RANCANG BANGUN MODUL ADC VIA ETHERNET UNTUK FRONT END PENERIMA SDR. Ferani Angela Masri Dr. Ir. Achmad Affandi, DEA Michael Ardita, S.T, M.

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN MODUL ADC VIA ETHERNET UNTUK FRONT END PENERIMA SDR Ferani Angela Masri Dr. Ir. Achmad Affandi, DEA Michael Ardita, S.T, M.T Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia ferani_angela@yahoo.com Abstrak: Adanya kompetisi atau persaingan industri antara Asia, Eropa, dan Amerika, membuat standart baru tersebut menjadi sulit dilaksanakan walaupun membuat sebuah standar internasional yang khusus sangat bermanfaat. Hal inilah yang mendasari munculnya konsep radio yang didefenisikan sebagai Software-Defined-Radio (SDR) sebagai solusi yang lebih praktis. Penggunaan SDR sebagai pendukung di dalam sistem telekomunikasi khususnya dalam aplikasi akuisisi data. Dalam tugas akhir merancang bagian dari SDR yaitu ADC sehingga pengiriman data ke komputer dapat dilakukan dengan cepat yang akan ditampilkan ke komputer dengan melihat output sinyal yang berupa sinyal digital menggunakan program Delphi. Dimana terlebih dahulu merancang rangkaian ADC yang memiliki kecepatan 9600bps pada mikrokontrolernya. Setelah data tersebut berubah menjadi sinyal digital maka data akan dikirimkan ke PC via Ethernet dengan menggunakan protocol UDP. Dari hasil pengujian didapat bahwa adanya perbedaan kecepatan data yang dikirim dengan teori. Hal ini disebabkan karena pengaruh dari rangkaian analog yang kurang sempurna. Hasil pengukuran itu berupa perbandingan frekuensi input sinyal analog dengan keluaran data yang dikirim secara serial. Dan melihat jumlah karakter yang dikirim dalam tiap detik. Dari hasil pengujian dengan frekuensi 55 Hz dapat dilihat bahwa pengiriman sampel sebanyak 7 karakter dan untuk sinyal input 100 Hz didapatkan pengiriman sample sebanyak 4 pengiriman karakter. Kata kunci : SDR, ADC, Ethernet 1. PENDAHULUAN Adanya kompetisi atau persaingan industri antara Asia, Eropa, dan Amerika, membuat standart baru tersebut menjadi sulit dilaksanakan walaupun membuat sebuah standar internasional yang khusus sangat bermanfaat. Hal inilah yang mendasari munculnya konsep radio yang didefenisikan sebagai software (Software-Defined-Radio [1][2]. (SDR) sebagai solusi yang lebih praktis Istilah Software-Defined-Radio diciptakan pada tahun 1991 oleh Joseph Mitola. Pada perkembangan SDR saat ini dimana komponen yang biasanya telah diimplementasikan pada perangkat keras (misalnya mixer, filter, amplifier, modulator /demodulator, detector, dan lain-lain). Software-Defined-Radio (SDR) atau dapat disebut juga dengan software-radio, umumnya didefenisikan sebagai berikut [1] : Sofware-radio adalah sebuah teknologi yang muncul untuk membangun sistem radio yang fleksibel, multiservice, multistandard, multiband, reconfigurable dan reprogrammable dengan menggunakan software. Penggunaan SDR sebagai pendukung di dalam sistem telekomunikasi memudahkan pengguna untuk mendesain sebuah modem digital dikarenakan pengguna dapat mengubahubah mode modulator yang digunakan tanpa perlu melakukan perubahan pada sisi hardware yang digunakan. Dalam tugas akhir ini dilakukan suatu sistem penerima SDR yang telah ada, sehingga pengiriman data ke komputer dapat dilakukan dengan kecepatan yang tinggi yang dapat ditampilkan ke komputer dengan format pensamplingan sinyal menggunakan program Delphi. Dimana terlebih dahulu merancang rangkaian ADC yang memiliki kecepatan 9600bps kemudian data tersebut dkirim ke PC