Aplikasi CANLinkDriver Pada CT Library Untuk Mengatur Kecepatan Motor DC

Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT2004) Auditorium Universitas Gunadarma, Jakarta, 24 – 25 Agustus 2004

Aplikasi CANLinkDriver Pada CT Library Untuk Mengatur Kecepatan Motor DC Hany Ferdinando Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra Jl. Siwalankerto 121-131 Surabaya - 60236 Abstrak Pustaka Communication Threads (CT Library), yang dikembangkan oleh Control Engineering group dari University of Twente, mengeksplorasi pemisahan bagian program yang tidak tergantung hardware dan yang tergantung hardware (hardware independent and hardware dependent parts). Hal ini akan membuat migrasi sebuah program dari sistem yang satu ke sistem yang lain, sebab programmer tinggal mengubah bagian yang merupakan hardware-specific. Bagian yang hardware dependent ini dinamakan link driver dalam CT Library. Link driver ini berkaitan dengan peripheral yang terdapat dalam sebuah minimum sistem. Setiap peripheral akan memiliki link driver masing-masing. Makalah ini akan membahas link driver untuk Control Area Network (CAN) yang diaplikasikan untuk mengatur kecepatan motor DC. Dalam sistem ini akan dipergunakan dua minimum sistem ADSP-21992 yang terhubung satu sama lain lewat CAN bus. Board pertama akan membaca selisih antara setting point (SP) dan present value (PV) dan dikirim ke board kedua lewat CAN. Board kedua akan melakukan fungsi pengendalian. Performance system dilihat dari maximum sampling frequency yang dapat dipergunakan sistem. Dari percobaan didapat bahwa CAN dengan CANLinkDriver, dapat dipergunakan untuk aplikasi sistem terdistribusi. Salah satu kekurangan yang dapat ditingkatkan adalah kecepatan pengiriman data yang dipakai hanya 100 kbps, sedang CAN mampu mengirimkan dengan 1 Mbps. Kata Kunci : CANLinkDriver, CT Library, CAN

1.

Pendahuluan

Dalam sebuah sistem terdistribusi, tiap node terhubung satu sama lain membentuk suatu jaringan. Hubungan ini dapat dilakukan melalui suatu fieldbus yang sudah banyak dipakai di industri saat ini. Contoh fieldbus yang banyak dipakai di industri saat ini adalah Control Area Network (CAN), Inter Integrated Circuit (I2C), Profibus, dll. Dengan demikian, setiap node dapat berkomunikasi satu sama lain berupa data maupun perintah pengendalian. Sistem-sistem yang sudah dibuat dan berjalan dengan baik pada satu jenis fieldbus, terkadang ingin diaplikasikan pada sistem dengan fieldbus yang berbeda. Perpindahan dari satu fieldbus ke fieldbus yang lain biasanya akan mempengaruhi program secara keseluruhan. Padahal, sistem utama yang ingin diaplikasikan tidak berubah. Hal ini karena tidak terjadi pemisahan antara bagian yang hardwareindependent dan hardware-dependent dalam program yang dibuat. Jika ada pemisahan ini, maka hal di atas tidak akan terjadi. Konsep pemisahan ini diajukan oleh Hilderink [1], yang membuat suatu pustaka Communication Threads (the CT Library) berdasarkan konsep Communicating Sequential Process (CSP). Dalam konsep ini, Hilderink memaparkan link driver sebagai hardware-dependent yang bergerak di level hardware untuk peripheral. Untuk setiap peripheral, akan memiliki link driver masing-masing. Sehingga untuk ADC akan ada ADCLinkDriver, untuk RS232 akan ada RS232LinkDriver, dst. Makalah ini akan membahas penggunaan CANLinkDriver, link driver untuk Control Area Network (CAN) yang diaplikasikan untuk mengatur kecepatan motor DC. Pada sistem kendali, biasanya


pembacaan setting point (SP) dan present value (PV) serta perhitungan sinyal kendali dilakukan dalam satu tempat, dalam aplikasi ini hal tersebut dipisahkan. Untuk melihat performance sistem, dipergunakan maximum sampling frequency dari sistem kendali ini. Sebagai microcontroller, dipergunakan ADSP21992, fixed-point DSP dari Analog Devices, Inc. Dalam makalah ini akan dijelaskan beberapa konsep dasar tentang link driver sebagai bagian utama dari sistem ini. CANLinkDriver, yang diturunkan sebagai link driver yang dibuat sesuai kebutuhan juga dijelaskan. Perancangan perangkat keras dan lunak merupakan bagian selanjutnya yang perlu dijelaskan untuk melengkapi makalah ini. Hasil percobaan yang dicantumkan di bagian akhir, serta diskusi akan menutup makalah ini. Makalah ini juga merekomendasikan hal yang penting sehubungan dengan penggunaan CANLinkDriver pada sistem terdistribusi dan jenis plant yang sebaiknya digunakan dalam sistem ini.

