Modul 2



MODUL 1

GENERAL INPUT DAN OUTPUT

1. Pendahuluan [Kembali]

Modul 2 ini merupakan tahapan krusial dalam praktikum Mikroprosesor dan Mikrokontroler yang berfokus pada penguasaan fitur-fitur lanjutan sistem tertanam, di mana fokus utama pembahasan mencakup tiga pilar utama dalam pemrosesan data yaitu Pulse Width Modulation (PWM), Analog to Digital Converter (ADC), dan mekanisme Interrupt. Pemahaman mengenai ADC menjadi sangat penting karena sebagian besar fenomena fisik di dunia nyata bersifat analog dan kontinu, sehingga tanpa adanya fitur ini, sebuah mikrokontroler digital tidak akan mampu membaca nilai dari sensor-sensor seperti potensiometer, suhu, maupun cahaya. ADC bekerja dengan cara melakukan sampling terhadap tegangan analog masuk dan mengubahnya menjadi nilai diskret dalam bentuk kode-kode biner, yang pada mikrokontroler STM32 memiliki resolusi 12-bit sehingga memungkinkan pemetaan sinyal menjadi nilai antara 0 hingga 4095 dengan tingkat presisi yang sangat baik. Selain membaca input, praktikan juga dituntut untuk mampu mengendalikan output secara fleksibel menggunakan metode PWM, sebuah teknik manipulasi sinyal digital agar berperilaku seolah-olah seperti sinyal analog melalui pengaturan duty cycle untuk mengatur besarnya daya rata-rata yang disalurkan ke beban. Implementasi PWM sangat luas, mulai dari pengaturan kecerahan LED hingga pengendalian kecepatan motor DC secara halus, sehingga menjadikannya kunci dalam memahami interaksi sistem digital dengan komponen output. Di sisi lain, sistem tertanam yang efisien harus mampu menangani kejadian eksternal secara cepat tanpa harus menunggu proses utama selesai, di mana peran Interrupt muncul sebagai solusi untuk meningkatkan responsivitas program melalui penghentian sementara eksekusi utama guna menjalankan fungsi khusus saat ada pemicu eksternal maupun internal. Mekanisme ini jauh lebih efisien dibandingkan metode polling yang memboroskan siklus kerja prosesor, sehingga dengan mengombinasikan ADC, PWM, dan Interrupt, praktikan dapat membangun sistem kendali yang cerdas, responsif, dan hemat daya. Melalui modul ini, praktikan akan mempelajari konfigurasi register dan penggunaan Hardware Abstraction Layer (HAL), melibatkan pengaturan kanal ADC serta konfigurasi timer untuk menghasilkan sinyal PWM yang stabil, sambil tetap memperhatikan prioritas interupsi agar tidak terjadi konflik data. Modul ini juga bertujuan melatih logika berpikir dalam memecahkan masalah integrasi perangkat keras dan lunak, memberikan pengalaman langsung dalam menangani sinyal listrik yang kompleks, serta membangun fondasi kuat untuk proyek akhir di bidang teknik elektro. Praktikan diharapkan dapat menganalisis hasil simulasi dan membandingkannya dengan pengujian perangkat keras secara langsung, mengingat kesalahan konfigurasi sekecil apa pun dapat berakibat pada ketidakstabilan sistem atau ketidakvalidan data. Oleh karena itu, ketelitian dalam memahami dasar teori serta prosedur praktikum sangatlah mutlak diperlukan agar pendahuluan ini dapat memberikan gambaran menyeluruh mengenai urgensi dan tujuan besar dari pelaksanaan praktikum Modul 2 ini.


2. Tujuan [Kembali]

a) Memahami cara penggunaan PWM, ADC, dan Interrupt pada Development Board yang digunakan

b) Memahami cara menggunakan komponen input dan output yang
mengimplementasikan PWM, ADC, dan Interrupt pada Development Board
yang digunakan

3. Alat dan Bahan [Kembali]

1. Supply 




2. Resistor


3. Push Button




4. Switch



5. Buzzer





6. LED 




7. Relay




8. Breadboard


9. Heart Beat Sensor





10. PIR Sensor




11. Infrared Sensor




12. Motor Servo








13. STM 32 NUCLEO G474RE

 


14. STM32F103C8




 


4. Dasar Teori [Kembali]

1.3.1 ADC
ADC atau Analog to Digital Converter merupakan salah satu perangkat elektronika yang digunakan sebagai penghubung dalam pemrosesan sinyal analog oleh sistem digital. Fungsi utama dari fitur ini adalah mengubah sinyal masukan yang masih dalam bentuk sinyal analog menjadi sinyal digital dengan bentuk kode-kode digital.

