BAB II
TEO RIPENUNJAN G
Untuk pembuatan alat pemonitor variabel-variabel ini dibutuhkan beberapa teori penunjang antara lain teori tentang transduser-transduser yang digunakan, analog to digital converter, analog switch, dan programmable peripheral interface.
1. TRANSDUSER
Kebutuhan untuk melakukan pendataan pada daerah yang jauh dan terpisah dari display informasi semakin meningkat baik kuantitas maupun kualitasnya.
Adanya alat yang dapat m elakukan penunjukkan, pengontrolan dan perekaman sejumlah proses variabel yang terpisah dari sumber informasi sangat dibutuhkan. Hal ini dapat diatasi dengan menggunakan komponen transduser yang paling sesuai untuk mengubah berbagai macam input ke suatu signal output.
Proses pendataan diawali dengan input yang bisa berupa variabel listrik maupun non listrik (energi mekanik, energi kimia, energi cahaya dan energi panas) denganmelaluipengukuran, modifikasi dtngznam plifieraim filter dan sistem kontrol dikirim ke suatu signal output. Output dikirim ke lokasi display pada jarak yang jauh hanya dengan menggunakan kabel penghantar sebagai konduktor. Harga yang diterima proporsional terhadap input dan mendekati kondisi yang sebenarnya. Alat tersebut diharapkan dapat melakukan penun
jukkan, pengontrolan, perekaman dan analog to digital converters pada beberapa lokasi.
Beberapa tipe transduser yang menggunakan variabel Hstrik sebagai data
input, antara lain:
1. Transduser Arus 2. Transduser Tegangan 3. Transduser Faktor Daya 4. Transduser Daya Aktif
1.1 Transduser Arus
Transduser Arus berfungsi untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Input berupa arus bolak-balik merupakan gelombang sinusoidal, menjadi arus searah pada outputnya. Jika inputnya merupakan arus listrik bolak-balik yang merupakan gelombang sinusoidal, maka transduser akan mengubahnya menjadi arus searah dengan harga propor- sional terhadap harga RMS daripada input, yang memiliki kalibrasi RMS dari gelombang sinusnya dengan distorsi kurang dari 1%. Pada gambar 2.1 dapat dilihat bahwa arus yang masuk diturunkan dengan Current Trans
former (CT), Pada output CT arus AC diubah menjadi arus DC dengan rectifier, kemudian diperkuat oleh suatu rangkaian Op Amp (operation Amplifier). CT yang dimaksud di atas adalah CT di dalam transduser
>
O w iev tGAMBAR 2.1^^
BLOK DIAGRAM TRANSDUSER ARUS
1) Paladin Crompton Instrument, Fifth Edition, hal.6..
dengan input maksimum 5 Ampere. Pada kenyataaimya arus sebelum masuk transduser diturunkan dulu oleh CT lain (di luar transduser) dari arus beban menjadi 5 Ampere oleh sebuah CT.
1.2 Transduser Tegangan
Transduser Tegangan berfungsi untuk mengubah tegangan bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Input yang berupa tegangan bolak-balik, berbentuk gelombang sinusoidal, menjadi arus searah pada output yang dikirim ke lokasi display. Karena input berupa tegangan listrik bolak-balik maka gelombangnya selalu sinusoidal.
Prinsip kerja transduser tegangan ini identik dengan prinsip kerja transduser arus. Perbedaannya inputnya bukan berupa arus melainkan berupa tegangan. Proses tersebut dapat dilihat pada gambar 2.2 yang menggambarkan blok diagram untuk transduser tegangan (satu phasa).
Amp.
2)
GAMBAR 2.2^)
BLOK DUGRAM TRANSDUSER TEGANGAN
Pada gambar 2.2 dapat dilihat bahwa tegangan input yang berupa tegangan AC diturunkan oleh Potential Transformer (PT) yang kemudian dijadikan tegangan searah oleh rectifier dan kemudian diperkuat dan diubah menjadi
ibid. hal.7.
besaran arus listrik oleh Op Amp, yang kemudian menjadi output dari transduser. Untuk pengukuran pada tegangan menengah (20 KV) atau ke atas sebelum masuk transduser harus ditambahkan FT lagi karena range input transduser hanya maksimum 500 Volt.
