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EMBEDDED SYSTEMS FOR E-HEALTH

Daniele ESPOSITO EMBEDDED SYSTEMS FOR E-HEALTH

0623200004
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE ED ELETTRICA E MATEMATICA APPLICATA
CORSO DI LAUREA MAGISTRALE
INFORMATION ENGINEERING FOR DIGITAL MEDICINE
2024/2025



OBBLIGATORIO
ANNO CORSO 1
ANNO ORDINAMENTO 2022
ANNUALE
CFUOREATTIVITÀ
1EMBEDDED SYSTEMS FOR E-HEALTH
324LEZIONE
216ESERCITAZIONE
18LABORATORIO
3EMBEDDED SYSTEMS FOR E-HEALTH
324LEZIONE
18LABORATORIO
216ESERCITAZIONE
MARTINO GIAQUINTO T Curriculum
DANIELE ESPOSITO1 Curriculum
Obiettivi
OBIETTIVO GENERALE
IL CORSO TRATTA GLI ASPETTI METODOLOGICI E TECNOLOGICI PER LA REALIZZAZIONE DI SISTEMI EMBEDDED E INDOSSABILI PER IL MONITORAGGIO DELLA SALUTE DELL’INDIVIDUO.

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
PRINCIPALI ARCHITETTURE HARDWARE E SOFTWARE PER LA REALIZZAZIONE DI SISTEMI EMBEDDED IN GRADO DI
ACQUISIRE ED ELABORARE BIOSEGNALI. CONOSCENZA DEI PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO E CARATTERISTICHE DI
SENSORI BIOMEDICALI UTILIZZATI NELLE APPARECCHIATURE DI DIAGNOSTICA E MONITORAGGIO PAZIENTE.
ASPETTI METODOLOGICI E TECNOLOGICI DI SISTEMI EMBEDDED E INDOSSABILI PER IL MONITORAGGIO DELLA
SALUTE.

CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
PROGETTARE ED IMPLEMENTARE SISTEMI EMBEDDED E INDOSSABILI PER IL MONITORAGGIO DELLA SALUTE.
CAPACITÀ DI SCELTA DI SENSORI APPROPRIATI PER MISURARE PARAMETRI MEDICO-BIOLOGICI INDICATIVI DELLO
STATO DI SALUTE DELL’INDIVIDUO. INTERFACCIAMENTO SENSORI-MICROCONTROLLORI PER APPLICAZIONI
BIOMEDICHE.
Prerequisiti
PER IL PROFICUO RAGGIUNGIMENTO DEGLI OBIETTIVI PREFISSATI SONO RICHIESTE LA CONOSCENZA DEL LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE C, CONOSCENZA DEI PRINCIPALI APPROCCI PROGETTUALI E REALIZZATIVI DEL SOFTWARE, CONOSCENZA DI BASE DELL’ARCHITETTURA DEL PROCESSORE E DEL LINGUAGGIO MACCHINA.

NON SONO CONTEMPLATE PROPEDEUTICITA’
Contenuti
PARTE PRIMA

UNITA' DIDATTICA 1 - INTRODUZIONE AI SISTEMI EMBEDDED ED AI MICROCONTROLLORI ARM
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 4/0/0)
- 1 (2 ORE LEZIONE): INTRODUZIONE AI SISTEMI EMBEDDED: DEFINIZIONE DI UN SISTEMA EMBEDDED, OVERVIEW SUI SISTEMI REAL TIME.
- 2 (2 ORE LEZIONE): OVERVIEW SUL SOFTWARE EMBEDDED E INTRODUZIONE ALL’ARCHITETTURA E PROGRAMMAZIONE DI MICROCONTROLLORI ARM, CON RIFERIMENTO A QUELLI PRODOTTI DA ST MICROELECTRONICS.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: CONOSCENZA DELLE PRINCIPALI ARCHITETTURE HARDWARE E SOFTWARE UTILIZZATE PER LA REALIZZAZIONE DI SISTEMI EMBEDDED. APPROFONDIMENTO DELLA STRUTTURA DEI BUS DI SISTEMA DI UN PROCESSORE CHE ADOTTA IL MEMORY MAPPED I/O.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE: SAPER DISTINGUERE LE CARATTERISTICHE ARCHITETTURALI DEI MICROCONTROLLORI ARM.


