Implementasi Sistem Pengenalan Kata pada Mikrokontroler Keluarga MCS51

Transkripsi

1 Ipeentasi Siste Pengenaan Kata pada Mikrokontroer Keuarga MCS51 Thiang Jurusan Teknik Eektro, Universitas Kristen Petra Siwaankerto , Surabaya eai : thiang@petra.ac.id Abstrak-Makaah ini eaparkan tentang ipeentasi siste pengenaan kata pada ikrokontroer keuarga MCS51. Mikrokontroer yang digunakan adaah ikrokontroer AT89C51RC dengan 32 kbyte eori perograan. Siste iniu AT89C51RC yang didesain terdiri dari singe chip AT89C51RC dan RAM eksterna 256 kbyte. Sinya suara disaping secara angsung dari ikrofon dengan terebih dahuu dikuatkan dan diubah enadi sinya digita. Proses saping sinya diakukan dengan saping rate 8 khz. Metode yang digunakan untuk siste pengenaan kata adaah Linear Predictive Coding (LPC)-Eucidean squared Distance. LPC digunakan sebagai etode ekstrasi inforasi dari sinya suara. Eucidean squared distance digunakan sebagai etode pengenaan kata. Dari hasi ipeentasi, ternyata hanya dibutuhkan eori perograan tidak ebih dari 4 kbyte dan dari hasi penguian, tingkat keberhasian pengenaan kata tertinggi yang dicapai adaah 75%. Keywords Pengenaan kata, ikrokontroer, inear predictive coding, Eucidean squared distance I. PENDAHULUAN Peneitian tentang pengenaan kata teah banyak diakukan daa beberapa dekade. Banyak hasi yang teah dicapai dari peneitian-peneitian yang teah diakukan. Dari peneitian yang teah diakukan, siste pengenaan kata teah diipeentasikan daa beberapa device antara ain koputer, digita signa processor (DSP) dan Appication- Specific Integrated Circuit (ASIC). Pada akaah ini dipaparkan tentang ipeentasi siste pengenaan kata pada ikrokontroer keuarga MCS51. Aasan peiihan ikrokontroer keuarga MCS51 adaah karena ikrokontroer ini cukup popuer, urah dan banyak tersedia di Indonesia. Mikrokontroer keuarga MCS51 yang dipiih untuk ipeentasi siste pengenaan kata adaah ikrokontroer AT89C51RC yang eiiki 32 kbyte eori untuk perograan. Keterbatasan instruksi dan eori yang ada pada ikrokontroer, erupakan suatu tantangan tersendiri daa engipeentasikan siste pengenaan kata pada sebuah ikrokontroer. Apaagi proses koputasi diakukan ebutuhkan siste biangan foating point. Metode yang diterapkan daa untuk pengenaan kata adaah Linear Predictive Coding (LPC) dan Eucidean Squared Distance. Bagian II dari akaah ini akan eneaskan ebih detai tentang siste pengenaan kata yang teah dirancang dengan enggunakan LPC-Eucidean Squared Distance. Pada bagian III akaah ini akan dieaskan tentang pengipeentasian syste pengenaan kata yang teah dirancang pada ikrokontroer AT89C51RC. Bagian IV akaah ini akan eaparkan hasi penguian yang teah diakukan dan akaah ini akan ditutup dengan peaparan kesipuan yang teah didapatkan dan diskusi. II. PENGENALAN KATA DENGAN LPC-EUCLIDEAN SQUARED DISTANCE Secara uu, siste pengenaan kata yang teah dirancang terdiri atas 2 bagian utaa yaitu bagian training dan bagian pengenaan. Berikut gabar 1 enunukkan bok diagra dari bagian training daa siste pengenaan kata dengan LPC-Eucidean squared distance. Gabar 1. Bok Diagra Bagian Training dengan LPC-Eucidean Squared Distance Data training disaping secara angsung dari ikrofon. Keudian data tersebut diproses dengan enggunakan agorita LPC processor dan proses ini enghasikan koefisien LPC cepstra. Setiap sape suara akan enghasikan 1 set koefisien LPC cepstra diana

