sistem akuisisi data berbasis mikrokontroler

7/24/2019 Sistem Akuisisi Data Berbasis Mikrokontroler

1/12

Sistem Akuisisi Data Berbasis

Mikrokontroler

Freddy Kurniawan

Jurusan Teknik Elektro

Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto

Jl. Raya Janti, Blok R, Kompleks Lanud Adisutjipto, Yogyakarta

Email!reddykurnia"an#stta.a$.id,!reddykurnia"an#yahoo.$om

A%stra$t

&u$h resear$h re'uire data a$'uisition system. E(en some o! the e)periments

re'uire a data a$'uisition system "ith spe$ial spe$i!i$ations. *n order !or us $an

$reate a data a$'uisition system "ith the desired 'uantity and spe$i!i$ations, in this

study "e $onstru$ted a data a$'uisition system "ith general spe$i!i$ations asre'uired %y some resear$h.

This data a$'uisition system is %ased on mi$ro$ontroller. The system $an

per!orm data a$'uisition o! the eight input $hannels. By using a +-%it A/, the data

$an %e displayed in the !ormat o! three digits !rom . (olts to 0.00 (olts. The system

$an sample the ea$h input $hannel "ith sampling-!re'uen$y up to + k12. ata

representing the (oltage o! all $hannels is sent to the $omputer as a data logger (ia a

3SB port and re$ei(ed %y the 1yperTerminal so!t"are.

This mi$ro$ontroller-%ased system $onsumes po"er !rom the 3SB port. The

system is e'uipped "ith so!t"are-tra$ing, so that the system $an %e used as a learning

tool !or the students. This system is e)pe$ted to %e de(eloped !urther in order to %uild

a data a$'uisition system "ith spe$ial spe$i!i$ations as re'uired.

Key"ords data a$'uisition system, data logger, mi$ro$ontroller-%ased system.

a. Pendahuluan

Salah satu alat penelitian yang banyak dibutuhkan adalah sistem akuisisi data

dengan data logger. Perangkat tersebut dapat mengonversi isyarat tegangan analog ke

bentuk data digital kemudian merekamnya dalam suatu media tertentu. Tegangan

analog masukan dapat mewakili banyak hal, misalnya: kuat suara, intensitas cahaya,

tekanan udara, bahkan hingga ketinggian air, kerapatan suatu zat, dan komposisi suatu

benda. Sistem ini juga dibutuhkan pada beberapa praktikum dan penelitian di

laboratorium. Pengamatan arus transien dan pengamatan isyarat berbentuk pulsa

singkat (spike merupakan dua percobaan yang tidak secara mudah diamati bahkan

menggunakan osiloskop digital sekalipun. !gar dapat digunakan secara luas, sistem

ini harus berukuran kecil, menggunakan daya sangat rendah, dapat dioperasikan

secara mudah, dan dapat dihubungkan ke komputer.

Sistem diharapkan dapat diperbanyak dan dapat dikembangkan pada penelitian

selanjutnya. "ntuk keperluan tersebut, sistem akuisisi data ini dibuat berbasis

mikrokontroler. Pada penelitian ini dipilihlah mikrokontroler !Tmega#$ sebagai

jantung dari sistem ini. %ikrokotroler ini banyak digunakan di &ndonesia sehingga

mempunyai potensi besar untuk dikembangkan oleh banyak pihak.

'
mailto:[email protected],mailto:[email protected],mailto:[email protected],mailto:[email protected]:[email protected],mailto:[email protected]


2/12

Penggunaan mikrokontroler sebagai sistem akuisisi data juga sebagai sarana

pembelajaran bagi para mahasiswa, terutama untuk materi konversi isyarat analog ke

digital, penjadwalan prosesor, dan komunikasi data. Penelitian ini diharapkan dapat

dikembangkan pada penelitian lanjutan untuk membentuk sistem akuisisi data dengan

tujuan khusus yang mendukung suatu riset di laboratorium.

b. Landasan Teori

ADC Internal Mikrokontroler ATmega3

%ikrokontroler !Tmega#$ mempunyai sebuah !) dengan resolusi '* bit.

