Corso Avanzato di Sistemi Embedded con Arduino

Lezione 1 • Elementi Essenziali dell'Architettura dei Microcontrollori

Tratta i core della CPU, i tipi di memoria e le strutture dei bus all'interno dei microcontrollori AVR e ARM. Stabilisce il vocabolario hardware utilizzato in tutto il corso.

Lezione 2 • Varianti e Selezione delle Schede Arduino

Confronta le schede Uno, Mega, Nano e a 32 bit in base a specifiche e casi d'uso. Guida le decisioni di selezione hardware per progetti embedded.

Lezione 3 • Struttura dello Sketch e Modello di Esecuzione

Spiega setup(), loop() e il modello di esecuzione bare-metal senza scheduler di sistema operativo. Prepara gli studenti a ragionare su temporizzazione e flusso di controllo.

Lezione 4 • Configurazione dell'IDE e della Toolchain

Installa e configura l'IDE e la CLI di Arduino, i pacchetti delle schede e i driver. Collega la configurazione della toolchain a cicli efficienti di compilazione e upload.

Lezione 1 • Generazione di Segnali PWM

Genera forme d'onda PWM veloce e PWM a fase corretta utilizzando le unità di confronto dei timer. Applica il PWM a circuiti di controllo della velocità del motore e attenuazione dei LED.

Lezione 2 • Interrupt Esterni e su Cambio di Pin

Configura i vettori INT0/INT1 e PCINT per il rilevamento di eventi attivati sul fronte. Collega latenza e priorità degli interrupt ai requisiti dei sistemi in tempo reale.

Lezione 3 • Pattern di Scheduling Non Bloccante

Implementa uno scheduling cooperativo dei task utilizzando millis() e flag dei timer senza un RTOS. Sostituisce il codice basato su delay() con macchine a stati guidate dagli eventi.

Lezione 4 • Architettura dei Timer Hardware

Esamina i registri dei timer a 8 e 16 bit, i prescaler e il comportamento di overflow. Fornisce le basi a livello di registro per tutte le tecniche basate su timer.

Lezione 1 • Algoritmi di Filtraggio Digitale

Implementa filtri a media mobile, esponenziali e mediana nel firmware. Quantifica la latenza del filtro e la riduzione del rumore per decisioni di fusione dei sensori.

Lezione 2 • Condizionamento e Amplificazione del Segnale

Progetta stadi di guadagno con amplificatori operazionali e circuiti di traslazione di livello per adattare l'uscita del sensore al range dell'ADC. Riduce l'errore di offset e di guadagno prima della digitalizzazione.

Lezione 3 • Tecniche di Interfacciamento dei Sensori

Collega correttamente agli ingressi ADC sensori resistivi, capacitivi e con uscita in tensione. Tratta la polarizzazione, gli effetti di carico e l'adattamento di impedenza di ingresso.

Lezione 4 • Architettura e Configurazione dell'ADC

Configura il prescaler dell'ADC, la tensione di riferimento e le modalità di conversione per l'accuratezza. Collega le impostazioni dell'ADC ai compromessi di larghezza di banda del segnale e rumore.

Lezione 1 • Protocollo UART e Debugging Seriale

Configura la velocità di trasmissione, il formato del frame e il controllo di flusso per la comunicazione UART. Utilizza l'uscita seriale come canale primario di debugging e registrazione dati.

Lezione 2 • Progettazione e Indirizzamento del Bus I2C

Implementa letture e scritture master I2C con corretta gestione di ACK/NACK. Risolve i conflitti di indirizzo e la contesa del bus in sistemi multi-dispositivo.

Lezione 3 • Acquisizione e Analisi con Analizzatore Logico

Acquisisce e decodifica transazioni UART, SPI e I2C con un analizzatore logico. Correla le anomalie della forma d'onda ai bug del firmware per una diagnosi rapida.

Lezione 4 • Rilevamento e Ripristino degli Errori di Protocollo

Identifica errori di framing, blocchi del bus e condizioni di timeout in tutti e tre i protocolli. Implementa il ripristino basato su watchdog e la logica di ritentativo.