1.3 Transduser Faktor Dava
Transduser ini berfungsi untuk mengubah faktor daya menjadi arus searah (DC). Input yang berupa faktor daya, menjadi arus searah pada output yang dikirim ke lokasi display. Unit ini berfungsi untuk mengukur harga faktor daya dan mengubahnya menjadi arus searah (miliampere) dengan harga yang proporsional terhadap harga sudutnya. Transduser ini lebih umum digunakan pada suatu sistem beban seimbang (satu phasa ataupun tiga phasa).
GAMBAR2.3^^
BLOK DIAGRAM TRANSDUSER FAKTOR DAYA
3)
ibid. hal.8.Bentuk input arus dan tegangan ditentukan oleh Zero Crossing Detectors yang terpisah, kemudian pulsa-pulsa resultannya dibentuk pada sebuah Bistable Comparator. Hasilnya dijernihkan dan kemudian diperkuat untuk memberikan output arus searah yang proporsional terhadap faktor daya.
Blok diagram transduser faktor daya dapat dilihat pada gambar 2.3.
1.4 T iansd.user D aya Aktif
Transduser ini mengubah input daya aktif (KW) menjadi output arus searah (DC). Transduser ini dapat digunakan pada beban seimbang dan tak seimbang, serta sistem satu phasa ataupun tiga phasa. Melalui metoda time division multiplication, maka pengukuran dilakukan untuk daya sesaatnya pada daerah yang luas dari bentuk gelombang input.
V o tU Q *
4)
GAMBAR 2.4"^)
BLOK DIAGRAM TRANSDUSER DAYA AKTIF
Dari blok diagram gambar 2.4, terlihat bahwa tegangan sistem merupakan pelengkap power supply dari input pada rangkaian Oscillator & Voltage Modulation dan tahap amplifier.
ibid. hal.8.
Pulsa gelombang persegi dari rangkaian pengganda getaran diperoleh melalui variasi perubahan sasaran pada saat pengukuran tegangan dan amplitudo oleh pengukuran arus, kemudian akan terbentuk pada sebuah integrator dan amplifier. Signal output arus searah (miliampere) yang dihasilkan proporsional terhadap input daya aktif
2. M EDIA TRANSMISI
Media trarismisi merupakan bagian yang penting, karena merupakan peng- hubung antara lokasi sumber beban dan display yang cukup jauh jaraknya. Agar signal output transduser dapat sampai di lokasi display informasi, maka diper- lukan suatu media penghantar yang mampu memuat signal output de-ngan kerugian sekecil- kecilnya. Pemilihan media penghantar disesuaikan dengan signal outputnya, dalam hal ini satu-satunya media penghantar yang paling sesuai adalah konduktor berisolasi (kabel) karena signal outputnya berupa signal listrik. Di samping itu perlu dilakukan pemilihan kualitas kabel dengan tahanan yang makin kecil untuk jarak yang makin panjang, agar mendapat kerugian signal sekecil-kecilnya. Untuk itu dipilih kabel berinti tunggal.
3. RANGKAIAN PENUNJANG DISPLAY
Pengamat dapat melihat data yang didapatkan dari lokasi sumber beban
melalui layar monitor. Pengolahan data secara digital yang akan ditampilkan
pada layar monitor diproses oleh mikroprosesor IBM-PC, dalam hal ini mem-
butuhkan suatu rangkaian interface yang menghubungkan perangkat luar
dengan perangkat komputer. Mengingat signal output transduser berupa be-
saran analog, maka dibutuhkan rangkaian pengubah analog ke digital yang
10
inputnya benipa tegangan. Karena signal output transduserberupa arus, maka dibutuhkan pula pengubah arus ke tegangan.