!gar dapat dioperasikan dengan resolusi penuh, maka +rekuensi clock yang

diumpankan ke !) sebaiknya berkisar antara * k-z hingga $** k-z. Proses

konversi !) ini menggunakan metode su$$essi(e appro)imation dengan waktu

konversi '# clock. ika !) dioperasikan dengan +rekuensi clock !$lo$k-A/, maka

waktu konversi !) atau t/mengikuti Persamaan ('.

A./$lo$k/ !t

='#

('

ika sistem ini hanya digunakan untuk mengonversi satu saluran masukan,

maka nilai periode cuplikan minimal adalah TS-min / t/. 0amun jika sistem ini

digunakan untuk mengonversi m saluran, maka nilai periode cuplikan minimal

menjadi TS-min/ m4t/. 0ilai +rekuensi cuplikan maksimal akan mengikuti Persamaan

($.

'#=

m

!! A./$lo$kmaksS ($

!) ini mempunyai tegangan re+erensi yang dapat dipilih, yaitu: !1)),

2e+erensi &nternal, dan !234. Pemilihan tegangan re+erensi ini dilakukan dengan

mengeset beberapa bit 234S di register !%"5. engan tegangan re+erensi 5RE6,perbedaan nilai tegangan minimal yang dapat dideteksi oleh !) n bit mengikuti

Persamaan (# (Tocci, '667.

'$ =

n

RE65

(#

0ilai resolusi !) dalam persen mengikuti Persamaan (8.

'$

'**

=n

(8

Secara internal, masukan !) dihubungkan ke sebuah multiplekser dengan

delapan saluran masukan. 0omor saluran yang dihubungkan ke masukan !) dapat

diatur dengan mengeset beberapa bit %"5 di register !%"5. Sebelum proseskonversi !) dimulai, bit9bit 234S dan %"5 dalam register !%"5 harus

ditentukan terlebih dahulu. 2egister tersebut diisolasi terhadap sistem )P"

mikrokontroler oleh sebuah register penyangga (%u!!er. &nstruksi )P" untuk menulis

ke register !%"5 hanya akan menulisi register penyangga. !) akan menyalin isi

register penyangga tersebut ke register !%"5 setelah ada instruksi Start

/on(ersion. &nstruksi ini dilakukan dengan mengeset bit !S). iagram pewaktuan

sebuah proses konversi !) dapat dilihat pada ambar '.

$


3/12

ambar ' iagram pewaktuan konversi !) saluran tunggal

Selama proses konversi berlangsung, isi !%"5 diisolasi dari sistem

mikroprosesor, sehingga instruksi )P" untuk menulis ke register !%"5 tidak akan

mempengaruhi proses konversi !) yang sedang berlangsung. 0amun disarankan

perubahan isi register !%"5 dilakukan paling cepat satu clock setelah instruksiStart /on(ersion diberikan untuk menjamin proses konversi tidak terganggu

perubahan isi register tersebut.

Proses konversi single $on(ersion membutuhkan waktu '# clock !).

Selesainya proses konversi !) ditandai dengan disetnya bit bendera !&4. Setelah

proses konversi selesai, data keluaran !) dapat dibaca di pasangan register keluaran

!)-9!);.

!"A#T Mikrokontroler

%ikrokontroler !Tmega#$ ini juga mempunyai +asilitas komunikasi serial

"S!2T. engan "S!2T dapat dibentuk komunikasi dengan sebuah komputer untuk

pesat bit tertentu. Pesat bit pada proses pengiriman dan penerimaan data ditentukan

dari +rekuensi clock osilator. 4rekuensi clock ini dibagi dengan nilai register "8= %-z.

$. Metode Penelitian

Diagram %lok "istem

Sistem akuisis data ini dirancang dapat mengonversi isyarat tegangan dari

delapan saluran masukan. ?edelapan saluran tersebut dihubungkan ke masukan !)

'* bit oleh sebuah saklar multiplekser, %u@. Saklar tersebut mempunyai delapan

saluran masukan dan satu saluran keluaran. iagram blok sistem ini dapat dilihat pada

ambar $.

