MAKALAH ILMIAH
SISTEM AKUISISI DATA DIGITAL dan ANALOG sebagai SARANA PENDUKUNG KEGIATAN PRAKTIKUM Oleh : Ir. Rida Hudaya, DUTech, DEA NIP. 196406031998021001 Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro
POLBAN JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2013 Hal | i
ABSTRAK Sistem akuisisi pada data digital dan analog telah diujikan untuk mendukung kegiatan praktikum di Laboratorium. Sistem ini berfungsi untuk mencatat data hasil praktikum yang akan dihubungkan ke Komputer Pemantau. Data hasil praktikum dicatat di Komputer Pemantau untuk lebih lanjut. diolah Penggunaan sistem ini akan menghemat peralatan ukur pada kegiatan praktikum. Peralatan ukur utama respon sinyal yang paling sering digunakan pada pengukuran sistem adalah XY recorder. Alat ukur ini akan digantikan dengan sistem akusisi data yang akan kendali dipelajari pada kegiatan penelitian ini. Objek yang diukur akan dihubungkan dengan menggunakan RS485 melalui sistem multidrop ke Komputer Pemantau.
POLBAN
Hal | i
KATA PENGANTAR Pengalaman dan pengetahuan baru yang dapat ditemukan dalam setiap kegiatan penelitian merupakan hal sewajarnya kita peroleh. Demikian juga dalam kesempatan penelitian ini, saat dimana kondisi pendanaan fasilitas laboratorium sulit diperoleh, maka dalam kondisi ini, pertimbangan ekonomi menjadi sangat dominan. Sehingga beberapa spesifikasi teknis seperti yang menuntut unjuk kerja sangat tinggi dipertimbangkan untuk dapat bekerja pada kondisi minimum. Pemikiran-pemikiran tersebut diatas merupakan bagian yang tidak dapat dipisahkan dari suatu kegiatan penelitian pengembangan produk. Namun akan sangat terasa dan apabila dilakukan saat tidak terdapatnya fasilitas kegiatan praktikum yang memadai. penting Ucapan terimakasih disampaikan pada seluruh pihak yang telah memberi kesempatan, memberi dana, membantu penerapan di lapangan, memberi kritik hasil kerja dan mendorong secara moril kegiatan ini. Aamiin, kepada Tuhan kita berserah.
POLBAN
Hal | ii
DAFTAR ISI
ABSTRAK ........................................................................................................................ KATA PENGANTAR ................................................................................................ DAFTAR ISI ................................................................................................................... DAFTAR GAMBAR ....................................................................................................... DAFTAR TABEL ............................................................................................................ I. PENDAHULUAN ........................................................................................................ LATAR BELAKANG ................................................................................................ PENJELASAN JUDUL ................................................................................................ II. TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................................... III. TUJUAN dan MANFAAT .........................................................................................
POLBAN
TUJUAN PENELITIAN ................................................................................................ MANFAAT ................................................................................................................... IV. METODE PENELITIAN............................................................................................ V. HASIL dan PEMBAHASAN ...................................................................................... VI. KESIMPULAN dan SARAN ................................................................................... KESIMPULAN ........................................................................................................... SARAN ....................................................................................................................... DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................................