UNITA' DIDATTICA 2 - I/O SU MICROCONTROLLORI
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 2/6/0)
- 3 (2 ORE LEZIONE): GENERAL PURPOSE INPUT OUTPUT (GPIO): DEFINIZIONE, COMPONENTI HARDWARE, REGISTRI, ALTERNATE FUNCTIONS, CONFIGURAZIONE.
-4 (2 ORE ESERCITAZIONE): INTRODUZIONE ALL'AMBIENTE DI SVILUPPO E CONFIGURAZIONE DI UN PROGETTO PER IL MICROCONTROLLORE. LETTURA/SCRITTURA UTILIZZANDO PUSH BUTTON E LED.
-5 (2 ORE ESERCITAZIONE): LETTURA/SCRITTURA UTILIZZANDO PUSH BUTTON E LED, FUNZIONE PER IL LAMPEGGIAMENTO DI UN LED
-6 (2 ORE ESERCITAZIONE): FUNZIONI PER IL DEBOUNCING DI UN PUSH-BUTTON, INTRODUZIONE AL SOFTWARE FRITZING E ALL’UTILIZZO DI UNA BREADBOARD

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: CONOSCENZA DELLE PRINCIPALI INTERFACCE HARDWARE DEI MICROCONTROLLORI ADOTTATE PER LA COMUNICAZIONE VERSO DISPOSITIVI ESTERNI ENTRANDO NEL DETTAGLIO DELLA STRUTTURA CHE CONSENTE AI PIN DEL GPI/O DI FORNIRE FUNZIONALITÀ DEFINITI A TEMPO DI PROGRAMMAZIONE.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE: CAPACITÀ DI REALIZZARE UN FIRMWARE CHE SI INTERFACCIA CON PERIFERICHE ESTERNE DI BASE COME LED E PULSANTI. APPROFONDIMENTO DELLA STRUTTURA DELLA LIBRERIA HARDWARE ABSTRACTION LAYER FORNITA DA ST MICROELECTRONICS E UTILIZZO DELLA STESSA PER LA STRUTTURAZIONE DEL FIRMWARE.


UNITA' DIDATTICA 3 – INTERRUPT E DMA
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 4/2/0)
-7 (2 ORE LEZIONE): GESTIONE DEGLI INTERRUPT NEL CORTEX-M: VECTOR TABLE E NVIC, INTERRUPT LIFECYCLE, INTERRUPT PRIORITY, GESTIONE DELLE IRQ, EXTERNAL INTERRUPT (EXTI) CONTROLLER
-8 (2 ORE LEZIONE): GESTIONE DELLA DMA NEL CORTEX-M: PERIPHERAL BUS, DMA PORT, DMA REQUEST LINES, TRASFERIMENTO IN POLLING E INTERRUPT MODE.
-9 (2 ORE ESERCITAZIONE): CONFIGURAZIONE DEGLI INTERRUPT, GENERAZIONE DI INTERRUPT MEDIANTE PUSH BUTTON E DRIVING DI UN LED, CON GESTIONE DI INTERRUPT PROVENIENTI DALLA STESSA EXTI LINE O EXTI LINE DIVERSE

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: CONOSCENZA DELLE PRINCIPALI MODALITÀ DI INTERFACCIAMENTO TRA LA CPU E LE PERIFERICHE. COMPRENSIONE DELLE MODALITÀ DI GESTIONE DEGLI INTERRUPT E DEL RUOLO DEL DMA.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE: CAPACITÀ DI REALIZZARE UN FIRMWARE INTERRUPT-DRIVEN.


UNITA' DIDATTICA 4 - CLOCK E TIMERS
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 2/4/0)
- 10 (2 ORE LEZIONE): DISTRIBUZIONE DEL CLOCK SU UN MICROCONTROLLORE; TIMERS: DEFINIZIONE, CLASSIFICAZIONE, BASIC TIMERS USATI COME TIME BASE GENERATORS IN POLLING, INTERRUPT E DMA MODE, GENERAL PURPOSE TIMERS CON FOCUS SU OUTPUT COMPARE MODE E PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
-11 (2 ORE ESERCITAZIONE): CONFIGURAZIONE DI UN BASIC TIMER, E BLINKING DI UN LED MEDIANTE BASIC TIMER IN INTERRUPT MODE
-12 (2 ORE ESERCITAZIONE): CONFIGURAZIONE DI UN GENERAL PURPOSE TIMER PER GENERAZIONE DI ONDE QUADRE CON UN DETERMINATO DUTY CYCLE, CON ESEMPIO SU BLINKING E FADING DI UN LED