#


4/12

ambar $ iagram blok sistem

ata keluaran !) yang mewakili nilai tegangan setiap saluran masukan

kemudian dikonversi ke +ormat !S)&& tiga digit. Semua data tegangan dikirim dari

mikrokontroler melalui "S!2T. ata serial ini selanjutnya dikonversi oleh konverter

serial ke "S< yang berbasis &) P;$#*#, dan kemudian dimasukkan ke komputer

melalui port "S


5/12

+rekuensi clock hingga =6'.$** -z, sepuluh bit data hasil konversi !) masih dapat

dipercaya. Sementara itu, penggunaan +rekuensi clock yang lebih tinggi, yaitu

'.#7$.8** -z menjadikan adanya kesalahan pada dua ;S< hasil konversi !).

Program "istem Akuisisi Data

Program sistem akuisisi data dibuat dengan perangkat lunak )ode1ision.Pertama9tama )P" mikrokontroler memerintahkan !) untuk mencuplik isyarat

analog dari kedelapan saluran masukan dengan +rekuensi cuplikan tertentu sesuai

pilihan pengguna. Program dilanjutkan dengan mengonversi '* bit data hasil konversi

!) ke dalam +ormat !S)&& tiga digit. ata tersebut kemudian ditampilkan ke ;)

dan dikirim ke komputer. Secara umum, diagram alir program dapat dilihat pada

ambar #.

ambar # iagram alir program

!lgoritma proses pencuplikan dibuat sedemikian rupa sehingga selisih waktu

antara dimulainya konversi data suatu saluran dengan saluran berikutnya menjadi

tidak terlalu besar. Proses konversi isyarat analog dari delapan saluran masukandideskripsikan oleh diagram alir pada ambar 8. iagram pewaktuan jalannya

program dapat dilihat pada ambar .


6/12

ambar 8 iagram alir proses pencuplikan atas delapan saluran masukan

Sebagaimana ambar , sebelum isyarat dari saluran * dikonversi, terlebih

dahulu )P" menulis nomor saluran * dalam bit9bit %"5. ?emudian )P"memberikan instruksi Start /on(ersion. Sambil menunggu selesainya konversi

saluran * oleh !), )P" membuat pulsa singkat untuk pelacakan. Pengguna dapat

mengamati pulsa ini untuk keperluan penelusuran perjalanan program. ?emudian

)P" menulis nomor saluran ' ke %"5. ;angkah ini tidak akan mempengaruhi

proses konversi yang sedang berjalan. 0amun konversi berikutnya langsung akan

menggunakan saluran '.

=


7/12

ambar iagram pewaktuan proses konversi !) untuk +rekuensi cuplikan ' k-z.

Setiap selesainya proses konversi suatu saluran, bit bendera segera direset.

?emudian )P" memberikan instruksi Start /on(ersion lagi agar konversi untuk

saluran berikutnya dimulai. Pengambilan data hasil konversi dilakukan pada saat

!) sedang melakukan konversi untuk saluran berikutnya. ambar di atas

merupakan contoh diagram pewaktuan untuk proses konversi !) pada saat

digunakan +rekuensi cuplikan ' k-z.

ata hasil konversi disimpan dalam suatu memori untuk kemudian diubah

menjadi +ormat !S)&& tiga digit. ata kemudian dikirim ke komputer menggunakan

+ormat 7 bit data, ' bit stop, tanpa paritas dan !lo" $ontrol, pesat bit 8=*,7 kbps. ata

diterima oleh perangkat lunak -yperTerminal untuk kemudian diimport olehperangkat lunak pengolah data. 4ormat data yang dikirim mengikuti +ormat +rame

data pada ambar =.

ambar = 4ormat +rame data yang dikirim

4rame data yang dikirim diawali data karakter ;4 (Line 6eed untukmenurunkan kursor ke baris berikutnya. ata ini diikuti dengan )2 (/ariage Return

untuk mengembalikan posisi kursor ke kolom paling kiri. ?emudian diikuti data

!S)&& yang mewakili tegangan saluran *, ' hingga saluran >. ata !S)&& dua saluran

berurutan dipisahkan oleh spasi (kode !S)&& #$. %etode pengiriman data seperti ini

hampir dipastikan dapat berjalan di kebanyakan komputer yang digunakan saat ini.

d. &asil dan Pembahasan

Sistem telah dapat melakukan tugas akuisisi data dengan baik. 4rekuensi

cuplikan dibuat berkisar dari '* -z hingga ' k-z sesuai Tabel $.Tabel $ Pewaktuan sistem !)