2.

Link Driver

Link driver merupakan salah satu bagian yang menarik dalam CT Library yang dikembangkan oleh Control Engineering group, University of Twente, Belanda. Library ini dibuat karena implementasi occam programming dalam transputer sudah tidak dapat dilakukan dengan bebas setelah transputer tidak lagi diproduksi [2]. CT Library sendiri dikembangkan dari konsep CSP programming, dimana bagian program yang dijalankan dianggap sebagai sebuah proses. Proses-proses ini terhubung satu sama lain untuk berkomunikasi melalui kanal (channel). Dalam kanal, dipergunakan link driver yang akan menjadi media sesungguhnya dalam proses komunikasi antar proses. Sehingga proses tidak pernah peduli dengan media apa data dikirimkan atau diterima. Link driver dalam kanal ini dapat berupa memory, peripheral device, maupun fieldbus. Karena proses yang berkomunikasi tidak peduli dengan media yang dipergunakan kanal, maka proses-proses ini dimasukkan sebagai bagian program yang hardware independent. Sehingga keberadaan link driver ini merupakan sebuah driver yang plug and play. Artinya, link driver dapat langsung dipergunakan oleh kanal tanpa mempedulikan proses yang menggunakan kanal tersebut. Gambar 1 [1] menunjukkan bagaiman posisi link driver dan kanal serta dua proses yang berkomunikasi melalui kanal tersebut.

Gambar 1. Link driver, kanal dan proses


3.

ADSP-21992

ADSP-21992 adalah 16-bit fixed-point DSP yang dikembangkan oleh Analog Devices Inc. Dalam chip ini sudah terdapat berbagai macam peripheral yang bermanfaat baik untuk aplikasi pengolahan sinyal maupun aplikasi umum sebuah microcontroler. Peripheral yang terdapat di dalam chip ini adalah ADC, DAC, PWM, Timer, Encoder interface, CAN controller [4]. Pemrograman ADSP-21992 dilakukan dalam VisualDSP++ yang menggunakan working environment yang sama dengan Visual C++. Pengguna dapat memilih menggunakan C atau C++ untuk melakukan pemrogramannya. Hal ini tergantung dari license yang dimiliki.

4.

CANLinkDriver

Membuat link driver untuk CAN memerlukan informasi tentang bagaimana CAN melakukan proses komunikasi. Selain itu, diperlukan juga bagaimana implementasi proses komunikasi itu pada microcontroller yang dipergunakan. Hal ini berkaitan dengan register-register dan memori yang dipergunakan oleh CAN modul dalam microcontroller yang dipergunakan. Sehingga link driver untuk CAN bersifat sangat spesifik, karena terkait langsung dengan microcontroller yang dipilih. Pada pemrogramannya, dipakai bahasa C dan menggunakan object-oriented programming (OOP). Karena C tidak men-suport OOP, maka Hilderink meniru proses yang terjadi dalam OOP ini untuk C [3]. Karena itu semua link driver akan dibuat dalam bentuk class. Class ini diturunkan dari LinkDriver class (abstract class) yang terdapat dalam paket CT Library untuk C (CTC). Dalam tiap class yang diturunkan dari LinkDriver, harus terdapat metode read dan write yang akan berfungsi untuk proses input dan output pada kanal. Metode-metode yang lain, hanya memberikan output (return) TRUE. Sebelum CANLinkDriver ini dipergunakan, harus dilakukan inisialisasi terlebih dahulu. Dalam inisialisasi ini CAN akan diset pada kecepatan pengiriman data yang diinginkan. Untuk melakukan hal ini dilakukan perhitungan seperti yang terdapat dalam [5,6]. Parameter-parameter yang didapat dari perhitungan, hanya merupakan kandidat yang harus dicoba dalam sistem sesungguhnya. Sebab keberhasilannya ditentukan juga oleh resistansi dan kapasitansi kabel yang dipergunakan. Kecepatan transfer data maksimum untuk CAN bus adalah 1 Mbps. Tetapi untuk percobaan ini dipakai paling tinggi 100 kbps karena ADSP-21992 EZ-KIT LITE yang dipergunakan secara default menggunakan clock 16MHz, bukan 160MHz. Penggunaan clock sampai 160MHz dimungkinkan dengan menggunakan frequency multiplier. Tetapi untuk hal ini diperlukan pencarian kombinasi parameter yang dapat bekerja dalam sistem yang sudah dibuat.