melalui Ethernet dengan menggunakan protocol UDP. 2. DASAR TEORI Berikut merupakan dasar teori yang digunakan dalam makalah berikut ini : 2.1 Software Defined Radio (SDR) Software-defined radio adalah teknologi yang berkembang pesat khusus nya dalam bidang telekomunikasi. Selama beberapa tahun terakhir, sistem radio analog digantikan oleh sistem radio digital untuk aplikasi dalam ruang militer, sipil, dan komersial. Sofware-radio adalah sebuah teknologi yang muncul untuk membangun sistem radio yang fleksibel, multiservice, multistandard, multiband, reconfigurable dan reprogrammable dengan menggunakan software. SDR ideal merupakan radio yang seluruh komponennya akan diimplementasikan oleh software, termasuk juga untuk tingkat RF. SDR yang ideal diharapkan mampu menyempurnakan generasi SDR secara menyeluruh. Karena keterbatasan teknologi, SDR ideal tidak dapat Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS 1

2 dicapai pada sekarang ini, dan mungkin akan dapat direalisasikan pada masa yang akan datang Berikut gambar SDR yang idel: Gambar 1 Ideal SDR Seiring dengan perkembangan zaman maka SDR dapat diartikan Software Defined Radio (SDR) merupakan radio yang sebahagian besar komponennya berupa software. SDR memiliki chip DSP (Digital Signal Processor) yang mampu digunakan untuk menghasilkan jenis-jenis modulasi, filter, dan lebar frekuensi kerja yang bervariasi. Akan tetapi untuk tingkat RF, SDR masih menggunakan rangkaian analog dengan rancangan yang besar, pemakaian beberapa jenis antena dan arsitekturnya yang kompleks. 2.2 Analog Digital Converter (ADC) Analog to Digital Converter ( ADC ) merupakan suatu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah tegangan analog menjadi kode data biner digital. ADC mempunyai berbagai macam parameter diantaranya resolusi, waktu konversi, LSB error. Ada berbagai macam tipe ADC yang didisain [8]İC ADC 0820 dianggap dapat memenuhi kebutuhan dari rangkaian yang akan dibuat. ADC-08 adalah Analog to Digital Converter berbasis ADC0820 yang membutuhkan catu daya tunggal +5 VDC. Aplikasinya antara lain untuk pendeteksi tegangan dan mengubah data sensor analog menjadi digital. Fitur dan spesifikasi teknis : 1. Resolusi ADC 8-bit. 2. Tegangan kerja (VCC) = Tegangan referensi (Vref) = +5 VDC. 3. Fungsi track-and-hold yang terintegrasi. 4. Tanpa clock eksternal. 5. Memiliki tiga operasi: RD (Read) Mode WR-RD (Write-Read) Mode WR-RD Stand Alone Operation 2.3 Mikrokontroller MCS51 Mikrokontroler adalah salah satu dari bagian dasar dari suatu sistem komputer. Meskipun mempunyai bentuk yang jauh lebih kecil dari suatu komputer pribadi dan komputer mainframe, mikrokontroler dibangun dari elemen-elemen dasar yang sama. Secara sederhana, komputer akan menghasilkan output spesifik berdasarkan inputan yang diterima dan program yang dikerjakan. Seperti umumnya komputer, mikrokontroler adalah alat yang mengerjakan instruksiinstruksi yang diberikan kepadanya. Artinya, bagian terpenting dan utama dari suatu sistem terkomputerisasi adalah program itu sendiri yang dibuat oleh seorang programmer. Program ini menginstruksikan komputer untuk melakukan jalinan yang panjang dari aksiaksi sederhana untuk melakukan tugas yang lebih kompleks yang diinginkan oleh programmer. 