!S(-z

TS(ms

!$lo$k A/(k-z

t$(us

T$+ T$7 Ct898+ Ct898:(us (A (us (A (us (A (us (A

>


8/12

'* '** '>$,7 >,$# >,=

*

*,*7 =* *,=* >,= *,*7 $6 *,#

* $* #8,= #>,=$ #7,'

*

*,'6 #* ',$ #7,' *,'6 $=> ',##

'** '* =6',$ '7,7' '6,#

*

*,'6 '8 ',8 '6,# *,'6 '# ',#

** $ =6',$ '7,7' '6,#

*

*,6> '8 >,>$ '6,# *,6> '# =,>=

'*** ' =6',$ '7,7' '6,#

*

',6# '8 ',8

8

'6,# ',6# '# '#,

'

4rekuensi cuplikan terendah adalah '* -z. &ni berarti sistem mengirim

sepuluh +rame per detik. i sini digunakan +rekuensi clock !) '>$,7 k-z. engan

+rekuensi clock ini, sesuai Persamaan (' !) membutuhkan waktu t$ / >,$#

mikrodetik untuk melakukan konversi isyarat pada saluran *. Setelah konversi selesai,

terdapat instruksi untuk mereset bit bendera (!&4 dan memulai konversi baru.

?edua perintah tersebut membutuhkan waktu sekitar *,#> mikrodetik. Sehingga total

waktu untuk mengonversi isyarat masukan dari saluan * adalah T$+/ >,= mikrodetik.

Setelah itu baru proses konversi saluran ' dimulai.

Saat dimulainya konversi saluran * dan saluran ' terdapat selisih waktu Ct898+/ >,= mikrodetik atau *,*7 A dari nilai periode cuplikan TS. engan kata lain,

konversi saluran ' tertunda Ct898: / >,= mikrodetik dari konversi saluran *, atau

tertinggal *,*7 A dari periode cuplikan total. Semakin besar selisih nomor saluran,

tundaan waktu konversi akan semakin besar. ?onversi saluran > tertunda Ct898:/ $6

mikrodetik atau sekitar *,# A terhadap konversi saluran *. "ntuk meminimalkan

e+ek tundaan waktu konversi, disarankan jika jumlah saluran yang dikonversi kurang

dari delapan, sebaiknya menggunakan beberapa saluran dengan nomor berurutan.

Pada saat digunakan +rekuensi cuplikan * -z atau yang lebih tinggi lagi,+rekuensi clock !) dinaikkan. -al ini dilakukan agar persentase waktu tunda tidak

terlalu besar. 0amun agar kesepuluh data keluaran !) tetap dapat digunakan, pada

penggunaan +rekuensi cuplikan ** -z ke atas tetap digunakan +rekuensi clock !)

=6',$ k-z. -al ini membawa konsekuensi naiknya prosentase waktu tunda antar

saluran. -al ini terlihat pada saat digunakannya +rekuensi cuplikan ' k-z. Pada

kondisi ini, nilai T$+ / '6,# mikrodetik atau ',6# A, dan konversi saluran > akan

tertunda '# mikrodetik atau '#, A.

Pela$akan Per'alanan Program

"ntuk proses pembelajaran dan pengembangan, sistem ini mempunyai

+asilitas pelacakan perjalanan program. ?aki PD2T


9/12

(a !S/ '* -z

(a !S/ ' k-z

6


10/12

ambar > ra+ik pulsa pelacakan

PD2T(b terlihat bahwa pada saat digunakan +rekuensi

cuplikan ' k-z, persentase kesibukan sistem sangat tinggi.

alam selang waktu satu detik, tampilan di ;) diperbarui. !lgoritma untuk

memperbarui tampilan ;) membutuhkan waktu sekitar #* mikrodetik. Sehingga

setiap satu detik, terdapat sebuah pulsa clock dengan siklus kerja lebih tinggi daripulsa lain. !lgoritma tersebut akan didahului oleh serangkaian instruksi untuk

memastikan bahwa selang waktu dieksekusinya algoritma ini tepat satu detik.