Pada mikrokontroler STM32, terdapat dua ADC (Analog-to-Digital Converter) 12-bit yang masing-masing memiliki hingga 16 kanal eksternal. ADC ini dapat beroperasi dalam mode single-shot atau scan mode. Pada scan mode, konversi dilakukan secara otomatis pada sekelompok input analog yang dipilih. Selain itu, ADC ini memiliki fitur tambahan seperti simultaneous sample and hold, interleaved sample and hold, serta single shunt. ADC juga dapat dihubungkan dengan DMA untuk meningkatkan efisiensi transfer data. Mikrokontroler ini dilengkapi dengan fitur analog watchdog yang memungkinkan pemantauan tegangan hasil konversi dengan akurasi tinggi, serta dapat menghasilkan interupsi jika tegangan berada di luar ambang batas yang telah diprogram. Selain itu, ADC dapat disinkronkan dengan timer internal (TIMx dan TIM1) untuk memulai konversi, pemicu injeksi, serta pemicu DMA, sehingga memungkinkan aplikasi untuk melakukan konversi ADC secara terkoordinasi dengan timer.

Pada STM32 Nucleo G474RE, terdapat blok ADC (Analog-to-Digital Converter) yang digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi data digital. STM32 G474RE memiliki beberapa unit ADC (seperti ADC1, ADC2, ADC3, dan ADC4) yang memungkinkan proses konversi dilakukan secara paralel untuk meningkatkan kecepatan akuisisi data. Setiap ADC mendukung resolusi hingga 12-bit, dengan fitur tambahan seperti oversampling untuk meningkatkan akurasi dan mengurangi noise pada sinyal. Setiap unit ADC dapat mengakses banyak channel input yang terhubung ke berbagai pin GPIO, sehingga memungkinkan pembacaan berbagai sensor secara fleksibel. ADC pada STM32 G474RE juga dilengkapi dengan fitur scan mode untuk membaca beberapa channel secara berurutan, serta mode continuous conversion yang memungkinkan pembacaan data secara terus-menerus tanpa intervensi CPU. Selain itu, terdapat injected channel yang berfungsi sebagai channel prioritas untuk kebutuhan real-time. ADC ini juga mendukung berbagai sumber trigger, seperti timer (TIM) atau sinyal eksternal, sehingga dapat disinkronkan dengan modul lain seperti PWM untuk aplikasi kontrol tertutup (closed-loop). Proses konversi dilakukan melalui tahap sampling dan quantization, dengan hasil akhir disimpan pada register data ADC. Dengan fitur-fitur tersebut, ADC pada STM32 G474RE sangat cocok digunakan dalam aplikasi seperti pembacaan sensor, monitoring tegangan, serta sistem kendali berbasis sinyal analog yang membutuhkan kecepatan dan presisi tinggi.

1.3.2 PWM
PWM (Pulse Width Modulation) adalah salah satu teknik modulasi dengan mengubah lebar pulsa (duty cylce) dengan nilai amplitudo dan frekuensi yang tetap. Satu siklus pulsa merupakan kondisi high kemudian berada di zona transisi ke kondisi low. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi.

Duty Cycle adalah perbandingan antara waktu ON (lebar pulsa High) dengan perioda. Duty Cycle biasanya dinyatakan dalam bentuk persen (%).