2.4 WIZ107SR Serial (RS-232) WIZ107SR sebagian besar protokol TCP / IP seperti TCP,UDP, IP, ARP, ICMP, IGMP dan Ethernet MAC. Ethernet ini memiliki kecepatan 10Mbps dan 100Mbps semua didukung dan satu standar Ethernet Jack sudah terpasang di WIZ107SR. Satu port serial disediakan dalam WIZ107SR melalui konektor 12-pin pada spesifikasi RS WIZ107SR dapat diaktifkan pada level tegangan power supply DC 3.3V dengan arus 250mA. 2.5 UDP (User Datagram Protocol) UDP pertama kalinya diperkenalkan pada tahun Paket UDP disebut user datagram. User datagram ini memiliki ukuran header yang tetap sebesar 8 byte. UDP adalah protokol transport yang digunakan secara luas pada lapisan di atas IP. Seperti TCP, UDP menggunakan port dan menyediakan konektivitas end-to-end antara aplikasi client dan server. 2.6 Internet Protocol Internet Protocol didesain untuk interkoneksi sistem komunikasi komputer pada jaringan paket switched. Pada jaringan UDP, sebuah komputer diidentifikasi dengan alamat IP. Tiap-tiap komputer memiliki alamat IP yang unik, masing-masing berbeda satu sama lainnya. 2.7 Pulse Code Modulation (PCM) Untuk pengolah sinyal analog dengan perangkat digital, yang pertama dilakukan adalahmengubah sinyal analog menjadi sederetan angka yang mempunyai keakuratan tertentu. Langkah ini disebut konversi analog ke digital, menggunakan alat yang disebut ADC (Analog to Digital Converter). Supaya sinyal digital ini cukup akurat untuk dikembalikan lagi menjadi sinyal analog maka perlu diperhatikan masalah jumlah sampling yang dipilih oleh ADC dan besarnya angka yang dipakai untuk mewakili tiap sampling. Gambar 2 Proses Konversi Sinyal Analog Menjadi Sinyal Digital Teori Sampling Kecepatan pengambilan sampel (frekuensi sampling) dari sinyal analog yang akan dikonversi haruslah memenuhi kriteria Nyquist yaitu: fs > 2 fin,max 2.8 Protokol UART pada RS-232 Komunikasi serial merupakan komunikasi data dengan pengiriman data secara satu per satu dengan menggunakan satu jalur kabel data. Protocol komunikasi serial RS 232 adalah sebuah komunikasi serial asinkron. Asynchronous serial adalah komunikasi dimana kedua pihak (pengirim dan penerima) masingmasing menghasilkan clock namun hanya data yang ditransmisikan, tanpa clock. Agar data yang dikirim sama dengan data yang diterima, maka kedua frekuensi Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS 2

3 clock harus sama dan harus terdapat sinkronisasi. Setelah adanya sinkronisasi, pengirim akan mengirimkan datanya sesuai dengan frekuensi clock pengirim dan penerima akan membaca data sesuai dengan frekuensi clock penerima. Contoh penggunaan asynchronous serial adalah pada Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) yang digunakan pada serial port (COM) komputer. Pada protokol serial asinkron semacam RS 232, frame terdiri atas satu start bit, tujuh atau delapan data bit, dan stop bit. Timing diagram untuk sebuah frame RS 232 terdiri atas satu start bit, 7 data bit, satu parity, dan dua stop bit ditunjukkan gambar 2.10, struktur sebenarnya dari frame harus sesuai antara transmitter dan penerima sebelum saluran komunikasi harus dibuka. kemudian di integrasikan dengan mikrokontroller berupa software. Berikut flowchart pada mikrokontroller : START INIT Baudrate Call Read ADC Transmit Gambar 2.12 Format Data UART- RS METODOLOGI PERANCANGAN Berikut merupakan penjelasan bentuk rancang bangun sistem yang akan dikembangkan 3.1 Arsitektur Sistem Dalam tugas akhir ini dilakukan suatu sistem menyempurnakan SDR yang telah ada, sehingga pengiriman data ke komputer dapat dilakukan dengan cepat yang ditampilkan ke komputer dengan melihat output sinyal yang berupa sinyal digital menggunakan program Delphi. Setelah memasukan sinyal input berupa sinyal analog dengan frekuensi tertentu maka sinyal