ari Tabel $ terlihat bahwa pada saat digunakan +rekuensi cuplikan '* -z,

waktu yang dibutuhkan untuk mengonversi isyarat masukan dari kedelapan saluran

masukan adalah T$7 / =* mikrodetik. Proses pengonversian '* bit data keluaran

!) ke data dengan +ormat !S)&& tiga digit membutuhkan waktu hingga '=

mikrodetik tergantung dari nilai tegangan yang dikonversi. '= mikrodetik. Sehingga pada saat digunakan +rekuensi cuplikan '* -z, total

waktu sistem dalam keadaan sibuk adalah (=* H '$7 H >'= mikrodetik / '.886

mikrodetik. Siklus kerja sistem pada saat digunakan +rekuensi cuplikan '* -z atau

periode cuplikan '** milidetik adalah A'**'**

'886=

m

/ ',8 A.

!lgoritma pengaksesan ke ;) dieksekusi satu detik sekali. -al ini berarti

setiap sepuluh pulsa, akan terdapat sebuah pulsa clock dengan siklus kerja

A'**'**

#*'886

+=

m

/ ',7 A. 0ilai siklus kerja clock pada saat )P" harus

mengakses ke ;) dapat dilihat pada kolom ke9$ dan # Tabel #.Tabel # Siklus kerja sistem!S

(-z

Siklus kerja (A

Sebelum ada optimasi Setelah ada

optimasiTanpa akses ke

;)

engan akses ke

;)

'* ',8 ',7* ',#$* ,>8 >,86 ,'*

'** 6,66 '#,86 7,>'** 86,6# =>,8# 8#,#

'*** 66,7 '#8,7 7>,*

Siklus kerja sistem akan naik dengan naiknya +rekuensi cuplikan yangdigunakan. Pada +rekuensi cuplikan ' k-z, siklus kerja sistem menjadi 66,7 A. -al

'*


11/12

ini berarti dalam waktu ' milidetik, hanya ', mikrodetik )P" dalam keadaan

menganggur (idle. Pada kondisi ini tidak dimungkinkan lagi )P" mikrokontroler

mengakses ;). !danya tambahan waktu sekitar #* mikrodetik untuk mengakses

;) akan menjadikan siklus kerja melebihi '** A. Sehingga pada saat digunakan

+rekuensi cuplikan ' k-z, data tidak mungkin lagi ditampilkan ke layar ;).

()timasi )rogram

!) dan "S!2T merupakan +asilitas tambahan pada mikrokontroler.

?eduanya dapat berjalan dengan instruksi dari )P". 0amun setelah jalan, )P" hanya

menunggu hingga keduanya selesai menjalankan tugas. i waktu menunggu, )P"

dapat mengerjakan instruksi lain. "ntuk itu harus dilakukan penjadwalan tugas.

Sesuai dengan diagram alir pada ambar #, setelah proses pencuplikan isyarat

masukan oleh !) selesai, )P" harus segera melakukan konversi atas data hasil

keluaran !) ke +ormat !S)&& tiga digit. Pada saat bersamaan "S!2T harus segera

mengirim data ke komputer. i sini )P" cukup memberikan instruksi kepada "S!2T

untuk mengirim data. Pengiriman sebuah data dalam sebuah +rame pada ambar =

dipicu oleh sebuah interupsi dari pewaktu nol. Sesuai dengan jumlah karakter yangdikirim, interupsi ini terjadi ## kali dalam satu periode cuplikan.

engan metode tersebut, instruksi pengiriman data via "S!2T dilaksanakan

di sela9sela proses pengonversian data !) ke +ormat !S)&& dan pengaksesan data ke

;). "rutan proses yang terjadi pada sistem dapat ditelusuri dengan melihat gra+ik

E)P" F !)G dan E"S!2TG sebagaimana ambar 7. Pada gambar tersebut terlihat

bahwa proses dimulai dengan konversi saluran masukan * hingga saluran > oleh

!). ?emudian diikuti dengan pengonversian data biner keluaran !) ke +ormat

!S)&& tiga digit. Proses ini dimulai dari data saluran * hingga saluran >.