Secara kronologis mulai dari signal output transduser sampai dapat terlihat dalam monitor akan dijelaskan berikut ini. Signal output yang diterima di lokasi display informasi akan diproses penunjang display. Signal output transduser berupa arus dan besaran analog diubah menjadi bentuk tegangan dan besaran digital agar dapat diproses oleh mikroprosesor. Signal output yang berupa arus tersebut terlebih dahulu diubah menjadi bentuk tegangan melalui rangkaian pengubah arus ke tegangan. Signal yang telah benibah menjadi bentuk tegangan merupakan input bagi pengubah analog ke digital (Analog to Digital Converters). Perubahan tegangan analog sebagai input menjadi output tegangan digital memiliki harga proporsional terhadap tegangan analognya.
Kemudian data digital itu dimasukkan ke I/O map memory dari IBM-PC.
Sebagai pengolah data secara digital digunakan mikroprosesor IBM-PC dan akan ditampilkan dalam layar monitor.
3.1 P s ngubah-Arys kg.T egangan
M enunit hukum Ohm, jika arus sebesar I dilewatkan pada suatu tahanan
sebesar R, maka akan timbul beda tegangan sebesar V diantara ujung-
ujung tahanan tersebut, dengan harga sebesar V = I.R. Jika tahanan R
mem punyai harga konstan, maka perubahan arus sebesar dl akan
menyebabkan perubahan tegangan sebesar dV yang sebanding dengan dl,
atau dapat ditulis sebagai dV = dl.R. Jadi rangkaian pengubah arus ke
tegangan pada dasarnya hanya berupa tahanan R yang kemudian diperkuat
oleh suatu rangkaian Op Amp untuk mengantisipasi kerugian yang di-
sebabkan oleh hambatan R.
11
3.2 Pengubah Anolog ke Digital
Pengubah analog ke digital biasa disebut ADC (Analog to Digital Con
verters). ADC berfungsi sebagai pengkonversi suatu signal hasil dari peng- ukuran analog menjadi sederetan bit yang menunjukkan harga signal tersebut. Input analog dari ADC umumnya berupa hasil pengubahan suatu data oleh transduser akan melalui suatu rangkaian sample and hold. Pada rangkai an 5amp/e and hold signal analog akan mengalami proses sampling.
Proses sampling merupakan proses pengukuran besar signal analog serta pengkonversiannya menjadi bilangan biner. Data yang diperoleh akan dlsimpan oleh kapasitor dan kapasitor akan meng-hold data yang diperoleh.
Jika harga analog input bervariasi terhadap tegangan, biasanya pengkon- versian sample amplitude dilakukan ke dalam suatu ekivalen waktu, dan perhitungan jumlah pulsa yang dihasilkan selama pengukuran dilakukan oleh suatu rangkaian clock. Adapun perhitungan jumlah pulsa dilakukan setelah skala biner diketahui, sehingga dapat menghasilkan sample amplitude yang langsung dibentuk ke dalam bilangan biner.
Pada gambar 2.5 pada blok diagram dapat dilihat bahwa perhitungan dimulai pada saat ramp voltage (tegangan referensi) berharga nol dan ramp voltage harus berharga positif untuk membuat and gate pada posisi terbuka.
Selama ramp voltage berharga lebih kecil dari harga amplitudo analog input, maka comparator akan memberikan input pada and gate sekaligus menghitung perputaran pulsa yang dihasilkan rangkaian clock.
Pada saat tercapai suatu persamaan harga tertentu antara ramp voltage dan analog input, maka tegangan comparator akan menghasilkan pulsa untuk menutup gate dan menghentikan proses perhitungan. Pada saat ramp volt
age mencapai harga maksimum tertentu order logic akan mengeluarkan
hasil perhitungan melalui output gates ke suatu display.