tersebut masuk ke ADC. Di ADC inilah nantinyal sinyal analog berubah menjadi sinyal digital. Sinyal digital tersebut masuk ke Ethernet dengan menggunakan mikrokontroller sebagai interface nya. Disini Ethernet hanya sebuah hardware untuk menyetting protocol yang kita gunakan. Keluaran dari sinyal analog tersebut dapat kita lihat melalui PC berupa sinyal digital. Berikut gambar skema percobaan secara garis besar yang dapat dimodelkan pada gambar 3 Gambar 4 Flowchart Langkah Integrasi ADC ke mikro Berikut flowchart subrutin untuk pengambilan data dari ADC pada gambar 3.5. Pada flowchart di bawah dimana P3.4 berfungsi sebagai read. Disini terlebih dahulu kita menset P3.4 pada mikrokontroler. Setelah itu port 1 pada mikrokontroller dipindahkan ke accumulator, dari accumulator dipindahkan ke Data ADC pada J1 di ADC. Kemudian di return ke program utama. START P3.4 à 1 A ß P1 Input Analog ADC 0820 Vin B1 GND Vref B8 AT89C51 Ethernet WIZ107- SR Sign Data ADC ß A ENB Gambar 3 Skema Percobaan Return Gambar 5 Flowchart Subrutin Pengambilan Data Dari ADC 3.2 Desain Algoritma Software Modul ADC ke Mikrokontroller Pada tugas akhir ini modul ADC akan di integrasikan ke mikrokontroller menggunakan program assembler dan memiliki kecepatan data sekitar 9600bps. Sebagai langkah awal kita harus mengetahui bentuk sinyal input yang kita bangkitkan dan frekuensinya. Untuk memudahkan dalam tugas akhir ini hanya menggunakan sinyal analog dengan frekuensi 55Hz. Input masuk ke ADC Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS 3

4 START START Inisialisasi A ß Data ADC Setting Port Listen SBUF ß A T Buka koneksi UDP T1 = 0 Y Terima Data Dari Ethernet modul RETURN Gambar 6 Flowchart Subrutin Convert Decimal ASCII Kemudian Transmisikan 3.3 Integrasikan Ethernet ke PC Setelah kita mengintegrasikan modul ADC ke mikrokontroller dengan keluaran di mikro secara serial selanjutnya mengintegrasikan modul Ethernet ke PC. Disini langkah awalnya yaitu menyeting setup dari wiznet 107SR secara UDP dengan mengisi local IP. Local IP ini yaitu alamat IP pada Ethernet yaitu dengan alamat Setelah itu mengisi subnet mask dengan , dengan gateway Disini server nya yaitu komputer dengan IP komputer yaitu Apakah Ada Data yang Diterima? Y Hitung Jumlah Total Data yang Diterima Tampilkan jumlah total data yang diterima Copy data ke variable Lokal Tampilkan Data pada grafik T STOP Gambar 8 Flowchart Program Delphi Gambar 7 Setting Network Pada WIZ100SR 3.5 Desain Algoritma Untuk Tampilan Output di PC Untuk dapat mengolah data yang dihasilkan oleh modul ADC maka dibuat juga software pengolah data, di mana nantinya software ini bertugas untuk menterjemahkan data-data diskrit yang diperoleh dari ADC. Seperti yang kita ketahui bahwa fungsi ADC sendiri adalah mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital. Pada PC ini kita 4. SIMULASI DAN PENGUJIAN APLIKASI 4.1 Pengujian Analisa Per Modul. Pada pengujian analisa permodul ini, dimana tiaptiap modul di uji dengan melihat outputnya apakah sesuai dengan teori penunjang. Keluaran modul pertama yaitu output dari ADC, kemudian output dari mikrokontroller secara serial, dari Ethernet apakah data tersebut dapat terkirim dengan menggunakan protocol UDP. Dan menganalisa keluaran output pada komputer Pengujian Analisa Pada Keluaran ADC Terlebih dahulu melakukan pengujian dari analog to digital converter (ADC). Pada pengujian ADC ini input masukan berupa tegangan yang bisa di atur dengan menggunakan potensiometer. Sedangkan outputnya berupa tampilan pada LED array. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS 4