ata pertama (;4 dikirim pada saat interupsi pertama terjadi. &ni biasanya

terjadi setelah data !) dari saluran ' selesai dikonversi ke +ormat !S)&&. !danyaakti+itas )P" untuk mengirim data menyebabkan proses konversi data !) ke !S)&&

saluran $ sedikit tertunda. ata berikutnya ()2, dan data !S)&& tegangan masukan

dikirim setiap terjadi interupsi.

ambar 7 ra+ik pulsa pelacakan untuk!S/ '*** -z

Iaktu yang digunakan untuk mengirim data satu karakter adalah $',>

mikrodetik, sementara itu interupsi terjadi dengan selang $',6 mikrodetik. &nterupsi

yang dipicu oleh mat$h $ompare pewaktu * ini diakti+kan pada saat dimulainya

konversi data hasil !) dari saluran *. Pengiriman data satu +rame ini berlangsung

sekitar >$# mikrodetik. Proses yang memakan waktu lebih lama dari konversi !)

dan konversi data ke !S)&& ini akan sering diinterupsi oleh instruksi pengiriman data

via "S!2T.

''


12/12

Setiap satu detik, harus terdapat waktu luang sekitar #* mikrodetik agar )P"

dapat melakukan pembaruan data tampilan ;). engan metode ini, algoritma

pembaruan data ;) tetap dapat berjalan setelah algoritma pengonversian data !)

ke +ormat !S)&& selesai. Proses pembaruan data ;) tidak akan menaikkan siklus

kerja, karena proses ini dilakukan bersamaan dengan proses pengiriman data.

Pada kolom ke9$ dan # Tabel # dapat dilihat nilai siklus kerja sistem sebelumdilakukan optimasi program. Pada saat digunakan +rekuensi cuplikan ' k-z dan )P"

harus mengakses ;), siklus kerja sistem menjadi lebih dari '** A. Setelah

dilakukan optimasi program dengan cara penjadwalan )P", didapat siklus kerja

tertinggi adalah 7>,* A. &ni terjadi pada saat digunakannya +rekuensi cuplikan '

k-z. 0ilai tersebut tidak akan naik meskipun )P" juga harus mengakses ;).

e. Kesim)ulan

ari pembahasan yang telah dipaparkan di muka dapat diambil beberapa

kesimpulan sebagai berikut.

'. Sistem telah dapat melakukan akuisisi data dengan +rekuensi cuplikan dari '* -z

hingga ' k-z dengan baik.

$. ata telah dapat dikirim ke komputer melalui komunikasi serial yang dikonversi

ke "S< dengan pesat bit 8=*,7 kbps.

#. Dptimasi program telah dapat dilakukan dengan penjadwalan proses di )P",

!) dan "S!2T. -al ini telah dapat menurunkan siklus kerja sistem sehingga

sistem mampu bekerja dengan +rekuensi cuplikan ' k-z.

Da*tar Pustaka

!khter, 0azneen, 4adhil %ahdi, inan, %anza, anesh 2., $*'$, &i$ro$ontroller

%ased ata A$'uisition System !or 1eart Rate 5aria%ility (1R5

&easurement, &nt. ournal o+ !pplied Sciences and 3ngineering 2esearch, 1ol.', &ssue 8, &SS0 $$>> J 688$.

!tmel, $*'', ATmega;< 7-%it A5R &i$ro$ontroller "ith ;89''7.

Sara+, Shubhangi 2., -olmukhe, 2ajesh %., $*'', &i$ro$ontroller Based ata

A$'uisition System !or Ele$tri$al &otor 5i%rations using 5B So!t"are, &ndian

ournal o+ )omputer Science and 3ngineering (&)S3, 1ol. $ 0o. Dct90ov,

&SS0 : *6>=9'==.Kusu+ -., ?han !. 2., and = J 7='*, Pelagia 2esearch ;ibrary, "S!.

Tocci, 2.., and Iidmer, 0.S., '667,igital Systems, >thedition, Prentice9-all, &nc.,

0ew ersey, ".S.!.

'$

sistem akuisisi data berbasis mikrokontroler

Documents