Struktur Sistem Akuisisi Data #02

Data Acquisition System

View more presentations from rajparkash.

Sistem akuisisi data merupakan sistem instrumentasi elektronik yang terdiri dari sejumlah elemen yang secara bersama-sama bertujuan melakukan pengukuran, menyimpan, dan mengolah hasil pengukuran.
Semua besaran fisik yang akan diukur, diamati, disimpan, dan dikontrol dapat berupa suhu, tekanan, cahaya , suara, dll. Di real world besaran fisik itu berbentuk analog. Sedangkan sistem akuisisi data berbasis mikroprosesor merupakan sistem digital, hanya dapat mengolah sinyal-sinyal listrik digital. Jadi besaran fisik analog harus dikonversi lebih dulu menjadi besaran listrik digital yang setara.
Sebuah sistem akuisisi data terdiri dari elemen-elemen utama: elemen masukan, elemen sampling, elemen kontrol, dan elemen keluaran.



klik diagram blok untuk memperbesar

Diagram blok sebuah sistem akuisisi data di atas ini menunjukkan bagian-bagian penting dari sistem yang mempunyai bermacam-macam transduser yang terhubung pada input rangkaian pengkondisi sinyal.


Tergantung pada sinyal transduser, input rangkaian pengkondisi sinyal dapat digunakan sebagai penguatan (amplification), offset, atau sebagai filter.

Gain dari rangkaian pengkondisi dapat dikendalikan oleh central processing unit (CPU) untuk mengatur input sesuai dengan level yang tepat. Sinyal-sinyal input itu kemudian disalurkan ke analog-to-digital converter (A/D converter) melaui sebuah multiplekser (selector switch) (MUX).

Bila data analog itu berbentuk sebuah gelombang sinusoida, maka sebuah bisa menggunakan low-pass filter untuk menghindari yang dinamakan aliasing effects. A/D converter mengkorversi sinyal analog menjadi sebuah sinyal digital yang selanjut diumpankan pada CPU. CPU itu yang mengendalikan, merekam, menganallisis, dan melapor/menampilkan data yang diakuisisi.

Data tersebut dapat digunakan dalam bentuk digital, atau dikonversi oleh sebuah D/A converter menjadi bentuk analog. Jika sinyal analog itu sinussoida, maka diperlukan sebuah correction filter pada output untuk membentuk-ulang (reshape) frequency response dari sistem.

Output yang analog itu dapat digunakan untuk mengendalikan sistem itu, atau output yang analog itu dapat juga dihubungkan dengan divais analog yang lain misalnya chart recorder, osiloskop, atau peralatan-peralatan ukur.

• Elemen masukan terdiri dari bermacam-macam transduser, pengkondisi sinyal, dan multiplekser.
• Elemen sampling terdiri dari filter low-pass, rangkaian S/H, A/D converter.
• Elemen kontrol merupakan unit pengolahan sentral (Central Processing Unit/CPU).
• Elemen keluaran terdiri dari D/A Converter, filter low-pass dan (sin x)/x correction, I/O, Modem, Storage device, Display device, dan Printout device.

Struktur Data Acquisition System tergantung pada besaran fisik yang akan diambil, variasi kecepatan perubahan, dan tujuan/fungsi sistem.

Macam-macam Data Acquisition System menurut strukturnya:

• Closed Loop One Way Data Acquisition System
  
  
  
  One-way data acquition system mempunyai struktur yang sederhana, merupakan sebuah open loop system, biasanya digunakan terbatas untuk pengambilan/pembacaan besaran fisik yang diukur secara digital, yang untuk selanjutnya ditampilkan pada dis play (peraga) misalnya LCD, CRT, dan lain-lain, atau merekamnya dengan off-line processing, atau mencetaknya pada printer.
  
  Jika sistem akuisisi data ini berupa closed loop system, seperti yang terlihat pada gambar diagram blok di atas, maka hasil pembacaan data digunakan untuk pengendalian/pengontolan besaran tertentu, untuk melakukan setting suatu besaran pada level yang diinginkan, atau secara sederhana dapat dikatakan untuk meregulasi suatu besaran tertentu.



• Multichannel Data Acquisition System
  
  
  
  Jika sejumlah besaran harus diambil/dibaca secara simultan (bergantian) maka digunakan yang dinamakan time division multiplexing untuk mengontrol pengambilan input. Multiplekser merupakan sebuah alat yang terdiri dari beberapa switch analog yang mempunyai output terhubung secara bersama membentuk sebuah output tunggal dan inputnya menentukan banyaknya input multiplekser itu.
  
  Membuka atau menutupnya switch dikendalikan oleh channel address dari input, yaitu logic input yang dikodekan dengan sejumlah bit. Satu bit address mengendalikan 2 channel, dan n bit dapat mengendalikan sebanyak 2ⁿ channel. Multiplekser umumnya 4, 8, atau 16 channel. Sebuah multiplekser 16 channel mempunyai 16 channel yang disimbulkan dengan channel 0 sampai dengan channel 15.
  Pada gambar di atas ini terlihat diagram blok sebuah multichannel data acquisition system. Dengan konfigurasi seperti ini, mikroprosesor menghasilkan:
  
  
  • sinyal kontrol untuk rangkaian sample-and-hold (S/H).
  • sinyal START untuk start konversi A/D converter, akhir konversi A/D converter ditandai dengan keluarnya EOC (end of conversion, sinyal EOC ini sebagai indikasi bahwa data itu valid.
  • sinyal channel address untuk pengendalian input dari multiplekser.
  