2 uah koefisiennya bergantung pada niai paraeterparaeter dari LPC processor yang digunakan. Koefisien LPC cepstra iniah yang akan diadikan ode referensi untuk proses pengenaan kata. Adapun agorita LPC processor eiputi angkahangkah berikut: 1. Preephasis Sinya suara yang teah diubah enadi digita, akan diewatkan eaui sebuah sebuah siste digita orde rendah. Siste digita yang digunakan daa tahap preephasis adaah syste digita dengan orde satu yang dinyatakan dengan persaaan berikut: ~. 1 H ( z) = 1 a z a (1) Sehingga output dari tahap preephasis ~ s ( n ), daa fungsi input s(n), adaah sebagai berikut: ~ s ( n) = s( n) as ~ ( n 1) (2) 2. Frae Bocking Pada tahap ini, output dari tahap preephasis dibok ke daa frae yang terdiri atas N sape data dan tiap frae dipisahkan dengan M sape data. Jika x (n) adaah frae yang ke dari sinya suara, dan L adaah uah tota frae yang ada, aka x ~ ( n) = s ( M + n) (3) diana n = 0,1,,N 1 = 0,1,,L 1 3. Windowing Seteah frae bocking, angkah berikutnya adaah eakukan proses window untuk setiap frae. Jika didefinisikan window yang digunakan sebagai w(n) aka output dari proses window adaah: 5. Anaisa LPC Langkah berikut adaah anaisa LPC yang engkonversi p+1 niai autokoreasi dari setiap frae sinya enadi paraeter LPC diana saah satu diantaranya adaah koefisien LPC. Proses konversi tersebut diakukan dengan enggunakan etode Durbin yang agoritanya adaah sebagai berikut: k r( i) α = 1 i = (0) E = r(0) (7) r( i ) E 1 i p (8) α i = ki (9) ( ) ( ) α = α k α 1 i-1 (10) i i 2 E = (1 ki ) E (11) Dengan enyeesaikan persaaan 7 sapai 11, koefisien LPC didapatkan sebagai berikut: a = α (12) ( p) 6. Konversi koefisien LPC enadi koefisien LPC cepstra Koefisien LPC cepstra adaah paraeter penting yang dapat diturunkan secara angsung dari koefisien LPC. Persaaan rekursi yang digunakan untuk engkonversi koefisien LPC enadi koefisien LPC cepstra adaah: 1 k c = a + ck a k k = 1 1 p (13) 1 k c = ck a k k = p > p (14) ~ x ( n) x ( n) w( n = ) (4) diana 0 n N 1 Mode window yang digunakan adaah Haing window yaitu: w( n) = cos 2 π n N 1 (5) 4. Anaisa autokoreasi Langkah berikutnya adaah enghitung autokoreasi setiap frae sinya dengan enggunakan persaaan: N 1 ~ x n= 0 r ( ) = ( n) ~ x ( n + ) (6) Diana = 0, 1,,p dan p adaah orde dari anaisa LPC. Gabar 2. Bok Diagra Bagian Pengenaan Kata

3 Gabar 2 enunukkan bok diagra bagian pengenaan kata dengan LPC-Eucidean squared distance. Pertaa-taa, sinya suara yang tidak diketahui akan diproses saa seperti saat training yaitu dengan enggunakan agorita LPC processor untuk enghasikan koefisien LPC cepstra dari sinya suara yang tidak diketahui. Keudian, diakukan perhitungan Eucidean squared distance antara koefisien LPC cepstra dari sinya suara yang tidak diketahui dengan koefisien LPC cepstra dari asing-asing ode referensi. Mode referensi yang epunyai arak iniu adaah kandidat dari kata yang dikena. Sebuah niai Eucidean squared distance digunakan sebagai niai iit daa enentukan keputusan terakhir. Bia arak iniu dari kandidat tadi ebih keci atau saa dengan niai iit Eucidean distance aka sinya suara yang tidak diketahui akan dikena sebagai ode referensi yang epunyai arak iniu tadi. Sebaiknya, bia arak iniu dari kandidat tadi ebih besar dari niai iit Eucidean squared distance aka sinya suara yang tidak diketahui akan dianggap sebagai kata yang tidak dikena. Perhitungan niai Eucidean squared distance diakukan dengan enggunakan persaaan berikut: sinya suara enadi sinya yang hanya engandung tegangan positif saa. Gabar 4 enunukkan gabar rangkaian dari high pass fiter dan apifier. Mikrofon Fiter dan Apifier Anaog To Digita Converter Siste Miniu AT89C51RC Dispay Gabar 3. Bok Diagra Perangkat Keras ESD = n 2 ( p i q i ) (15) i= 1 diana p dan q adaah koefisien LPC cepstra dari sinya suara tidak diketahui dan