Hal | iii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Tata letak meja praktikum .............................................................................6 Gambar 2. Jaringan antar Modul Akuisisi dan Komputer Pemantau .................................7 Gambar 3. Diagram fungsional Modul Akuisisi. ..............................................................9
POLBAN
Hal | iv
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Spesifikasi Modul Akuisisi.............................................................................. 11
POLBAN
Hal | v
I. PENDAHULUAN LATAR BELAKANG Laboratorium Sistem Pengaturan dan Instrumentasi Program Studi Teknik Elektronika Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung saat ini memiliki satu buah XY-Recorder yang digunakan untuk beberapa kelas praktikum setiap minggunya. Satu kali praktikum rata-rata terdiri dari 5 (lima) kelompok. Sehingga pemakaiannya harus dilaksanakan secara bergantian. Hal ini sangat mengganggu kelancaran kegiatan praktikum. Selain itu, kondisi pena penulis beserta landasannya sudah tidak layak pakai. Mempertimbangkan kondisi tersebut diatas, maka perlu dicarikan solusi yang tepat untuk mencari peralatan pengganti yang mampu digunakan secara paralel oleh setiap kelompok praktikum dengan harga murah namun masih memenuhi spesifikasi teknis yang diperlukan kegiatan praktikum ini. dalam PENJELASAN JUDUL Penjelasan judul berikut bersifat khusus, artinya bahwa seluruh istilah yang dimaksudkan penjelasan ini berkaitan erat dengan kegiatan penelitian yang dilaksanakan. dalam
Sistem akuisisi data adalah suatu kesatuan komponen elektronik, mekanik dan
POLBAN
perangkat lunak pengolah mikro yang mampu menangkap data atau informasi hasil pengukuran yang kemudian diproses untuk ditampilkan sesuai dengan kebutuhan pengguna. Data digital adalah informasi berbentuk sinyal listrik yang menggambarkan kondisi logika biner. Satuan sinyal listrik ini dapat dinyatakan dalam bentuk satuan tegangan atau arus. Data analog adalah informasi berbentuk sinyal listrik yang menggambarkan perubahan besaran listrik yang sedang diukur. Satuan sinyal listrik ini dapat dinyatakan dalam bentuk satuan tegangan atau arus.
Hal | 1
Sarana kegiatan pendukung kegiatan praktikum adalah suatu sistem alat pencatat data yang mampu membantu kegiatan pengukuran di Laboratorium Sistem Pengaturan dan Instrumentasi. XY-Recorder adalah suatu alat yang mampu menghasilkan gambar kurva hubungan antara dua variabel masukan X dan Y.
POLBAN
Hal | 2
II. TINJAUAN PUSTAKA Beberapa konsep yang sangat mendasar tentang komponen yang membangun sistem akuisisi data termasuk pengkondisi sinyal telah banyak dibahas dalam berbagai tulisan diantaranya (Carr,1976), (Sheingold,1979), (Tedeschi,1979), (Webster,1978), (Dostal,1981), (Tompkins,1981), (Garret,1981). Pada saat proses transmisi data, proteksi terhadap berbagai noise dan arus bocor telah dibahas pada tulisan (Keithley,1984). (Morrison,1977) membahas perlindungan dan rancangan sistem grounding dan shielding serta penempatan power supply untuk sistem catu elektronik. (Berlin,1976) dan (Eggebrecht,1983) membahas beberapa aplikasi dan eksperimen interface pada sistem pengolah mikro. Pembahasan secara khusus ditulis (Wobschall,1979) yang membicarakan lebih rinci bidang instrumentasi. (Sheinghold,1977) dan (Olphenheim,1983) tulisannya menjelaskan aspek-aspek konversi sinyal. Secara lebih rinci bahasan ditulis oleh (Zuch,1979).
POLBAN
Hal | 3
III. TUJUAN dan MANFAAT TUJUAN PENELITIAN Tujuan utama peneltian adalah mencari solusi teknis mengenai rancangan dan pemilihan akuisisi data untuk membantu proses kegiatan praktikum. sistem MANFAAT Manfaat yang dapat diperoleh dari hasil penelitian ini adalah sebagai berikut : Perancangan sistem akuisisi data dibuat agar satu alat ukur terdapat pada setiap meja praktikum sehingga proses kegiatan praktikum akan menjadi semakin lancar. Perancangan sistem dibentuk dari komponen-komponen yang mudah diperoleh sehingga realisasi alat ini dapat dilakukan sendiri oleh staf pengajar maupun oleh mahasiswa sebagai bahan untuk Tugas Akhir. Perancangan sistem dibuat dengan mempertimbangkan faktor ekonomi secara mendalam untuk menghindari penerapan sistem yang terlalu mahal untuk mengurangi beban biaya pengadaan. Penerapan sistem perancangan dapat dimanfaatkan oleh industri dalam merealisasikan
sistem telemetri skala kecil.