5 Tabel 1 Hasil Output Pada Modul ADC Teg Output ADC Persentase no Input Pengukuruan error (%) ADC Teg (V) dec (V) 1 0, ,000 0, , ,234 6, , ,488 2, , ,742 1, , ,977 2, , ,230 1, , ,484 1, , ,738 0, , ,992 0, , ,246 0, Pengujian Modul ADC dengan Input Sinyal Sinus Frekuensi 55 Hz Pengujian modul ADC dengan input sinyal sinus yang memiliki frekuensi 55 Hz bertujuan untuk membandingkan sinyal input dan keluaran dari terminal TX komunikasi serial. Pengujian ini menggunakan osciloscop dengan 2 probe. Probe pertama dihubungkan ke terminal input analog ADC, sedangkan probe kedua dihubungkan ke terminal TX serial. Gambar 4.1 Menunjukan hasil dari pengujian bit data akan ditambah 1 bit start bit dan 1 bit stop bit. Jadi total setiap pengiriman karakter sebanyak 10 bit. Dengan baud rate 9600bps dan setiap pengiriman karakter berjumlah 10 bit maka didapatkan 960 pengiriman karakter tiap detik. Untuk sinyal dengan frekuensi 55 Hz secara teori seharusnya didapatkan pengiriman sample sebanyak 17 karakter, tetapi dari pengujian hanya didapatkan 7 kali pengiriman karakter. Hal ini dipengaruhi oleh berbagai macam faktor salah satunya power supply yang kurang memenuhi sarat. Dan rangkaian Analog seperti filter yang dirakit sebelum input ADC Pengujian Pengiriman Serial dengan Menggunakan Mikrokontroller ATMEGA 8535 Pengujian modul ADC dengan input sinyal sinus yang memiliki frekuensi 55 Hz bertujuan untuk membandingkan sinyal input dan keluaran dari terminal TX komunikasi serial. Pengujian ini menggunakan osciloscop dengan 2 probe. Probe pertama dihubungkan ke terminal output serial dari mikrokontroller ATMEGA 8535, sedangkan probe kedua dihubungkan ke terminal input analog ADC dengan frekuensi 55 Hz. Gambar 4.3 Menunjukan hasil dari pengujian Pada osiloscop ini terdapat 2 buah gelombang, yang mana 1 gelombang berwarna hijau merupakan bentuk sinyal output serial dari mikrokontroller. Sedangkan gelombang yang berwarna kuning merupakan sinyal input dari sinyal analog ADC. Gambar 10 Hasil Pengujian Output pada Frekuensi Gambar 9 Hasil Pengujian Modul ADC dengan Frekuensi 55Hz Pada osiloscop ini terdapat 2 buah gelombang, yang mana 1 gelombang berwarna hijau merupakan bentuk sinyal input yang memiliki frekuensi 55 Hz. Sedangkan gelombang yang berwarna kuning merupakan sinyal output dari terminal TX secara serial. Pada sinyal input dapat diketahui secara teori bahwa 1 gelombang memiliki perioda sebesar 18 ms, dari sini dapat diketahui bahwa sinyal input 55 Hz sesuai dengan frekuensi input masukan. Pada sinyal ouput secara serial setiap pengiriman 1 karakter ASCII membutuhkan waktu sekitar 1,2 ms atau sekitar 833 pengiriman karakter tiap detiknya. Sedangkan pada mikrokontroller, seting baud rate untuk komunikasi serial sebesar 9600bps. Setiap kali pengiriman karakter 8 Input 55Hz dengan Menggunakan ATMEGA Pada hasil dengan menggunakan ATMEGA 8535 pengiriman serial lebih cepat dari pada menggunakan mcs-51, hal ini disebabkan karena pada ATMEGA 8535 menggunakan ADC internal yang di set free running sehingga tidak memerlukan waktu untuk membaca sinyal input analog, berbeda dengan menggunakan mcs-51 yang mana untuk memanggil data dari ADCeksternal memerlukan beberapa tahap untuk memperoleh data tersebut. 4.2 Hasil Pengujian Protokol Via Ethernet Pengujian protocol via Ethernet bertujuan untuk mengetahui apakah data yang dikirim ke PC dapat terkirim dengan menggunakan protocol UDP. Keuntungan UDP ini pengiriman data dapat dilakukan secara cepat dari pada TCP hal ini disebabkan karna Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS 5