koefisien LPC cepstra yang ada pada ode referensi. III. IMPLEMENTASI PADA MIKROKONTROLER Siste pengenaan kata yang teah didesain, teah diipeentasikan pada ikrokontroer keuarga MCS51. Mikrokontroer yang digunakan adaah ikrokontroer AT89C51RC. Sebuah siste iniu AT89C51RC teah dirancang untuk engipeentasikan siste pengenaan kata yang teah dieaskan sebeunya. Siste iniu ini terdiri atas singe chip AT89C51RC dan 256 kbyte RAM eksterna. Secara engkap, gabar 3 enunukkan bok diagra dari perangkat keras yang teah didesain untuk engipeentasikan siste pengenaan kata pada ikrokontroer AT89C51RC. Sinya suara diinputkan eaui sebuah ikrofon. Sinya output dari ikrofon, keudian akan diewatkan pada sebuah rangkaian high pass fiter dan apifier untuk enahan sinya-sinya yang epunyai frekuensi rendah dan uga sekaigus enguatkan sinya tersebut. Frekuensi cuttoff dari rangkaian high pass fiter adaah 20 Hz. Karena itu hanya sinya-sinya yang epunyai frekuensi diatas 20 Hz yang akan diewatkan. Sedangkan rangkaian apifier dirancang dengan penguatan 50 kai untuk enguatkan sinya output dari ikrofon dengan ebar range tegangan sekitar 50V enadi ebar range tegangan 2,5V. sebuah rangkaian differentia apifier digunakan untuk enggeser Gabar 4. Rangkaian High Pass Fiter dan Apifier Output dari rangkaian apifier yang erepresentasikan sinya suara, enadi input dari rangkaian Anaog to Digita Converter (ADC) untuk diubah dari sinya anaog enadi sinya digita sehingga dapat dibaca oeh ikrokontroer. Karena sinya suara disaping dengan frekuensi 8 khz aka ADC yang digunakan harus apu engkonversi sinya ebih cepat dari 125 ikrodetik. Karena itu dipiih ADC0820 yang epunyai waktu konversi sapai 1,5 ikrodetik. Berikut gabar 5 enunukkan gabar rangkaian siste iniu AT89C51RC yang diengkapi dengan ADC dan RAM eksterna sebesar 256 kbyte.

4 Output Dispay Gabar 5. Rangkaian Siste Miniu AT89C51RC, RAM eksterna dan ADC Daa engipeentasikan siste pengenaan kata pada ikrokontroer dengan siste iniu yang teah dirancang, ada beberapa batasan yang diterapkan. Seua batasan diterapkan karena adanya keterbatasan daa uah eori yang tersedia daa perangkat keras yang teah dirancang. Batasan-batasan tersebut adaah: 1. Panang durasi aksiu dari sinya suara adaah 0,5 detik. 2. Setiap sinya suara hanya engandung inforasi 1 kata. 3. Saping rate yang digunakan adaah 8 khz. 4. Juah ode referensi aksiu yang dapat disipan di daa eori adaah 38 ode referensi. 5. Orde aksiu dari LPC adaah 16 dan diensi aksiu dari LPC adaah Juah data aksiu per frae daa proses frae bocking adaah 255 dan arak antara dua frae yang berdekatan adaah antara 80 sapai 255. Fowchart dari progra yang teah dibuat untuk siste pengenaan kata dengan LPC-Eucidean squared distance dapat diihat pada gabar 6. Ada 2 bagian utaa dari fowchart tersebut yaitu bagian training dan bagian pengenaan kata. Progra dituiis dengan enggunakan bahasa asseby dari ikrokontroer MCS51. IV. HASIL PENGUJIAN Gabar 6. Fowchart Progra Pengenaan Kata dengan LPC- Eucidean Squared Distance Beberapa penguian teah diakukan untuk engui siste yang teah dirancang. Secara uu, ada 2 siste pengenaan kata yang diui. Pertaa adaah siste pengenaan kata yang tidak enerapkan iit niai Eucidean distance. Pada siste ini, setiap sinya suara yang asuk pasti akan dikenai sebagai saah satu kata yang ada didaa database ode referensi. Kedua adaah siste yang enerapkan iit niai Eucidean distance. Pada siste ini, sinya suara yang asuk dapat dikenai sebagai saah satu kata yang ada daa database ode referensi atau dianggap tidak ada di daa database dan dikatakan sebagai kata yang tidak dikena. Ada 7 kata yang akan dikenai daa penguian yang diakukan. 