5.

Perangkat Keras dan Plant

Perangkat yang dipergunakan berupa dua board ADSP-21992 EZ-KIT LITE yang terhubung melalui CAN bus. Untuk CAN bus, dipergunakan twisted cable. Hal ini karena CAN bus adalah differential bus yang tidak dipengaruhi oleh interferensi dari luar. Sehingga shielded cable tidak diperlukan lagi. Pada CAN bus terdapat dua terminal, yaitu data H dan L. Cara menghubungkannya adalah data H dengan data H, dan data L dengan data L. ADSP-21992 EZ-KIT LITE terhubung ke PC (sebagai downloader dan debugger) via USB. Pada PC dilengkapi dengan VisualDSP++. Secara keseluruhan, implementasi sistem tergambar pada gambar 2 [4]. ADSP (1) terhubung dengan sinyal referensi atau setting point (SP) dan present value (PV). Error yang dihitung dari selisih SP dan PV akan dikirimkan ke ADSP (2) via CAN bus. ADSP (2) menghitung sinyal kendali yang harus diberikan kepada motor DC dengan menggunakan algoritma PID dan mengirimkannya ke motor DC lewat rangkaian PWM. Karena dalam sistem terdapat satu kali pengiriman data dalam satu sampling, maka konfigurasi ini dinamakan one-way configuration.


Sebagai sensor kecepatan motor dipergunakan encoder dengan resolusi 500 pulse per revolution. Data ini akan diterima oleh ADSP (1) lewat Encoder Interface Unit (EIU) dan diolah menjadi kecepatan motor DC (PV). Data arah putarnya tidak diperlukan karena motor diaplikasikan bukan untuk pengaturan posisi.

ADSP-21992 EZ-KIT LITE (1)

CAN bus

ADSP-21992 EZ-KIT LITE (2)

PWM

Encoder

Ref. signal

Gambar 2. Diagram blok sistem yang diimplementasikan Sebagai sinyal referensi, dipergunakan potensiometer yang terhubung dengan sumber tegangan. Tegangan keluaran dari potensiometer ini dibaca oleh internal ADC (12-bit) dan diubah menjadi SP untuk motor DC. ADSP (2) yang membaca error antara SP dan PV langsung menggunakan nilai ini untuk melakukan perhitungan. Hasil perhitungan dikirimkan ke motor DC melalui PWM unit yang terdapat pada ADSP-21992. 6.

Perangkat Lunak

Board 1

ADC

EIU

CAN write data and wait for ack

ADC

k

EIU

CAN write

k+1

Board 2

CAN read data and send ack

PID k

k-1

k

CAN read

Gambar 3. Timing diagram sistem Pada implementasi software, dipergunakan timing diagram seperti pada gambar 3 [4]. ADSP (1) membaca SP melalui ADC dan PV melalui EIU. Setelah SP dan PV dibaca, sistem akan mengirimkan sinyal kendali (hasil perhitungan sampling sebelumnya) ke plant. Karena pengiriman sinyal kendali ini dilakukan oleh node yang berbeda, perlu ada sinkronisasi, sehingga ADSP (1) mengirimkan pulsa (blok abu-abu pada gambar 4) ke ADSP (2). ADSP (2) mengirimkan sinyal kendali ke plant segera setelah menerima sinkronisasi ini. ADSP (1) kemudian segera mengirimkan data ke ADSP (2) lewat CAN bus lalu menunggu acknowledge dari ADSP (2). ADSP (2) setelah membaca data, langsung menggunakan