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: COMPRENSIONE DI COME AVVIENE E COME SI PUÒ CONFIGURARE LA DISTRIBUZIONE DEL SEGNALE DI CLOCK ALLA CPU ED ALLE PERIFERICHE. ARCHITETTURA GENERALE DI UN TIMER HARDWARE GENERAL PURPOSE ED UTILIZZO DEI CANALI DI I/O DEL TIMER.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE: CAPACITÀ DI DETERMINARE IL CLOCK IN INGRESSO AD UNA PERIFERICA. REALIZZAZIONE DI UN FIRMWARE CHE UTILIZZA I TIMER HARDWARE PER LA GENERAZIONE DI EVENTI PERIODICI GESTITI TRAMITE INTERRUZIONI. CONTROLLO DIRETTO DI UN LED TRAMITE IL TIMER. CONTROLLO DIRETTO DELL'INTENSITÀ DI LUMINOSITÀ DI UN LED TRAMITE TIMER.


UNITA' DIDATTICA 5 – INTERFACCE PER LA COMUNICAZIONE
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 6/8/0)
- 13 (2 ORE LEZIONE): PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE: DEFINIZIONE PRINCIPALI E CLASSIFICAZIONI, PROTOCOLLO SERIALE RS232 E INTERFACCIA UNIVERSAL SYNCHRONOUS-ASYNCHRONOUS RECEIVER/TRANSMITTER (USART/UART) IN MODALITÀ POLLING, INTERRUPT E DMA.
-14 (2 ORE LEZIONE): SERIAL PERIFERAL INTERFACE (SPI): SPI LINES, PROTOCOLLO DI COMUNICAZIONE, MODALITÀ DI TRASFERIMENTO IN POLLING, INTERRUPT E DMA MODE
-15 (2 ORE ESERCITAZIONE): CONFIGURAZIONE DELLA USART, INVIO E RICEZIONE DI MESSAGGI TRA STM32 E UN TERMINAL EMULATOR PROGRAM INSTALLATO SU PC, REALIZZAZIONE DI UN PROMPT DI COMANDI INVIATI TRAMITE USART PER PILOTARE IL COMPORTAMENTO DI UN LED COLLEGATO ALLA SCHEDA STM32.
-16 (2 ORE LEZIONE): INTER INTEGRATED CIRCUIT (I2C), LINEE SDA E SCL, PROTOCOLLO DI COMUNICAZIONE (START E STOP, ADDRESS E DATA FRAME, ACK E NACK, CLOCK STRETCHING), MODALITÀ DI TRASFERIMENTO IN POLLING, INTERRUPT E DMA MODE, TRASFERIMENTO DATI DA E VERSO LOCAZIONI DI MEMORIA.
-17 (2 ORE ESERCITAZIONE): CONFIGURAZIONE I2C, REALIZZAZIONE DI UN FIRMWARE IN GRADO DI EFFETTUARE UNA SCANSIONE DEI DISPOSITIVI CONNESSI AD UNA PORTA I2C, VISUALIZZANDO TRAMITE UART GLI INDIRIZZI DEI DISPOSITIVI INDIVIDUATI.
-18 (2 ORE ESERCITAZIONE): STUDIO DEL DATASHEET DI UN DISPOSITIVO CON MEMORIA INTERNA CHE COMUNICA MEDIANTE PROTOCOLLO I2C (DISPOSITIVO CONSIDERATO COME ESEMPIO: REAL TIME CLOCK). REALIZZAZIONE DI UN FIRMWARE IN GRADO DI RICAVARE LA DATA E L’ORA CORRENTE DA UN REAL TIME CLOCK
-19 (2 ORE ESERCITAZIONE): COMUNICAZIONE TRA DUE BOARD STM32 MEDIANTE SPI.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: APPROFONDIMENTO SUI PRINCIPALI PROTOCOLLI ED INTERFACCIE PER COMUNICAZIONE SERIALE SINCRONA ED ASINCRONA PRESENTI SUI MICROCONTROLLORI. CONOSCENZA DELLE CARATTERISTICHE DELLE INTERFACCE I2C, SPI, UART/USART E DEL LORO UTILIZZO PER L'INTERFACCIAMENTO CON SENSORI INTELLIGENTI.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE: PROGETTO E REALIZZAZIONE DI FIRMWARE CHE UTILIZZANO LA COMUNICAZIONE SERIALE PER LA COMUNICAZIONE: BOARD-TO-BOARD, BOARD-TO-PC E BOARD-TO-SENSOR.