7 kata tersebut adaah STOP, FORWARD, BACKWARD, LEFT, RIGHT, UP dan DOWN. Peiihan kata-kata ini untuk penguian siste karena siste ini nantinya akan dikebangkan untuk engontro gerakan robot seperti seenis robot obi. Penguian siste diakukan dengan enggunakan suber suara yang teah direka ebih duu. Rekaan suara tersebut diputar kebai saat penguian diakukan. Setiap kata epunyai 10 sape suara sehingga secara keseuruhan terdapat 70 sape suara. Penguian diakukan dengan variasi uah sape suara yang ditraining, uai dari 1 sape suara hingga 5 sape suara. Penguian uga diakukan dengan enggunakan kata-kata yang tidak ada daa database ode referensi. Kata-kata yang digunakan

5 daa penguian ini adaah ONE, TWO, THREE, FOUR, FIVE, SIX, SEVEN, EIGHT, NINE, TEN. Berikut pada tabe 1 dan tabe 2 enunukkan rangkuan hasi penguian yang teah diakukan. Tabe 1. Hasi Penguian Siste tanpa Menerapkan Liit Niai Eucidean Distance Tingkat Pengenaan (%) Kata 1 Sape training 3 Sape training 5 Sape Training Perc. I Perc. II Perc. I Perc. II Perc. I Perc. II Stop Forward Backward Left Right Up Down Ratarata 68,57 54,29 65,71 72, ,43 Tabe 2. Hasi Penguian Siste dengan Menerapkan Liit Niai Eucidean Distance Tingkat Pengenaan (%) Kata 1 Sape training 3 Sape training 5 Sape Training Perc. I Perc. II Perc. I Perc. II Perc. I Perc. II Stop Forward Backward Left Right Up Down Kata ain Ratarata 48,75 43,75 73, ,5 72,5 V. KESIMPULAN Ipeentasi siste pengenaan kata pada ikrokontroer teah berhasi diakukan. Dari hasi penguian yang teah diakukan, dapat diabi kesipuan bahwa tingkat keberhasian pengenaan kata tertinggi yang dapat dicapai oeh siste yang teah dirancang adaah 75%. Penggunaan sebuah niai iit untuk engena kata-kata yang tidak ada di database ode referensi, tidak dapat diterapkan karena tidak eberikan peningkatan yang berarti pada tingkat pengenaan, bahkan cenderung enurunkan tingkat pengenaan. REFERENSI [1] Lawrence Rabiner dan Biing-Hwang Juang, Fundaentas of Speech Recognition. Prentice Ha, New Jersey, [2] Y.M. La, M.W. Mak dan P.H.W.Leong, Fixed point ipeentations of Speech Recognition Systes, Proceedings of the Internationa Signa Processing Conference, Daas, [3] ATMEL Corporation, AT89C51RC Data Sheet, ATMEL Corporation, San Jose, [4] Wikipedia, The free encycopedia, Eucidean Distance, 2006, Eucidean _distance. [5] Iproved Outcoes Software, Eucidean and Eucidean Squared Distance ering/custering_paraeters/eucidean_and_eucidean_squa red_distance_metrics.ht [6] Ethnicity Group, Cepstru Method, 1998, epstru/cepstru.ht Dari hasi penguian yang ditunukkan daa tabe 1 dan 2, terihat bahwa tingkat pengenaan tertinggi yang dapat dicapai adaah 75%. Ini dicapai saat siste diatih dengan 3 sape suara. Seakin banyak uah sape suara yang diatih, seakin tinggi tingkat pengenaan yang dicapai. Tetapi, peningkatan tingkat keberhasian pengenaan dari siste yang diatih dengan 3 sape suara ke siste yang diatih dengan 5 sape suara, tidak begitu berarti, bahkan untuk hasi di tabe 2, niainya cenderung enurun sedikit. Dari tabe 2 dapat disipukan bahwa siste yang dirancang untuk engena kata-kata yang tidak ada daa database ode referensi yaitu dengan enerapkan iit niai Eucidean distance, tidak eningkatkan tingkat keberhasian pengenaan kata.bahkan daa beberapa penguian, tingkat pengenaannya cenderung enurun. Sehingga dapat dikatakan bahwa penggunaan iit niai Eucidean Distance untuk engena kata-kata yang tidak ada di daa database ode referensi, tidak eberikan peningkatan pada tingkat keberhasian pengenaan kata.