data ini untuk menghitung sinyal kendalinya. Hasil perhitungan ini akan dikirim ke plant pada sampling berikutnya. Ini adalah satu sampling time yang dilakukan dalam sistem ini. Dengan menggunakan konsep ini, akan dijamin bahwa sinyal kendali diberikan dalam interval yang sama. Jika pengiriman sinyal ini dilakukan segera setelah perhitungan selesai, intervalnya mungkin tidak sama karena berbagai macam proses yang terjadi selama perhitungan tersebut. Metode read dan write yang dibuat untuk CANLinkDriver akan menjadi bagian penting dalam penelitian ini. Detil listing program dapat dilihat di [7]. CANLinkDriver ini kemudian dimasukkan dalam kanal yang dipakai untuk menghubungkan proses-proses yang berinteraksi dalam sistem. Ada dua proses aktif yang berinteraksi dalam sistem ini, yaitu PID1 dan PID2. Proses PID1 dijalankan pada ADSP (1), sedang yang lain di ADSP (2). Keduanya dikomposisikan sebagai proses yang berjalan paralel dan terhubung ke kanal yang menggunakan CANLinkDriver. Hal-hal yang dikerjakan oleh PID1 dan PID2 seperti yang sudah dijelaskan pada bagian perangkat keras di atas. 7.

Hasil Percobaan

Percobaan dilakukan dengan berbagai macam kombinasi kecepatan transfer data. Secara visual, kecepatan dapat dikendalikan dengan memutar potensiometer yang terhubung pada ADSP (1), padahal PWM unit diambilkan dari ADSP (2). Motor DC dapat berputar mengikuti setting point yang diinginkan. Hasil ini masih belum dapat menunjukkan kinerja CANLinkDriver dalam sistem ini. Sebab sistem juga harus bekerja dalam sampling time tertentu. Oleh karena itu diperlukan suatu pengujian sistem ini berdasarkan frekuensi sampling yang tertinggi. Hal ini untuk memberikan rekomendasi penggunaan CANLinkDriver pada plant-plant tertentu. Tabel 1. Waktu rata-rata yang diperlukan untuk menuliskan data pada kanal dengan CANLinkDriver (tidak ada traffic data yang lain) CAN speed (kbps) 8.00 12.50 25.00 50.00 80.00 100.00

Time consumed (ms) 20,4413 13.0220 6.5775 3.3906 2.1974 1.7986

Frekuensi sampling sistem ditentukan oleh perilaku dinamik (dynamic behavior) plant. Sehingga pengendali dapat mengendalikan plant dengan baik. Tidak mungkin plant dengan karakteristik lambat, seperti pengendalian suhu, dikendalikan dengan frekuensi sampling yang tinggi. Karena motor DC merupakan plant yang memiliki respon cepat, maka hal ini yang akan menentukan frekuensi sampling sistem. Dalam percobaan ini, memang tidak dilakukan pengukuran secara lengkap untuk mendapatkan frekuensi sampling plant sehingga diasumsikan nilainya berkisar 1 kHz (1 ms). Permasalahan timbul karena respon dari jaringan yang dipergunakan lebih rendah dari itu. Kecepatan pengiriman data dengan 100 kbps memerlukan waktu hampir 2 ms [4]. Nilai didapat dari satu node mengirim data sampai mendapatkan acknowledge-nya, karena sistem komunikasinya menggunakan sinkronisasi. Tabel 1 [4] menunjukkan hasil pengukuran secara lengkap. Itu pun dengan syarat tidak ada pengiriman data yang lain. Pada sistem yang sesungguhnya dengan banyak node, nilai ini akan lebih besar. Dengan data-data ini, maka penggunaan perilaku dinamik plant untuk menentukan frekuensi sampling sistem tidak dapat dilakukan. Sehingga perlu dicari alternatif untuk menentukan besarnya frekuensi sampling ini.


Table 2. Time dan frekuensi sampling pada konfigurasi one-way CAN Speed (kbps) 8.00 12.50 25.00 50.00 80.00 100.00

Sampling time (ms) 20,9163 13,4970 7,0525 3,8656 2,6724 2,2736

Sampling frequency (Hz) 47,8097 74,0905 141,7937 258,6904 374,1990 439,8263

Oleh karena itu, perhitungan frekuensi sampling maksimum dilakukan menggunakan nilai pada tabel 1. Nilai-nilai pada tabel 1 merupakan nilai rata-rata yang dengan selisih maksimum dan minimum 2000 tik (0,25 ms). Semua interrupt berjalan berdasarkan sampling time ini, kecuali untuk pembacaan encoder (tiap 1 ms sistem membaca data counter pada encoder). Namun nilai 0,25 ini tidak dapat ditambahkan langsung pada nilai di tabel 1 karena terlalu riskan. Oleh karena itu diberi safety margin 30% untuk toleransi. Sehingga untuk setiap nilai pada tabel 1 akan ditambah 0.325 ms. Hasil penjumlahannya dicantumkan pada tabel 2 [4]. Grafik tabel 1 dapat dilihat pada gambar 4 [4].