12
Logic control akan diulangi pada saat ramp voltage dimulai, dan contoh lain akan diambil dan dihitung, Keadaan display akan dipertahankan selama perhitungan tersebut berlangsung. Frekuensi contoh yang diambil dan harga perhitungan per volt dari input dapat diatur oleh operator melalui control logic dari peralatan.
Display output dapat juga dipindahkan ke printer jika dibutuhkan, dan dapat digunakan empat atau lebih bentuk pengukuran display.
Ajiiloi Inptfl
0 . . . 9
I I
0 - 9 O...9
GAMBAR2.5^)
BLOK DIAGRAM ANALOG TO DIGITAL CONVERTERS
5)
ADC dibedakan menjadi tiga macam, yaitu:
- Paralel/Flash ADC - Single & Dual Slope ADC
- Successive Aproximation Register ADC
Sistem pendataan yang digunakan dalam Tugas Akhir ini adalah tipe yang ketiga, yaitu: Successive Aproximation Register (SAR) ADC. Jenis ADC ini
Ryder, John D ., Ph.D., E ngineering Electronics, second edition, McGraw-Hill Inc., 1967, hal.429.ibid, hal.8.
13
merupakan yang paling umum digunakan dan memiliki banyak kelebihan, tenitama bila dihubungkan dengan komputer, bila dibandingkan dengan kedua jenis yang lain. Adapun kelebihan yang dimaksud adalah: tingkat kecepatan konversi yang tinggi, waktu konversi yang konstan (waktu kon- versi tidak tergantung tegangan input yang akan dikonversi), dan dapat dibuat dalam jumlah bit yang banyak. ADC tipe ini terdiri beberapa kom- ponen yaitu DAC, komparator, rangkaian kontrol dan beberapa register yang dapat dilihat pada gambar 2.6
Analog input
4 bi( b«n»rY output
6
)
GAMBAR 2.6^)
BLOK DIAGRAM SAR ANALOG TO DIGITAL CONVERTERS (ADC) Pada gambar 2.6 dapat dilihat blok diagram SAR ADC, yang menggunakan metode pengkonversian dengan melakukan perbandingan antara tegangan input yang tidak diketahui dengan tegangan output yang dihasilkan oleh
E m an u el, P. & L eff, E ., Introduction to Feedback Control Systems. M cG raw-H ill K O G A K U SH A Ltd., 1976, hal.256.
14
DAC, Input digital DAC diatur oleh shift register dan rangkaian logika untuk kontrol, sedangkan hasil konversi dapat diambil pada register output.
Proses konversi dimulai dengan memberikan pulsa start conversion, di mana signal tersebut menyebabkan input DAC akan dibuat sehingga MSB (Most Significant Bit) sama dengan 1 dan bit lainnya 0.
Sehingga setelah pulsa EOC menjadi high atau putaran clock telah selesai, maka output DAC akan dibandingkan dengan input analog yang dikonver- si. Dari output komparator dapat diketahui mana yang lebih besar, bila tegangan output DAC yang lebih besar maka bit MSB tetap sama dengan 1, sedang bila output DAC yang lebih kecil maka bit MSB berubah menja
di 0, bersamaan dengan itu MSB bit berikutnya dibuat sama dengan 1, dengan keadaan MSB pertama tetap seperti setelah proses perbandingan pertama tadi.
Pada keadaan ini akan dihasilkan output analog yang akan dibandingkan lagi dengan tegangan input untuk menentukan keadaan bit MSB kedua (perlu diubah atau tidak). Proses di atas berlangsung terns sampai dengan bit LSB (Least Significant Bit), sehingga dapat diperoleh output digital dari input DAC yang terakhir.
Proses pergeseran bit dari MSB sampai LSB tersebut dilakukan oleh shift register yang waktunya diatur oleh pulsa clock. Jadi untuk ADC 8 bit memerlukan waktu konversi 8 pulsa clock. Jika proses konversi selesai, maka output status bit akan mengeluarkan pulsa End o f Convertion yang menyatakan bahwa output digital ADC dapat diambil sebagai besaran digital yang mewakili input analog yang dikonversi.
