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Progettazione di dispositivi biomedici programmabili
01IJYMV
A.A. 2020/21
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica - Torino
Mutua
01RAGMV
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 30 |
| Esercitazioni in laboratorio | 30 |
| Tutoraggio | 30 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Knaflitz Marco | Professore Ordinario | IBIO-01/A | 30 | 0 | 0 | 0 | 19 |
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | ING-INF/06 | 6 | B - Caratterizzanti | Ingegneria biomedica |
|---|
2020/21
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: Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
L'esame ha lo scopo di verificare le conoscenze acquisite dagli studenti, la capacità di analizzare in modo critico gli argomenti presentati a lezione e di risolvere esercizi di analisi e progetto di semplici circuiti elettronici o semplici esercizi di programmazione di microcontrollori. Gli esercizi saranno simili a quelli presentati in aula, ma potranno contenere varianti tese a verificare la capacità degli studenti di adattare quanto appreso alla soluzione di problemi leggermente differenti da quelli espressamente trattati a lezione ed esercitazione.
L'esame comprende una prima parte consistente in quindici domande a risposta guidata ed una seconda parte consistente in quattro domande a “risposta numerica aperta” o di tipo “componimento”. Le due parti si terranno nella stessa giornata.
La prima parte ha la durata di 15 minuti. Per ogni domanda sono presentate tre possibili risposte delle quali una sola è corretta. Lo studente potrà selezionare la risposta che ritiene corretta o astenersi dal rispondere. Alla prima parte sono attribuiti 15 punti, ottenuti come segue: ogni risposta corretta incrementa il totale di 1 punto, ogni risposta errata comporta la sottrazione di 0,33 punti ed ogni risposta non data non è considerata. La votazione minima che lo studente deve ottenere è pari a 8,0 punti su 15 disponibili. Lo studente che non raggiunge questa soglia è riprovato.
La seconda parte dell’esame ha la durata di 50 minuti. Le quattro domande consisteranno ognuna in: a) un problema che dovrà essere risolto e del quale dovrà essere fornita la risposta in forma numerica; oppure b) nella spiegazione testuale di un concetto, nella descrizione di un circuito, della struttura interna del microcontrollore; oppure c) nella scrittura di breve un programma. Nel caso delle domande del tipo “risposta numerica aperta” sarà specificato nel testo il massimo errore tollerabile (assoluto o relativo, a seconda dei casi) e, se il risultato non fosse un numero puro, l’unità di misura nella quale esprimerlo. Ogni risposta corretta varrà 3,5 punti ed ogni risposta errata o non data non sarà considerata (non c’è penalizzazione). Il punteggio massimo ottenibile è quindi pari a 14 punti.
La votazione finale sarà ottenuta sommando i punteggi riportati nella prima e seconda parte (sino a 15 punti per le domande a risposta guidata e sino a 14 punti per le domande della seconda parte) ed il voto della relazione di laboratorio (sino a 4 punti). Il punteggio finale massimo ottenibile è quindi pari a 33: superando il punteggio di 30.5 allo studente sarà assegnata la lode.
Nel corso della prova (entrambe le parti) è consentita la consultazione del manuale d’uso e del manuale delle istruzioni del microcontrollore. È possibile utilizzare unicamente la calcolatrice resa disponibile dal sistema di proctoring in entrambe le parti della prova.
Nel caso in cui l’insegnamento sia parte di un insegnamento integrato, il voto finale è ottenuto mediando i voti non approssimati dei due moduli ed il risultato della media è approssimato all’intero più vicino. Se il voto così determinato è maggiore di 30,5 allo studente viene assegnata la lode.
Exam: Computer-based written test using the PoliTo platform;
The exam aims at verifying the knowledge acquired by students, their ability to critically analyze topics presented during the lectures as well as to solve problems related to simple electronic circuits or to write code for microcontrollers. Exercises will be similar to those presented during lectures, but sometimes they could also contain some differences from what previously presented to ascertain the ability of students to solve simple problems they never faced before.
The exam is made of two parts: the first part consists of fifteen multiple-choice questions and the second part consists of four open questions, which may be either “open numerical answer” or “composition” type. The two parts of the exam will be held in the same day, in succession.
The first part of the exam lasts 15 minutes. For each question, three possible answers are presented. Only one choice is correct. The student can either select the answer he believes correct or refrain from answering. This part of the exam is worthy of 15 points, obtained as follows: each correct answer adds 1 point, each wrong answer subtracts 0.33 points; if no answer is given, the score is not modified (0 points added). The minimum score the student must obtain is equal to 8 out of 15 available points; if this threshold is not met, the exam is failed.
The second part of the exam consists of four open questions and lasts 50 minutes. Each question will belong to either the “open numerical answer” type or “composition” type. Each question will consist of: a) a problem, the answer of which will be strictly numerical; or b) the request of explaining a concept, the description of a circuit or of part of the internal structure of the microcontroller; or c) the request of writing a short program for the microcontroller. When a question belongs to the “open numerical answer” type, the maximum acceptable error (either absolute or relative) will be specified in the text and, if the result is not dimensionless, units to be used will be specified too. Each correct answer adds 3.5 points to the final score. Wrong or not given answers will not be considered (no penalization will be applied). Therefore, the maximum score that can be obtained is equal to 14 points.
The overall score of a student will be obtained by summing of the scores relative to the two parts of the exam (up to 15 points for the first part and up to 14 points for the second part) and the score obtained for the laboratory report (up to 4 points). Therefore, the maximum obtainable score is equal to 33: if a student exceeds the score of 30.5, he/she will be granted the Laude.
During both parts of the exam, students will be allowed to use both the microcontroller technical manual and the instruction manual. Students will be allowed to use only the calculator made available by the proctoring system.