Sampling Frequency vs CAN speed for one-way configuration 450

439,8263

Sampling frequency (Hz)

400 374,1990 350 300 258,6904

250 200 150

141,7937

100 74,0905 47,8097

50 0 0

20

40

60

80

100

CAN speed (kbps)

Gambar 4. Grafik dari tabel 2 8.

Diskusi

Dari gambar 4, dapat dilihat bahwa hubungan antara frekuensi sampling dengan kecepatan transfer data pada CAN tidak linier. Kecenderungan yang terlihat adalah grafiknya mendekati fungsi eksponensial. Makin ke tinggi kecepatan transfer datanya, kenaikan frekuensi samplingnya makin kecil. Jika dilihat pada segmen yang terbatas, maka grafik ini dapat dikatakan linier. Sehingga besarnya frekuensi sampling pada range tertentu dapat diperkirakan.


Kinerja CAN bus dalam CT Library untuk kecepatan tertinggi 100 kbps kurang memuaskan karena dalam penentuan frekuensi samplingnya tidak bisa menggunakan perilaku dinamik plant. Tetapi hal ini dapat diperbaiki dengan menggunakan kecepatan transfer data yang lebih tinggi lagi, sebab batas tertingginya adalah 1 Mbps. Untuk menggunakan kecepatan 1Mbps ini, ADSP-21992 EZ-KIT LITE harus diprogram secara khusus sehingga clock yang dipakai bukan lagi 16 MHz, melainkan 160 MHz. Caranya dengan menggunakan frekuensi multiplier secara assembly, hal ini sesuai dengan informasi diberikan oleh Analog Devices, Inc. Tetapi dengan 160 MHz, semua parameter untuk CAN bus harus dihitung ulang. Kandidat parameter ini harus dicoba lagi untuk melihat apakah parameter-parameter tersebut dapat berjalan di jaringan yang sudah ada. Percobaan ini merekomendasikan penggunaan CANLinkDrive pada sistem terdistribusi untuk plant dengan perilaku dinamik yang rendah, dengan time sampling di atas 3 ms. Hal ini dikarenakan CAN bus lebih diaplikasikan untuk transfer data, bukan untuk pengendalian. Apabila CAN bus sudah dikembangkan dengan kecepatan yang makin tinggi, percobaan yang sama dapat dilakukan lagi. Secara keseluruhan, CAN bus dengan CANLinkDriver dapat dipergunakan dengan baik dalam sistem terdistribusi dengan plant sederhana. Pengembangan dapat dilakukan dengan menggunakan kecepatan transfer data yang lebih tinggi lagi. Selain itu percobaan dengan menggunakan banyak node juga sangat menarik, sebab percobaan yang sudah dilakukan saat ini hanya menggunakan dua node. Plant yang dipilih juga dapat divariasi mulai dari plant dengan respon yang lambat sampai dengan yang paling cepat. 9.

Daftar Pustaka

[1] Hilderink, G.H., A.W. Bakker and J. F. Broenink, “A Distributed Real-time Java Based on CSP”, Proc. The Third IEEE International Symposium on Object-Oriented Real-Time Distributed Computing ISORC 2000, March 15-17, 2000, Newport Beach, California, 2000. [2] Welch, P. H., “Java Threads in the Light of occam/CSP,” presented at Architecture, Language and Patterns for Parallel and Distributed Applications, WoTUG-21, Amsterdam, 1998 [3] Hilderink, G.H. Communicating Thread for C - A White Paper [4] Ferdinando, H., Testing CAN for Robotic Control, Electrical Engineering, University of Twente, Enschede, 004CE2004, 2004 [5] _______. CAN Specification 2.0, Robert Bosch GmBH, 2002 [6] _______. Kvaser. “Control Area Network” [www.kvaser.com] [7] Ferdinando, H., The Implementation of Link Driver of the CT Library on the ADSP-21992, Proc of Seminar Nasional Informatika 2004 (SNI2004), Universitas Ahmad Dahlan, Jogjakarta, 2004

Aplikasi CANLinkDriver Pada CT Library Untuk Mengatur Kecepatan Motor DC

Recommend Documents