UNITA' DIDATTICA 6 - CONVERSIONE ANALOGICO/DIGITALE
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 4/6/0)
- 20 (2 ORE LEZIONE): CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE, GENERALITÀ SULLA CONVERSIONE ANALOGICO DIGITALE (PROBLEMATICHE RELATIVE AL CAMPIONAMENTO E QUANTIZZAZIONE), CONVERTITORE SAR, CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE NELLA STM32
-21 (2 ORE LEZIONE): MODALITÀ DI CONVERSIONE POLLING E INTERRUPT, UTILIZZO DEL DMA, UTILIZZO DI TIMER COME TRIGGER
-22 (2 ORE ESERCITAZIONE): LETTURA DELLA TEMPERATURA INTERNA DEL MICROCONTROLLORE
-23 (2 ORE ESERCITAZIONE): LETTURA DELLA TEMPERATURA INTERNA DEL MICROCONTROLLORE MEDIANTE TIMER.
-24 (2 ORE ESERCITAZIONE): LETTURA DELLA TEMPERATURA INTERNA DEL MICROCONTROLLORE MEDIANTE TIMER E DMA

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: CONOSCENZA DELLA STRUTTURA GENERALE DI UN ADC CON RIFERIMENTO A QUELLO PRESENTE SUI MICROCONTROLLORI PRODOTTI DA ST MICROELECTRONICS

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE: PROGETTO E REALIZZAZIONE DI FIRMWARE CHE UTILIZZA UN ADC INTEGRATO PER LA LETTURA DI SENSORI ANALOGICI

TOTALE ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 22/26/0



PARTE SECONDA

UNITA' DIDATTICA 7 – INTRODUZIONE AI BIOSEGNALI E ALLE CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI MISURA PER L’E-HEALTH.
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 6/0/0)
- 1 (2 ORE LEZIONE): NUOVI APPROCCI PER LA MEDICINA DIGITALE. RUOLO DEI SISTEMI EMBEDDED PER LA REALIZZAZIONE DI DISPOSITIVI INDOSSABILI PER L’EHEALTH.
- 2 (2 ORE LEZIONE): ARCHITETTURA DI UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE ED ELABORAZIONE DI UN BIOSEGNALE. PARAMETRI CARATTERISTICI DI UN SISTEMA DI MISURA BIOMEDICALE: CARATTERISTICHE STATICHE E DINAMICHE.
- 3 (2 ORE LEZIONE): INTRODUZIONE ALLE CARATTERISTICHE DEI BIOSEGNALI.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: LO STUDENTE DEVE DIMOSTRARE DI CONOSCERE E SAPER COMPRENDERE LE CARATTERISTICHE DEI BIOSEGNALI E DEI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DEGLI STESSI.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE: LO STUDENTE DEVE DIMOSTRARE DI ESSERE IN GRADO DI SCEGLIERE LE TECNOLOGIA ADATTA ALLA TIPOLOGIA DI BIOSEGNALE MONITORATO.


UNITA' DIDATTICA 8 – SENSORI PER MISURE DI BIOPOTENZIALI
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 4/0/10)
- 4 (2 ORE LEZIONE): CARATTERISTICHE DEI PRINCIPALI BIOPOTENZIALI UTILIZZATI IN AMBITO CLINICO; ELETTRODI PER BIOPOTENZIALI.
- 5 (2 ORE LABORATORIO): ACQUISIZIONE E VISUALIZZAZIONE DI UN SEGNALE ELETTROCARDIOGRAFICO ECG.
- 6-7 (4 ORE LABORATORIO): ELABORAZIONE DEL SEGNALE ECG PER IL CALCOLO DELLA FREQUENZA CARDIACA.
- 8 (2 ORE LABORATORIO): ACQUISIZIONE E VISUALIZZAZIONE DI UN SEGNALE ELETTROMIOGRAFICO EMG.
- 9 (2 ORE LEZIONE): RICHIAMI SUI FILTRI E TECNICHE DI FILTRAGGIO DIGITALE SU MICROCONTROLLORE.
- 10 (2 ORE LABORATORIO): ESEMPI DI FILTRAGGIO DI BIOPOTENZIALI, RIDUZIONE DEI DISTURBI, ESTRAZIONE DI PARAMETRI CLINICI.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: LO STUDENTE DEVE DIMOSTRARE DI CONOSCERE E SAPER COMPRENDERE I PRINCIPALI BIOPOTENZIALI IMPIEGATI IN AMBITO CLINICO E LE TECNICHE DI ELABORAZIONE E FILTRAGGIO DEGLI STESSI.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE: LO STUDENTE DEVE DIMOSTRARE DI SAPER REALIZZARE UN SISTEMA PER L’ACQUISIZIONE E L’ELABORAZIONE DI BIOPOTENZIALI.