  
  Dengan memasok sinyal-sinyal itu, mikroprosesor mengatur dan mengendalikan operasi komponen-komponen dalam sistem. Jika diagram blok di atas diperhatikan, operasi sample-and-hold dilakukan setelah multiplekser analog. Dengan konfigurasi seperti ini, struktur ini mempunyai kelemahan, yakni tidak dapat melakukan pengambilan (pembacaan) data input lebih dari satu kanal dalam waktu yang bersamaan, maksudnya sekali operasi rangkaian sample-and-hold melakukan operasi pengambilan data secara bergantian.



• Synchronous Data Acqisition System
  
  
  
  Seperti telah dijelaskan tadi, struktur sistem akuisi data multichannel mempunyai keterbatasan. Untuk mengatasi keterbatasan itu rangkaian S/H dipindah ke depan multiplekser analog pada masing-masing input. Sehingga diperlukan rangkaian S/H sebanyak jumlah input yang ada. Blok diagram sistem dengan struktur seperti ini terlihat pada gambar di atas.
  Pada sistem dengan struktur ini, dinamakan sistem akuisisi data synchronous, pengaturan input lebih baik karena dapat melakukan pengambilan dua data input atau lebih, selama rangkaian sample and hold dalam moda hold. Hal ini dapat dirasakan secara praktis dalam sinkronisasi antara control S/H dan start konversi ADC.



• Fast Data Acquisition System
  
  
  
  Sistem akuisisi data kadang-kadang menerima sejumlah sinyal yang fluktuasinya sangat cepat. Menerima sinyal sepert ini, tidak hanya cukup menggunakan sistem akuisisi data multichannel yang menggunakan ADC yang serupa dengan sistem akuisisi data sebelumnya.
  Output dari digital FLASH ADC dimultipleks dengan sebuah multiplekser digital, pada gambar di atas ini terlihat ada tiga sinyal dengan fluktuasi yang sangat cepat diinputkan pada FLASH ADC melalui rangkaian sample and hold, data 12 bit dari tiap-tiap FLASH ADC diinputkaan pada multiplekser digital.
  
  FLASH ADC mempunyai conversion time yang sangat singkat (kecil), ditambah lagi secara fisik dan penngontrolan sama dengan konfigurasi struktur sistem akuisisi data synchronous, maka sistem akuisisi data fast ini dapat melakukan pengambilan data yang lebih baik terhadap sinyal-sinyal dengan fluktuasi yang sangat cepat.

DIAGRAM ALIR SISTEM AKUISISI DATA

Cara atau metoda untuk menjelaskan aliran prosedur dalam sistem akuisisi data dengan menggunakan yang dinamakan diagram alir (flowchart). Diagram alir sistem akuisisi data, merupakan diagram yang menggambarkan suatu proses atau algoritma.

A simple flowchart for computing factorial N (10!)

Berikut ini contoh Diagram Alir suatu sistem.

Example of a system flowchart

Berikut ini sebuah contoh kasus yang menarik untuk dibahas disini. Setelah meng-on-kan switch-nya, lampu tidak menyala. Maka diambilnya langkah-langkah untuk mengetahui mengapa lampu tidak menyala dan mencoba untuk memperbaikinya.

• Langkah pertama adalah memeriksa apakah terpasang atau tidak lampunya. Kalau tidak terpasang, maka tindakannya memasanng lampu.
• Kalau terpasang, maka langkah berikutnya memeriksa apakah lampu itu rusak atau tidak. Kalau rusak maka tindakannya mengganti dengan lampu baru.
• Kalau tidak rusak, maka langkah selanjutnya beli lampu baru.

Langkah-langkah yang diambil untuk menyelesaikan suatu masalah dinamakan algoritma. Metoda algoritma ini cukup efektip untuk memecahkan suatu masalah. Langkah-langkah yang diambil untuk mengetahui mengapa lampu tidak menyala dapat digambarkan secara grafis dengan diagram alir sebagai berikut.

Diagram alir sering digunakan untuk menggambarkan algoritma secara grafis.
Diagram alir sistem akuisisi data digunakan untuk:

1. Menganalisis sistem.
2. Sarana komunikasi users dengan manajemen.
3. Acuan bagi programmer.
4. Pembuatan dokumentasi.

Di lingkungan sistem akuisisisi data, diagram alir sering digunakan untuk pembuatan analisis, perancangan, pembuatan dokumentasi, pengelolaan suatu proses dalam berbagai bidang.