POLBAN
Ditinjau dari pengembangan ilmu adalah untuk mempertajam analisa terhadap persoalan nyata dan harus segera ditangani dengan menggunakan dana terbatas dan alat terbatas.
Hal | 4
IV. METODE PENELITIAN Kegiatan penelitian ini merupakan tindak lanjut dari penelitian terdahulu. Penelitian terdahulu telah menghasilkan suatu rancangan sistem minimum mikrokontroler dan konvertor untuk akuisisi data analog dan digital multi-user. Penelitian ini merupakan kegiatan penelitian pengembangan produk dan subtitusi dan aplikasi di laboratorium yang direncanakan dimulai dengan pendataan ulang kebutuhan peralatan di laboratorium. Studi ini perlu dikaji ulang karena adanya beberapa perubahan pengadaan komponen dasar. Metoda yang digunakan selain melakukan survey langsung ke pasar komponen dan pemasok, juga sumber-sumber dari luar negeri. Sehingga dapat dipertimbangkan dalam pemilihan produk dan komponen. Seluruh pengujian dan realisasi dilaksanakan di Laboratorium Jurusan Teknik Elektro. Pada lampiran ditunjukan referensi dari produk Advantech Industrial and Laboratory Automation yang akan dimodifikasi atau dirancang ulang untuk memenuhi tujuan-tujuan aplikasi khusus.
Metoda pengujian dititikberatkan pada fungsional sistem, sehingga dapat dijadikan bahan
POLBAN
pertimbangan untuk penerapan sesungguhnya.
Hal | 5
V. HASIL dan PEMBAHASAN Tata letak meja praktikum di Laboratorium Sistem Pengaturan dan Instrumentasi dapat dijelaskan seperti pada Gambar1. Keterangan : #1 , #2 , #3 , #4 , #5 : Nomor meja praktikum MA#1, MA#2, MA#3, MA#4 MA#5, MA#6, MA#7, MA#8 KP PRN KONV
: : : :
Nomor Modul Akuisisi Data Komputer Pemantau Printer Konverter RS232/ RS 485
POLBAN Gambar 1. Tata letak meja praktikum
Melalui kajian dari acuan “Data Aquisition Modules Advanted, 1994” maka Modul Akuisisi berfungsi untuk mengambil data dari objek yang sedang diukur sedang komputer pemantau akan mengatur aliran data yang datang dari masing-masing Modul Akuisisi dengan cara memberikan waktu kepada masing-masing modul untuk mengirim data secara bergantian dan berurutan. Pengiriman data ini dilakukan secara seri dengan menggunakan standar komunikasi E1A RS-485.
Hal | 6
Ilustrasi jaringan antar Module Akuisisi dan Komputer Pemantau dijelaskan pada Gambar 2. Ref. Total Solution for PC-basd Industrial Automation, Advantech Vol 61. Gambar 2. Jaringan antar Modul Akuisisi dan Komputer Pemantau
Modul Akuisisi merupakan sebuah sistem berbasis mikrokontroller yang kompak dan interaktif yang dilengkapi pengkondisi sinyal, analog I/O, digital I/O dan standar komunikasi
POLBAN
RS-485. Selain itu dilengkapi juga dengan kemampuan pemrograman jangkah pengukuran masukan analog yang dapat dilakukan dari Komputer Pemantau.
Penentuan konfigurasi dan tindakan kalibrasi sepenuhnya dapat dilakukan melalui perangkat lunak yang telah tersedia sehingga tidak membutuhkan switch atau potensiometer. Konfigurasi ini dapat dilakukan melalui Komputer Pemantau meliputi alamat I/O, kecepatan transmisi, bi paritas, alarm HI dan LO serta parameter kalibrasi. Instruksi pada jaringan dan Modul Akuisisi menggunakan format ASCII sehingga dapat dengan mudah menggunakan berbagai bahasa pemrograman tingkat tinggi.
