L'insegnamento si propone di introdurre i principali concetti di elettronica digitale applicati alla progettazione di dispositivi biomedici programmabili, iniziando dalle porte logiche elementari per arrivare alla descrizione funzionale di FPGA e microcontrollori. In particolare, verrà descritto nel dettaglio il funzionamento di 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.

Al termine dell'insegnamento gli studenti conosceranno: - I sistemi di acquisizione a segnali misti e le tecniche di base per il loro dimensionamento - le porte logiche elementari e la sintesi empirica di circuiti combinatori e digitali - 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

È importante avere familiarità con gli argomenti trattati nei corsi di Elettronica ed Elettrotecnica della laurea triennale. È utile aver seguito con profitto il corso di Strumentazione Biomedica e Sicurezza e quello di Dispositivi Impiantabili Attivi della laurea triennale.

Lezioni frontali - Dimensionamento di un sistema di acquisizione - Conversione analogico-digitale e digitale-analogico. Definizioni di base, concetti di campionamento e quantizzazione, rumore di quantizzazione ed errori di conversione lineari e non lineari. Descrizione del funzionamento di ADC di tipo SAR e DAC di tipo R-2R. - Cenni sul quadro legislativo e normativo riguardante i dispositivi biomedici programmabili con particolare riferimento ai sistemi elettromedicali programmabili (SEMP) - Transistore bipolare: modelli di saturazione ed interdizione - 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 - Dimensionamento condensatori di by-pass - Circuiti sequenziali: FF, registri, contatori - Tecnologie elettroniche - Descrizione di un microcontrollore - Microprogrammazione Laboratori - Uso della strumentazione di laboratorio - Dimensionamento, assemblaggio e caratterizzazione di un trigger di Schmitt non invertente - Misura di parametri statici e dinamici su porte logiche CMOS e TTL - Uso dell’ambiente di sviluppo e progetto, scrittura e debugging di semplici programmi di prova - Lavoro a gruppi sui progetti assegnati

L’insegnamento è suddiviso in trentanove ore di lezioni frontali e ventuno 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 familiarizzeranno con la strumentazione presente in laboratorio, acquisiranno la metodologia di base relativa al lavoro in un laboratorio elettronico e lavoreranno su progetti specifici, di cui si richiede la stesura di una relazione di progetto e la consegna della documentazione prodotta. La frequenza dei laboratori è obbligatoria.

Dispense fornite dal docente e manuali del microcontrollore utilizzato.

Slides; Dispense; Materiale multimediale ;

Modalita 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 o altra piattaforma equivalente, accedendo con PC personale. Nel caso in cui 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 eventualmente 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 capacità 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 sottoforma 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 telematico. 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 Durante la seconda parte sarà possibile consultare i manuali del microcontrollore messi a disposizione dal docente, privi di qualunque tipo di appunto. 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 Le domande di componimento potranno essere di due macro-tipologie: 1. Componimento codice. Sarà richiesta all’esaminando la scrittura di codice firmware per il microcontrollore studiato. Tutte le domande di questa tipologia dovranno essere corredate dal relativo diagramma di flusso e da eventuale diagramma di stato. L’esaminando dovrà inserire il codice in formato testuale direttamente tramite calcolatore mentre l’illustrazione dei diagrammi di flusso o di stato e/o eventuali altre illustrazioni dovranno essere preparati su fogli di carta quadrettata e caricarti 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. In tutte le prove d’esame sarà sempre inserita una domanda tipo “componimento codice” che varrà fino a 4,0 punti in caso di risposta corretta. È necessario ottenere almeno i tre quarti del pieno punteggio nelle domande di questa categoria (cioè, ottenere almeno 3 punti su 4) 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. 2. Componimento semplice. Potrebbe essere richiesta all’esaminando la descrizione testuale di una procedura, il disegno di un diagramma di flusso, l’illustrazione di parte dell’architettura del microprocessore, la progettazione di soluzioni hardware, la scrittura di brevi porzioni di codice 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). Il punteggio massimo ottenibile nella seconda parte è quindi pari a 13. 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 (3/4), la votazione finale sarà ottenuta sommando: 1. Il punteggio ottenuto nella prima e seconda parte (sino a 15 punti per le domande a risposta guidata e sino a 13 punti per le domande a risposta numerica aperta e componimenti); 2. Il punteggio ottenuto dalla valutazione della relazione di progetto (sino a 4 punti). I codici prodotti, così come ogni altra documentazione (schemi elettrici, diagrammi di flusso ecc.) verranno confrontati con quelli generati da strumenti di AI generativa (es. ChatGPT, Copilot, …) oltre che con le relazioni presentate in anni accademici passati. È severamente vietato l’utilizzo di strumenti basati sull’IA e di porzioni di relazioni consegnate da altri gruppi in passato. Tali condotte illecite costituiranno ragione di annullamento del punteggio relativo all’attività di laboratorio e riprovazione immediata per l’intero gruppo di progetto; 3. Un punto ottenuto in sede di verifica funzionale dei prototipi relativi al progetto assegnato. Tale verifica avverrà al momento della consegna del prototipo implementante il progetto assegnato. Il punteggio finale massimo ottenibile è quindi pari a 33. Per gli studenti che frequentano l’insegnamento integrato PDBP/ Progettazione di software medicali (01VSRXC) il voto finale sarà determinato come media dei voti NON APPROSSIMATI riportati in ognuno dei due moduli. Il risultato della media sarà poi approssimato all’intero più vicino. Superando il punteggio di 30,5 allo studente sarà assegnata la lode. Per gli studenti che frequentano l’insegnamento integrato PDBP/Sensori e Misure per la Bioingegneria (01RAGMV) il voto finale sarà determinato come media dei voti NON APPROSSIMATI riportati in ognuno dei due moduli. Il risultato della media sarà poi approssimato all’intero più vicino. Superando il punteggio di 30,5 allo studente sarà assegnata la lode.

Gli studenti e le studentesse con disabilita 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'Unita Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione piu idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.