3.3 Programmable Peripheral Interface
Secara umum interface merupakan sebuah rangkaian elektronik yang dapat
menghubungkan dua sistem yang berlainan sehingga sistem tersebut dapat
15
berhubungan satu sama lain. Dalam sistem pendataan ini dibutuhkan interface, untuk menghubungkan dua sistem yang berlainan. Adapun inter
face yang digunakan adalah Programmable Peripheral Interface (PPI) 8255.
PPI 8255 merupakan suatu chip I/O paralel port yang didesain untuk berbagai fungsi interface dalam lingkungan sistem mikroprosesor, dian- taranya sebagai pengatur perpindahan data.
Melalui blok diagram pada gambar 2.7 dapat dilihat bahwa PPI 8255 mempunyai empat blok yang merupakan jalur-jalur penghubung PPI 8255 dengan perangkat luar lainnya.
J
GAMBAR 2.7'^)
BLOK DIAGRAM PPI 8255
PPI 8255 ini memiliki 24 pin I/O yang diorganisir dalam tigaport (A, B, C) ______ di mana masing-masing port memuat 8 bit I/O. Selain itu juga telah
M icroprocessor And Peripheral Handbook. Volume II,Intel Coorporation, 1987, hal.3/100..
16
diprogram secara individual dalara dua kelompok yang masing-masing terdiri dari 12 pin I/O. Kelompok A (dua blok pertama) terdiri dariport A (PA0-PA7) dan setengah port C bagian atas (PC4-PC7). Sedangkan kelom
pok B (dua blok kedua) terdiri dari port B (PB0-PB7) dan setengah port C bagian bawah (PC0-PC3).
Blok-blok yang lain adalah data bus buffer dan readlwrite control logic. Data bus buffer berfungsi sebagai buffer data inputloutput ke dan dari data bus Central Processing Unit (CPU), sedangkanread/write control logic berfungsi sebagai pengatur rute pembacaan dan penulisan data dari dan ke internal register yang benar dengan waktu yang tepat.
3.3.1 Fungsi masing-masing pin P P I8255. Jumlah pin yang dimiliki oleh PPI 8255 adalah sebanyak 40 pin dengan konfigurasi pada gambar 2.8.
» * » c • *•
• u 3 m
> M D * -
« Sf
n c t M
H C • M
> »•
• V
- C • U
« . c IM
• ciC «l U i U n
K » C I I 9*
•wr II M
»4 l i ^
M
w C H 9*
w C 1* H
*• »•
••
a t 3 * ^
GAMBAR2.8^)
KONFIGURASI PIN PPI 8255
8)
ibid. hal.3/100.
17
Penjelasan fungsi masing-masing pin tersebut adalah sebagai berikut;
D0-D7 : Data bus directional, merupakan jalur 3-state bidirectional inputloutput buffer dan latch 8 bit, dengan data bus ini data berlaku sebagai informasi yang akan ditulis dan dibaca dari P P I8255.
CS : Input chip Select, merupakan jalur komunikasi dengan PPI 8255 yang akan aktif pada logika rendah.
AO & A 1 ; Input Alamat, aktif pada logika tinggi. Kombinasi kedua jalur ini dengan signal RD dan WR akan menentukan dari internal register data mana yang akan ditulis dan dibaca, kombinasi alamatnya dapat dilihat pada tabel 2.1.
TABEL2.1^)
OPERAS! DASAR PPI 8255
A i A c W R CS In p u t O p e ra tio n (R E A D )
0 0 0 1 0 Port A — * Data Bus
0 1 0 1 0 P o rt B — » Data Bus 1 0 0 1 0 P o rt C — * D a U B u s O u tp u t O p e ra tio n ( W R I T E )
0 0 1 0 0 O a la B u s — • Port A 0 1 1 0 0 Data B u s — * Port B 1 0 1 0 0 O a la B u s — * P o rt C
1 1 1 0 0 O a ta B iis — * Control D isa b le F u n c tio n
X X X X 1 Data Bus — ► 3 -State
1 1 0 1 0 Illegal Condition
X X 1 1 0 Data B us — ► 3-State
9) ihid, hal.3/102.