Should this course be a part (module) of an integrated course, the overall score of the integrated course will be obtained as the average of the raw scores (without any approximation) obtained in each module. The average will then be approximated to the nearest integer. If a student exceeds the score of 30.5, he/she will be granted the Laude.
Modalità di esame: Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
L'esame ha lo scopo di verificare le conoscenze acquisite dagli studenti, la capacità di analizzare in modo critico gli argomenti presentati a lezione e di risolvere esercizi di analisi e progetto di semplici circuiti elettronici o semplici esercizi di programmazione di microcontrollori. Gli esercizi saranno simili a quelli presentati in aula, ma potranno contenere varianti tese a verificare la capacità degli studenti di adattare quanto appreso alla soluzione di problemi leggermente differenti da quelli espressamente trattati a lezione ed esercitazione.
L'esame comprende una prima parte consistente in quindici domande a risposta guidata ed una seconda parte consistente in quattro domande a “risposta numerica aperta” o di tipo “componimento”. Le due parti si terranno nella stessa giornata.
La prima parte ha la durata di 15 minuti. Per ogni domanda sono presentate tre possibili risposte delle quali una sola è corretta. Lo studente potrà selezionare la risposta che ritiene corretta o astenersi dal rispondere. Alla prima parte sono attribuiti 15 punti, ottenuti come segue: ogni risposta corretta incrementa il totale di 1 punto, ogni risposta errata comporta la sottrazione di 0,33 punti ed ogni risposta non data non è considerata. La votazione minima che lo studente deve ottenere è pari a 8,0 punti su 15 disponibili. Lo studente che non raggiunge questa soglia è riprovato.
La seconda parte dell’esame ha la durata di 50 minuti. Le quattro domande consisteranno ognuna in: a) un problema che dovrà essere risolto e del quale dovrà essere fornita la risposta in forma numerica; oppure b) nella spiegazione testuale di un concetto, nella descrizione di un circuito, della struttura interna del microcontrollore; oppure c) nella scrittura di breve un programma. Nel caso delle domande del tipo “risposta numerica aperta” sarà specificato nel testo il massimo errore tollerabile (assoluto o relativo, a seconda dei casi) e, se il risultato non fosse un numero puro, l’unità di misura nella quale esprimerlo. Ogni risposta corretta varrà 3,5 punti ed ogni risposta errata o non data non sarà considerata (non c’è penalizzazione). Il punteggio massimo ottenibile è quindi pari a 14 punti.
La votazione finale sarà ottenuta sommando i punteggi riportati nella prima e seconda parte (sino a 15 punti per le domande a risposta guidata e sino a 14 punti per le domande della seconda parte) ed il voto della relazione di laboratorio (sino a 4 punti). Il punteggio finale massimo ottenibile è quindi pari a 33: superando il punteggio di 30.5 allo studente sarà assegnata la lode.
Nel corso della prova (entrambe le parti) è consentita la consultazione del manuale d’uso e del manuale delle istruzioni del microcontrollore. È possibile utilizzare unicamente la calcolatrice resa disponibile dal sistema di proctoring in entrambe le parti della prova.
Nel caso in cui l’insegnamento sia parte di un insegnamento integrato, il voto finale è ottenuto mediando i voti non approssimati dei due moduli ed il risultato della media è approssimato all’intero più vicino. Se il voto così determinato è maggiore di 30,5 allo studente viene assegnata la lode.
Exam: Computer-based written test using the PoliTo platform;
The exam aims at verifying the knowledge acquired by students, their ability to critically analyze topics presented during the lectures as well as to solve problems related to simple electronic circuits or to write code for microcontrollers. Exercises will be similar to those presented during lectures, but sometimes they could also contain some differences from what previously presented to ascertain the ability of students to solve simple problems they never faced before.
The exam is made of two parts: the first part consists of fifteen multiple-choice questions and the second part consists of four open questions, which may be either “open numerical answer” or “composition” type. The two parts of the exam will be held in the same day, in succession.
The first part of the exam lasts 15 minutes. For each question, three possible answers are presented. Only one choice is correct. The student can either select the answer he believes correct or refrain from answering. This part of the exam is worthy of 15 points, obtained as follows: each correct answer adds 1 point, each wrong answer subtracts 0.33 points; if no answer is given, the score is not modified (0 points added). The minimum score the student must obtain is equal to 8 out of 15 available points; if this threshold is not met, the exam is failed.
The second part of the exam consists of four open questions and lasts 50 minutes. Each question will belong to either the “open numerical answer” type or “composition” type. Each question will consist of: a) a problem, the answer of which will be strictly numerical; or b) the request of explaining a concept, the description of a circuit or of part of the internal structure of the microcontroller; or c) the request of writing a short program for the microcontroller. When a question belongs to the “open numerical answer” type, the maximum acceptable error (either absolute or relative) will be specified in the text and, if the result is not dimensionless, units to be used will be specified too. Each correct answer adds 3.5 points to the final score. Wrong or not given answers will not be considered (no penalization will be applied). Therefore, the maximum score that can be obtained is equal to 14 points.
The overall score of a student will be obtained by summing of the scores relative to the two parts of the exam (up to 15 points for the first part and up to 14 points for the second part) and the score obtained for the laboratory report (up to 4 points). Therefore, the maximum obtainable score is equal to 33: if a student exceeds the score of 30.5, he/she will be granted the Laude.
During both parts of the exam, students will be allowed to use both the microcontroller technical manual and the instruction manual. Students will be allowed to use only the calculator made available by the proctoring system.
Should this course be a part (module) of an integrated course, the overall score of the integrated course will be obtained as the average of the raw scores (without any approximation) obtained in each module. The average will then be approximated to the nearest integer. If a student exceeds the score of 30.5, he/she will be granted the Laude.