Hal | 7
Penggunaan jaringan RS-485 mempermudah koneksitas Modul Akuisisi serta memiliki kemampuan jarak komunikasi hingga 1200 m dengan menggunakan sistem multi-drop. Jaringan ini diakses melalui konektor standar RS-232 sehingga diperlukan Modul Konverter RS-232 ke RS-485. Untuk meghindari masalah ground-loop dan membatasi kerusakan akibat kejutan power maka setiap modul diisolasi secara optis. Kabel yang digunakan untuk merealisasikan transmisi data ini adalah 2 buah kabel jenis twisted-pair. Modul Akuisisi berfungsi membaca parameter listrik berupa tegangan atau arus. Modul ini dikendalikan oleh sebuah mikrokontroler yang terintegrasi dengan konverter analog ke Data yang dibaca dapat dinyatakan dalam salah satu bentuk berikut ini : digital. 1. Satuan engineering. 2. Format komplement dua hexadesimal. 3. Persentase dari full-scale range (FSR). Bentuk data tersebut dapat dipilih melalui perangkat lunak pada Komputer Pemantau yang kemudian akan dikirim melalui interfase RS-485. Modul Akuisisi ini dilengkapi dua keluaran digital dan satu masukan digital. Keluaran dibentuk dari transistor open-collector yang dapat dikendalikan dari Komputer Pemantau. Sedangkan masukan digital digunakan untuk memantau kondisi sinyal digital.
Penghitung kejadian terhubung pada masukan digital dan dapat digunakan sebagai
POLBAN
penghitung jumlah pulsa eksternal berkecepatan rendah. Jumlah hitungan maksimum adalah 65535. Bilangan 65535 tidak akan berubah jika jumlah hitungan melebihi bilangan ini. penghitung dapat dibaca atau dijadikan nol oleh Komputer Pemantau. Fungsi alarm High dan Low ditambahkan pada modul ini sebagai sinyal alarm dan nilainya ditentukan melalui Komputer Pemantau. Fungsi alarm ini dapat diaktifkan atau di non-aktifkan dari Komputer Pemantau. Apabila fungsi ini digunakan kedua keluaran digital digunakan untuk menunjukan kondisi alarm High atau Low. Keluaran digital kanal 1 (DO1) digunakan untuk kondisi alarm High dan keluaran digital kanal 0 (DO0) digunakan untuk kondisi alarm Low. Kondisi alarm High dan Low dapat dibaca setiap saat oleh Komputer Pemantau. Hal | 8
Setiap konversi A/D akan selalu diikuti oleh sebuah pembanding dengan batas High dan Low. Ketika nilai masukan melampaui satu dari batasan ini, alarm kondisi High atau Low akan aktif menjadi ON. Dua model alarm dapat dipilih yaitu model sesaat dan modul menetap. Jika alarm dipilih pada model menetap alarm akan tetap ON walau nilai sudah kembali ke jangkah jangkauannya. dapat dibuat OFF melalui instruksi Clear Alarm dari Komputer Pemantau. Untuk model Alarm alarm akan kembali OFF segera setelah nilai kembali ke jangkah jangkauannya. sesaat, Diagram fungsional dari Modul Akuisisi ini dapat dijelaskan melalui Gambar 3.
POLBAN Ref. Data Acquisition Modules, Advantech, 1994 Gambar 3. Diagram fungsional Modul Akuisisi. Data masukan analog diumpankan ke PGA (Programmable Gain Amplifier) yang penguatannya bervariasi dari 1 hingga 128. PGA secara otomatis memposisikan jangkahnya dari -2,5 V hingga + 2,5 V. Hal ini menjamin tegangan masukan dan resolusi optimal dari konverter analog ke digital.