UNITA' DIDATTICA 9 – SENSORI PER MISURE DI TEMPERATURA E SEGNALI BIOMECCANICI
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 6/0/4)
- 11 (2 ORE LEZIONE): SENSORI PER LA MISURA DI TEMPERATURA, TERMOGRAFIA A INFRAROSSI.
- 12 (2 ORE LEZIONE): ESTENSIMETRI, SENSORI PIEZOELETTRICI, PIEZORESISTIVI.
- 13 (2 ORE LEZIONE): SENSORI ACCELEROMETRICI E GIROSCOPICI, TECNOLOGIE MEMS (MICRO ELECTROMECHANICAL SYSTEMS).
- 14 (2 ORE LABORATORIO): MISURA DELLA TEMPERATURA CORPOREA MEDIANTE SENSORI TERMICI E VISUALIZZAZIONE.
- 15 (2 ORE LABORATORIO): ACQUISIZIONE DI UN SEGNALE DI MOVIMENTO DI UN DISTRETTO CORPOREO.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: LO STUDENTE DEVE DIMOSTRARE DI CONOSCERE E SAPER COMPRENDERE I PRINCIPALI SENSORI DI TEMPERATURA, SENSORI BIOMECCANICI, SENSORI ACCELEROMETRICI E GIROSCOPICI.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE: LO STUDENTE DEVE DIMOSTRARE DI SAPER REALIZZARE UN SISTEMA PER L’ACQUISIZIONE E L’ELABORAZIONE DI SEGNALI DA SENSORI DI TEMPERATURA, SENSORI BIOMECCANICI, SENSORI ACCELEROMETRICI E GIROSCOPICI.


UNITA' DIDATTICA 10 – SENSORI OTTICI PER APPLICAZIONI BIOMEDICHE
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 2/0/4)
- 16 (2 ORE LEZIONE): FOTOPLETISMOGRAFIA (PPG) E PULSOSSIMETRIA (SPO2).
- 17 (2 ORE LABORATORIO): ACQUISIZIONE E VISUALIZZAZIONE DI UN SEGNALE FOTOPLETISMOGRAFICO.
- 18 (2 ORE LABORATORIO): ESTRAZIONE DELLA FREQUENZA CARDIACA DA UN SEGNALE PPG.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: LO STUDENTE DEVE DIMOSTRARE DI CONOSCERE E SAPER COMPRENDERE I PRINCIPALI SENSORI OTTICI PER APPLICAZIONI BIOMEDICHE.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE: LO STUDENTE DEVE DIMOSTRARE DI SAPER REALIZZARE UN SISTEMA PER L’ACQUISIZIONE E L’ELABORAZIONE DI SEGNALI DA SENSORI OTTICI PER APPLICAZIONI BIOMEDICHE.


UNITA' DIDATTICA 11 – PROJECT WORK
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 0/0/12)
-19-24 (12 ORE LABORATORIO): PROJECT WORK

TOTALE ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 18/0/30
Metodi Didattici
L'INSEGNAMENTO PREVEDE LEZIONI FRONTALI ED ESERCITAZIONI IN AULA E LABORATORIO.
UNA PARTE DELLE ORE DI LABORATORIO SARÀ DEDICATO ALLO SVOLGIMENTO DI UN PROGETTO DI GRUPPO.
Verifica dell'apprendimento
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Testi
MASTERING STM32: A STEP-BY-STEP GUIDE TO THE MOST COMPLETE ARM CORTEX-M PLATFORM, USING A FREE AND POWERFUL DEVELOPMENT ENVIRONMENT BASED ON ECLIPSE AND GCC. C. NOVIELLO, LEANPUB, 2016.

MEDICAL INSTRUMENTATION: APPLICATION AND DESIGN" DI JOHN G. WEBSTER

SENSORI PER MISURE BIOMEDICHE, DE ROSSI DANILO; AHLUWALIA ARTI; MAZZOLDI ALBERTO; PEDE DANILO; SCILINGO ENZO PASQUALE, PATRON ISBN/EAN: 9788855527644

Altre Informazioni
L'INSEGNAMENTO È EROGATO IN LINGUA INGLESE.
Orari Lezioni

  BETA VERSION Fonte dati ESSE3 [Ultima Sincronizzazione: 2024-10-07]