Lezione 1 • Budget di Potenza e Modalità di Sleep

Calcola i budget di potenza del sistema e applica le modalità di sleep AVR per estendere la durata della batteria. Integra il rilevamento della corrente per la protezione da sovraccarico.

Lezione 2 • Tecniche di Controllo del Motore Passo-Passo

Implementa sequenze a passo intero, mezzo passo e micropasso per motori passo-passo. Regola la modalità di decadimento della corrente e i profili di accelerazione per un movimento fluido.

Lezione 3 • Implementazione del Controllo PID ad Anello Chiuso

Implementa un controllore PID discreto nel firmware per gli anelli di velocità e posizione del motore. Regola Kp, Ki e Kd utilizzando l'analisi della risposta al gradino.

Lezione 4 • Circuiti di Pilotaggio per Motori DC

Progetta circuiti a ponte H e seleziona gate driver per il controllo bidirezionale del motore DC. Collega il ciclo di lavoro PWM alla velocità del motore e all'uscita di coppia.

Lezione 1 • Integrazione del File System su Scheda SD

Monta file system FAT16/FAT32 su schede SD tramite SPI ed esegue I/O su file. Implementa scritture bufferizzate per bilanciare throughput e integrità dei dati.

Lezione 2 • Ottimizzazione di Flash e PROGMEM

Memorizza dati costanti in Flash utilizzando PROGMEM per liberare SRAM per le variabili di runtime. Applica direttive del compilatore e strumenti di analisi delle dimensioni per ridurre l'ingombro del codice.

Lezione 3 • Lettura, Scrittura e Livellamento dell'Usura della EEPROM

Legge e scrive sulla EEPROM con scritture di solo aggiornamento per minimizzare i cicli di cancellazione. Implementa il livellamento dell'usura per l'archiviazione di configurazioni ad alta frequenza.

Lezione 4 • Mappa della Memoria AVR e Vincoli

Mappa le regioni di Flash, SRAM ed EEPROM e quantifica il loro impatto sulla progettazione del firmware. Identifica la collisione stack-heap come modalità di guasto primaria a runtime.

Lezione 1 • Sicurezza e Integrità dei Dati per l'IoT

Applica TLS, HMAC e autenticazione basata su token per proteggere gli endpoint IoT embedded. Affronta la sicurezza dell'aggiornamento del firmware e l'archiviazione delle credenziali.

Lezione 2 • Comunicazione Bluetooth Classic e BLE

Associa i moduli HC-05 per Bluetooth seriale e configura i servizi BLE GATT su ESP32. Costruisce un'applicazione embedded controllata da dispositivo mobile.

Lezione 3 • Integrazione del Modulo Wi-Fi

Collega i moduli ESP8266 ed ESP32 ad Arduino tramite comandi AT e SDK nativo. Stabilisce connessioni TCP/IP e HTTP per il caricamento dei dati.

Lezione 4 • Protocollo MQTT per la Messaggistica IoT

Implementa i pattern di publish e subscribe MQTT per la telemetria leggera dei sensori. Configura i livelli di QoS, i messaggi retained e i topic last-will.

Lezione 1 • Profilazione delle Prestazioni e Ottimizzazione

Misura la latenza dell'ISR, la temporizzazione del loop e l'utilizzo della memoria con toggle GPIO e macro di profilazione. Applica ottimizzazioni mirate senza sacrificare la leggibilità.

Lezione 2 • Consegna e Revisione del Progetto Finale

Fornisce un sistema embedded completamente documentato che soddisfi i requisiti definiti, attraverso la revisione tra pari e dell'istruttore. Produce una relazione tecnica e una dimostrazione.

Lezione 3 • Architettura e Partizionamento del Sistema

Scompone un sistema embedded complesso in moduli hardware e firmware con interfacce definite. Applica un'architettura a strati per isolare le dipendenze hardware.

Lezione 4 • Gestione degli Errori del Firmware e Watchdog

Implementa codifica difensiva, macro di asserzione e reset del watchdog per la tolleranza ai guasti. Registra i codici di errore in EEPROM per l'analisi post-mortem.