Hal | 9
Konversi analog ke digital diatur oleh mikrokontroler yang didalamnya tersedia perangkat lunak kalibrasi. Dua jenis kalibrasi yang dilakukan saat akan bekerja atau di reset, yaitu kalibrasi Auto Zero dan kalibrasi Auto Span. Kalibrasi yang normal dilakukan oleh pemakai untuk mengatur dan menetapkan sinyal sesuai parameter kalibrasinya. Dilengkapi filter 10Hz dengan menggunakan fungsi D. digital Sebelum masuk ke mikrokontroler data melalui perangkat isolasi optis terlebih dahulu. optis ini untuk menghindari terjadinya ground-loop dan membatasi terjadinya kejutan Isolasi power. Sistem mikrokontroler memiliki 6 fungsi dasar, yaitu : 1. Linierisasi thermocouple. 2. Perangkat lunak komunikasi dan kumpulan instruksi. 3. Perangkat lunak kalibrasi. 4. Pemantau alarm. 5. Penghitung kejadian 6. Pengatur dan pengendali EEPROM sebagai tempat penyimpan parameter 7. Transformasi data Setelah data ditransformasikan ke format data yang dikehendaki kemudian disalurkan ke
keluaran RS-485.
POLBAN
Jika sebuah masukan melampaui nilai tetapan alarm High atau berada dibawah nilai tetapan alarm Low sebuah tanda akan di set ke logik 1 pada kanal keluaran digital. Switching regulator dipasang pada papan prosesor yang bekerja pada jangkah tegangan +10 dan +30 VDC. Rangkaian power memiliki nilai isolasi sampai dengan 500 VDC untuk melindungi peralatan dari kejutan power. Spesifikasi Modul Akuisisi yang dipergunakan ditunjukan pada Tabel 1.
Hal | 10
Tabel 1. Spesifikasi Modul Akuisisi. Jangkah masukan Keluaran kecepatan (bps) jarak maksimum Akurasi Zero drift Span drift Tegangan isolasi CMR@ 50/60 Hz NMR@ 50/60 Hz Lebar Bidang Kecepatan Konversi Keluaran Digital arus serap disipasi daya Masukan Digital level logika 0 level logika 1 arus pull up Perhitungan frekuensi masukan maksimum lebar pulsa min Power Supply Konsumsi daya
Thermocouple, mV, V, mA RS-485 (2 kabel) 1200; 2400; 4800; 9600; 19,2 K 1200m 0,05% 0,03 V/0c 25 ppm/0c 500 VDC 150 dB 100 dB 4 Hz 10 sample/sec 2 kanal open-collector 30 mA 300 mW 1 kanal + 1 V max + 3,5 sampai dengan + 30 V 0,5 mA 50 Hz 1 msec + 10 sampai dengan + 30 VDC 1,2 W
POLBAN
Konektor dari Modul Akuisisi ini dijelaskan pada Gambar-V.4 dan memiliki fungsi sebagai berikut :
T/C- ,T/C+ digunakan untuk thermocouple jenis J,K,T,E,R,S dan B.
+1N,-1N digunakan untuk masukan sinyal analog baik tegangan maupun arus listrik sebesar 15mV, 50 mV, 100 mV, 500 mV, 1V, 2,5 V dan 20 m A (dengan R 125 ohm).
D01/HI digunakan sebagai sinyal alarm High.
DO0/LO digunakan sebagai sinyal alarm Low.
DATA+/DATA- digunakan untuk sinyal RS 485.
DI0/EV digunakan untuk sinyal penghitung.
+VS ,GND digunakan untuk catu daya. Hal | 11
INT* digunakan untuk sinyal inisialisasi.
POLBAN
Hal | 12
VI. KESIMPULAN dan SARAN KESIMPULAN Berdasarkan kajian dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa : 1. Pemanfaat sistem akuisisi data berbasis mikrokontroler dan komputer PC lebih tepat diterapkan untuk seluruh kelompok praktikum dengan menggunakan satu buah komputer dan satu buah printer, tidak membutuhkan alat cetak khusus. 2. Penerapan sistem jaringan multi-drop digunakan untuk mempermudah dalam instalasi dan murah realisasinya. 3. Sistem rancangan seperti yang dijelaskan pada penelitian ini menuntut penguasaan algorithma pemorograman yang baik karena basis sistem ini terletak pada kekuatan algorithmanya. 4. Ukuran perluasan jaringan dapat dengan mudah diperbesar dan diperkecil. 5. Beberapa kegunaannya dapat dirubah-rubah tanpa harus merubah atau mengganti sistem perangkat kerasnya.