18
RD : Input Read, menipakan jalur untuk penempatan data dari PPI 8255 pada data bus sistem, yang akan aktif pada logika rendah (dan chip select dalam keadaan terenable).
WR ; Input Write, menipakan jalur penulisan data dari data bus sistem ke internal register PPI 8255, yang akan aktif bila jalur ini mendapat logika rendah (dan chip select dalam keadaan terenable).
RESET : Jika input ini diberi logika tinggi, PPI 8255 berada dalam keadaan XQx-reset, dalam kondisi ini sem ua port secara otomatis akan diatur pada mode input.
PA0-PA7 : Merupakan output 8 bit data latch/buffer dan input 8 bit data latch, data yang sudah ada akan tetap dipertahankan selama tidak ada data lain yang masuk.
PB0-PB7 : Merupakan output 8 bit data latchlbujfer dan input 8 bit data latch, data yang sudah ada akan tetap dipertahankan selama tidak ada data lain yang masuk.
PC0-PC7 : Merupakan output 8 bit data latchlbujfer dan input 8 bit data buffer (hukanlatch untuk input). Port ini dapat dibagi menjadi dua bagianport 4 bit, yang dikendalikan oleh mode kontrol.
Tiap port 4 bit tersebut memiliki latch 4 bit dan dapat digunakan untuk mengontrol signal output dan status input yang dihubungkan denganport A dan B.
3.3.2 Mode Pemrograman PPI 8255. PPI 8255 dapat diprogram dalam tiga mode kerja, dengan diagram fungsional pada gambar 2.9.
Adapun tiga mode kerja yang dimaksud adalah;
- mode 0 ; Basic Input/Output
- mode 1: Strobed InputlOutput
19
- mode 2 : Bidirectional Bus
Penentuan mode kerja diatur berdasarkan keperluan aplikasinya, diatur struktur bit pada ren ter control. Jadi untuk mengatur pada mode tertentu, hams ditulis dahulu control word psida register control, control word ini akan mendefinisikan penggunaan register-register dalam PPI (lihat gambar 2.9).
IX 1 r
ffiU iCS-TL
- - f
n n n
« 3 W .
a
M O O C « — • • < A
S '"
f C , « ,
M O M 1 — ^ 0 c
» T
i ^ - l W 11 a -
e O N T M ^ CMTNCK.
M M
— I A
e
„ * T
^ - 1 1 1 1 l I H i i -
VO M,#*,
GAMBAR
DIAGRAM FUNGSI MODE KERJA PPI 8255
Dalam tugas akhir ini mode kerja yang digunakan untuk sistem pendataan adalah mode kerja 1. Mode kerja 1 (Strobed I/O) adalah mode untuk mengatur port A atau port B sebagai input atau output yang dilengkapi dengan sistem handshake untuk sinkronisasi pemindahan data dengan peralatan I/O luar (lihat gambar 2.10).
10) hal.3/104.
2 0
GAMBAR 2.10^^^
DEFINISI BIT-BIT CONTROL REGISTER P P I 8255
Pada mode ini port C digunakan sebagai pemberi signal kontrol atau penerima signal status dari peralatan I/O luar. Pada mode handshake data diterim a atau dikirim oleh mikroprosesor melalui port A atau port B.
4. MIKROPROSESOR IBM-PC
Mikroprosesor IBM-PC termasuk mikroprosesor yang cukup populer, baik untuk keperluan Datofcose Management maupun untuk keperluan interfacing (pemanfaatan komputer untuk keperluan proses kontrol suatu sistem peng-
ihM, hal.3/104.
21