Diagram alir digambarkan sebagai kotak-kotak dengan bermacam-macam bentuk, dan urutannya digambarkan dengan jalan menghubungkan kotak-kotak itu dengan anak panah. Untuk membuat diagram alir digunakan simbol-simbol yang menggambarkan sarana atau input yang dipakai, atau menggambarkan kegiatan yang dilakukan untuk menghasilkan suatu output sesuai kebutuhan. Simbol-simbol itu terdiri dari bentuk-bentuk berikut ini.

Template for drawing flowcharts (late 1970s)
showing the different symbols

ELEMEN-ELEMEN PENUNJANG SISTEM AKUISISI DATA

Sistem terdiri dari sejumlah elemen atau komponen yang saling berhubungan yang satu dengan yang lain melakukan kerjasama untuk mencapai tujuan atau fungsi sistem. Elemen-elemen Data Acquisition System yang saling berhubungan yang satu dengan yang lain adalah sebagai berikut;

1. Tranduser
   Transduser adalah elemen yang berfunsi untuk mengubah suatu besaran fisik menjadi besaran listrik. Transduser mengubah besaran mekanik menjadi menjadi besaran listrik yang dapat berupa tegangan atau arus liastrik. Transduser suhu mengubah besaran suhu (derajat suhu) menjadi besaran listrik berupa tegangan atau arus listrik.
   
   Dalam praktik banyak contoh transduser yang dipakai dalam sistem akuisisi data, misalnnya physically displacement transducer, humidity transducer, thercouple, accelerometer, tachometer, strain gage transducer, dan lain-lain.
   
   Spesifikasi transduser yang penting adalah kecepatan, ketelitian dan keandalamn.
2. Operational Amplifier
   Tegangan atau arus listrik yang dihasilan sebuah tranduser itu biasanya kecil. Sedangkan komponen A/C converter yang digunakan dalam sistem akuisisi data bekerja dalam skala penuh, misalnya 0 s/d 5 volt, -5 s/d +5 volt, 0 s/d 10 volt dan sebagainya, tergantung pada moda input dan spesifikasi komponen yang dipakai. Oleh karena itu diperlukan yang dinamakan sebuah rangkaian signal conditioner, untuk memperkuat sinyal output dari transduser menjadi cukup besar untuk diumpankan pada A/D converter. Rangkaian signal co nditioner itu menggunakan yang dinamakan OPAMP (operational amplifier.
3. Instrumentation Amplifier
   Instrumentation Amplifier diperlukan bila data analog yang diperoleh hendak ditransmisikan melalui jarak yang cukup jauh, dan juga untuk meredam interferensi, bila ada. Karakteristik instrumentation amplifier yang penting adalah yang dinamakan common mode rejection ratio (CMRR) yang tinggi, impedansi input yang tinggi, dan gain yang dapat diprogram.
4. Isolator
   Sebaagai pemisah antara sumber sinyal dengan sistem akuisisi data diperlukan sebuah yang dinamakan isolation transformer, optical isolation, atau fiber optic.
5. Rangkaian Fungsi Analog
   Untuk fungsi-fungsi yang tetap, rangkaian analog lebih sederhana dan lebih real time dibandingkan rangkaian pemroses (pengolah) digital. Fungsi-fungsi yang diwujudkan dengan rangkaian analog antara lain, multiplier, divider, adder, subtractor, dan fungsi-fungsi non-linier yang lain.
6. Multiplekser Analog
   Jika sinyal analog yang akan diproses berasal dari beberapa sumber, atau dari kanal komunikasi yang sama, melewati single converter, maka diperlukan sebuah multiplekser analog untuk mengkopel dan mengatur sinyal tersebut.
7. Rangkain Sample-and-Hold
   Rangkaian sample-and-holddiperlukan, karena dalam beberapa hal sinyal analog bervariasi cukup cepat, sementara konversi sinyal dari analog ke digital memerlukan selang waktu tertentu, dan A/D Converte tidak bisa mendigitalkan input analog dengan sangat segera, sehingga perubahan yang cukup besar pada sinyal input selama proses konversi dapat menimbulkaan kesalahan yang cukup besar.
8. Analog-to-Digital Converter
   A/D Converter melakukan konversi data analog menjadi data digital yang setara. Spesifikasi A/D Converter yang utama adalah ketelitian absolut dan relatif, linieritas, resolusi, kecepatan konversi, stabilitas, no missing code, dan nilai komponen.
   
   Hal lain yang terkait ialah batas tegangan output, output kode digital, teknik interfacing, multiplekser internal, rangkaian signal conditoner, dan memori.
9. Digital-to-Analog Converter
   Data yang telah diproses mengalami pemrosesan, penyimpanan, dan bahkan transmisi secara digital. Mengkonversi kembali dari bentuk digital menjadi betuk analog dilakukan dengan D/A Converter.
10. Prosesor Data Digital
    Prosesor ini mengolah hasil konversi A/D Coverter secara digital.
11. Filter
    Untuk menghilangkan noise yang ada, maka digunakan filter untuk melewatkan sinyal dengan frekuensi yang diinginkan, dan meredam frekuensi yang lain. Filter dapat diwujud secara hardware, maupun secara software.

Congratulations, you have finished Lecture week #02.




[ back ] [ atas ]