SARAN
POLBAN
1. Kekuatan sistem ini terletak pada perangkat lunaknya oleh karena itu manfaatkan sebesar mungkin penggunaan bahasa assembler pada tingkat mikrokontroler untuk mempercepat pengolahan. 2. Pada komputer PC gunakanlah pemrograman berbasis grafik untuk mempercepat pengembangan dan perubahan fungsi.
Hal | 13
Berlin
Carr Dostal Eggebrecht
DAFTAR PUSTAKA
“Data Acquisition Components and Subsystems”, Analog Devices, Norwood MA, 1980 Data Acquisition Modules, Advantech, 1994 “Instrumentation Reference and Catalogue”, National Instruments,1995 “Genie Data Acquisition and Control Software”, Advantech, 1993 “PC-Labcard Lab & Engineering Add-on’s for PC/XT/AT”, Advantech, 1990 dan 1993 “LabView Books”, National Instrument, 1995 “MCS51 Microcontroller Familly User’s Manual”, Intel, 1994 “Short Form catalog Process Instrumentation”, Yokogawa,1991 “Total Solution for PC-based Industrial Automation”, Advantech, Vol 61 Berlin, HM, The 555 Timer Application Source Book itwh Eksperiment, Derby, CT: E&L Instruments, 1976. Carr J, Op Amp Circuit Design & Applications,PA: TAB Books, Blue Ridge Summit, 1976
POLBAN
Dostal J, Operational Amplifier, Elsevier, Amsterdam, 1981
Eggebrecht, LG, Interfacing to the IBM PC, IN:Howard W Sams, Indianapolis, 1983
EG & G Reticon
EG & G Reticon, Analog Signal Processing Products,Sunnyvale CA, 1984
Garrett
Garret PH, Analog I/O Design Acquisition: Conversion, Recovery, Reston VA, 1981
Keithley
Keithley, Low Level Measurements, Cleveland OH, 1984
Meta-Rida
Meta Rachmanita-Rida Hudaya, Sistem Multi-drop pada Jaringan Kerja Industri,1997
Hal | 14
Morrison
Olphenheim Sencer Sheingold Sri-Rida Tedeschi Titin-Rida Tompkins Zuch Risnedi-Waidin-Rida
Webster
Morrison, R, Grounding and Shielding techniques in Instrumentation, New York, Wiley, 1977. Olphenheim AV, Willsky AS, Signal and Sistem, Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1983. Sencer Yeralan - Ashutosh Ahluwalia, Programming and Interfacing the 8051 Microcontroller,Addison-Wesley Publishing Company, 1993 Sheingold, DH, Analog-t0-Digital Conversion notes, Norwood, MA:Analog Devices, 1977. Sri Handayani-Rida Hudaya, Test dan Measurement, 1988 Tedeschi FP, The Active Filter Handbook, PA: TAB Books, Blue Ridge Summit, 1979 Titin Sumartini-Rida Hiudaya, Data Akuisisi dan Kontrol,1998 Tompkins WJ - Webster JG, Design of Microcomputer-based Medical Instrumentation, Prentice-Hall, Englewood Cliffs NJ, 1981 Zuch EL, Data Acquisition and Convesion Handbook, Data intersil, Mansfiewld MA, 1979 Risnedi-Waidin-Rida Hudaya, Modul Pengenalan Software Genie Versi 2.0 tentang Building Automation, Data Collection dan Man Machine Interface untuk Aplikasi Perancangan Kontril Berbasis Personal Computer, 1998 Webster, JG,Medical Instrumentation : Application & Design, Boston, Hougton Mifflin, 1978.
POLBAN
Willis
Willis J. Tompkins, John G. Webster, Interfacing to the IBM PC, ISBN 0-13469081-8, Prentice Hall Inc, 1988.
Wobschall
Wobschall, D, Circuit Design for Electronic Instrumentation, New York: McGraw Hill, 1979.
Zuch
Zuch, E.L (ed), data-acquisition and conversion handbook, Mansfield, MA:Datel Intersil. “Analog Devices, Data Acguisition Components and Subsystems”, Norwood, MA, 1980.
Hal | 15