6 pada UDP tidak adanya pengiriman data balasan dari client kalau data tersebut sudah terkirim atau tidak. Maka transmisi broadcast pun dapat broadcast pun dimungkinkan. Sebuah protokol lapisan aplikasi dapat mengirimkan paket data ke beberapa tujuan dengan menggunakanalamat multicast atau broadcast. Gambar 11 Hasil Pengiriman Data dengan Protokol UDP 4.3 Hasil Pengujian Tampilan di Delphi Dari hasil yang didapat dapat diketahui bahwa sinyal analog pada input dengan sinyal output yang ditampilkan pada Delphi tidak sama karna terjadinya error yang diakibatkan dari ADC kemudian ditambah error dari mikrokontoller maka hasil yang didapat tidak sesuai dengan teori. 5. KESIMPULAN DAN SARAN beberapa hal yang dapat dijadikan sebagai kesimpulan 1. 1 Hasil pengujian data secara serial antara MCS- 51 sangat berbeda dengan ATmega Pada MCS-51 memiliki banyak noise atau gannguan sinyal yang terjadi sehingga pengiriman data tidak sempurna, sedangkan dengan ATmega 8535 pengiriman data nya cepat. 2. Pada ATmega 8535 sinyal output yang dikeluarkan di Delphi berbentuk sinyal sinus Saran Adapun beberapa hal yang dapat dijadikan pertimbangan maupun saran dalam pelaksanaan tugas akhir ini guna pengembangan penelitian selanjutnya antara lain : 1. Diusahakan untuk membuat rangkaian analog lebih advance dan pembuatan software lebih presisi baik pengolahan data analog menjadi digital mau pun pada sisi output. 2. Untuk kedepannya dihitung sampling rate,jumlah paket per detik, sampling jitter, dan linieritas PCM DAFTAR PUSTAKA [1] Enrico Buracchini, CSELT, The Software Radio Concept, IEEE Comm.Magazine, hal , September [2] Dusko Zgonjanin, Kiril Mitrevsi, Ljubomir Zelenbaba,. Software Radio: Principles and Overview., [3] Safety Wireless Network (PSWN) Program, Software Enabled Wireless Interoperability Assessment Report-SDR Subscriber Equipment, Maret [4] Response Times: The Three Important Limits". Jakob Nielsen. [5] Titik mengambang vs fixed point URL Data manipulasi dan perhitungan matematika URL [6] 7-Jan-05 - No V.92 for USR V.Everything - David Holiman writes "Looks like USR has given up on upgrading the 2805/2806 Courier v.90 modems to the V.92 protocol standard. [7] "National Semiconductor Corporation". SM. Retrieved [8] Data Sheet AD0820 [9] WIZ107SR User Manual (WIZnet Co., Ltd) [10] Purbo, Onno W. Buku Pinter Internet TCP/IP,September 1998 [11] Tutorial Code Composer Studio 2. DAFTAR RIWAYAT HIDUP Penyusun dengan nama lengkap Ferani Angela Masri, sering di panggil dengan nama panggilan Feren. Lahir di Padang, 6 Agustus Anak ke-2 dari 3 bersaudara, saat ini bertempat tinggal di Perumahan SutorejoIndah. Jln Sutorejo Selatan viii no.21 Pendiidikan normal yang pernah di tempuh : SD. Semen Padang 01 pada tahun SD. Tanmalaka 01 pada tahun lulus pada tahun 1999 SLTPN 01 Padang pada tahun lulus pada tahun 2002 SMUN 03 Padang pada tahun lulus pada tahun 2005 Politeknik Universitas Andalas pada tahun lulus pada tahun 2008 ITS Surabaya pada tahun 2008 sampai sekarang Penyusun pernah melakukan Kerja Praktek di Creative Sdn,Bhd Malaysia selama 3 bulan. Selama mengikuti perkuliahan di ITS penyusun pernah mengikuti lomba PKM-GT, mengikuti seminar Mobile TV Digital CMM, dan seminar pengetahuan tentang perusahaan PT Pertamina. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS 6

7 Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS 7