of a written test and a laboratory test. The written test is aimed at evaluating the knowledge of the arguments presented during frontal lessons, as well as the student’s capability of critically work them out. Moreover, the ability of solving simple design problems is also evaluated. The lab test is aimed at evaluating the student’s capability of using the typical lab instrumentation and at verifying the correct operation of the system developed as a group project. The written test consists of 2 exercises or questions, usually one related to circuit design aspects and the other to the knowledge of the microprocessor presented and/or to the capability of writing simple assembly programs. The written test lasts 60 minutes. During the test, if an exercise requires writing assembly code, students will be allowed to use the AT Mega 8 manual and the corresponding Instruction set manual. These manuals must contain no additional notes of any kind. No other material will be allowed. If a student does not reach the overall score of 9 (summing scores of the two exercises) o,r if he/she does not exceed the score of 3 for each of the two exercises, will be rejected. During the laboratory test students will be asked to demonstrate a good familiarity with the typical lab instrumentation (power supply, signal generator, multimeter and oscilloscope). Students will be asked to measure electrical quantities on the board they built during the lab hours or on a similar one. The laboratory test lasts approximately 15 minutes and is worthy of up to 9 points. Making serious mistakes or not being able to use properly the instrumentation makes it impossible to pass the exam. During the lab test students will be allowed to use their final report. The group each single student belongs to prepares the final report. The timely delivery of the final report is a necessary condition to be admitted to the exam. The report is evaluated and may be worthy up to 6 points. Since the final report is mandatory, attending the labs is compulsory. The final score is obtained by summing the scores relative to the written test, the lab test, and the final report. Laude will be assigned to students who obtain a score higher than 30.5
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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