Gambar 1. Duty Cycle

Duty Cycle = tON / ttotal
Ton = Waktu ON atau Waktu dimana tegangan keluaran berada pada posisi tinggi (high atau 1)
Toff = Waktu OFF atau Waktu dimana tegangan keluaran berada pada posisi rendah (low atau 0)
Ttotal = Waktu satu siklus atau penjumlahan antara Ton dengan Toff atau disebut juga dengan “periode satu gelombang”

PWM pada STM32 dihasilkan menggunakan timer internal yang berfungsi sebagai penghitung waktu dengan berbagai mode operasi. Mikrokontroler ini memiliki empat timer 16-bit (TIM1–TIM4), yang dapat dikonfigurasi untuk menghasilkan sinyal dengan frekuensi dan duty cycle tertentu. Timer bekerja dengan menghitung hingga nilai tertentu berdasarkan frekuensi clock, lalu mengubah status register untuk menghasilkan gelombang persegi. STM32 memiliki 15 pin yang mendukung PWM, beberapa di antaranya berasal dari timer tingkat lanjut seperti TIM1, yang memiliki fitur tambahan seperti complementary output. Selain menghasilkan sinyal PWM, timer juga bisa digunakan untuk mengukur sinyal eksternal (input capture), menghasilkan sinyal berbasis waktu (output compare), dan membuat satu pulsa berdasarkan trigger (one pulse mode). PWM sering digunakan untuk mengontrol kecepatan motor, mengatur kecerahan LED, dan berbagai aplikasi berbasis waktu lainnya.

Pada STM32 Nucleo G474RE, PWM dihasilkan melalui blok timer (TIM) yang terdiri dari beberapa jenis, seperti advanced-control timer (TIM1, TIM8), general-purpose timer (TIM2–TIM5), dan basic timer. Setiap timer memiliki beberapa channel yang dapat digunakan untuk menghasilkan sinyal PWM, sehingga memungkinkan banyak output PWM dikendalikan secara bersamaan pada berbagai pin GPIO. Timer pada STM32 G474RE umumnya memiliki resolusi hingga 16-bit atau lebih (tergantung jenis timer), dilengkapi dengan prescaler untuk pengaturan frekuensi yang presisi, serta register pembanding (CCR) untuk mengatur duty cycle dari 0–100%. Selain itu, setiap channel PWM dapat dikonfigurasi secara independen, baik dalam mode edge-aligned maupun center-aligned, sehingga cocok untuk aplikasi seperti kontrol motor dan konversi daya. STM32 G474RE juga mendukung fitur lanjutan seperti complementary output, dead-time insertion, break input, dan sinkronisasi antar timer, yang sangat penting dalam sistem power electronics dan inverter. Pengaturan PWM dapat dilakukan secara fleksibel melalui register timer atau menggunakan library seperti HAL/LL, serta dapat diaktifkan atau dihentikan secara terpusat, memungkinkan sinkronisasi beberapa sinyal PWM untuk aplikasi yang lebih kompleks dan presisi tinggi.

1.3.3 INTERRUPT
Interrupt adalah mekanisme yang memungkinkan suatu instruksi atau perangkat I/O untuk menghentikan sementara eksekusi normal prosesor agar dapa diproses lebih dulu seperti memiliki prioritas tertinggi. Misalnya, saat prosesor menjalankan tugas utama, ia juga dapat terus memantau apakah ada kejadian atau sinyal dari sensor yang memicu interrupt. Ketika terjadi interrupt eksternal, prosesor akan menghentikan sementara tugas utamanya untuk menangani interrupt terlebih dahulu, kemudian melanjutkan eksekusi normal setelah selesai menangani interrupt tersebut. Fungsi yang menangani interrupt disebut Interrupt Service Routine (ISR), yang dieksekusi secara otomatis setiap kali interrupt terjadi.

Pada STM32F103C8, semua pin GPIO dapat digunakan sebagai pin interrupt, berbeda dengan Arduino Uno yang hanya memiliki pin tertentu (misalnya pin 2 dan 3). Untuk mengaktifkan interrupt di STM32 menggunakan Arduino IDE, digunakan fungsi attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), ISR, mode). Parameter pin menentukan pin mana yang digunakan untuk interrupt, ISR adalah fungsi yang dijalankan saat interrupt terjadi, dan mode menentukan jenis perubahan sinyal yang memicu interrupt. Mode yang tersedia adalah RISING (dari LOW ke HIGH), FALLING (dari HIGH ke LOW), dan CHANGE (baik dari LOW ke HIGH maupun HIGH ke LOW). Saat menggunakan lebih dari satu interrupt secara bersamaan, terkadang perlu memperhatikan batasan tertentu dalam pemrograman.

Pada STM32 Nucleo G474RE, sistem interrupt merupakan mekanisme yang memungkinkan mikrokontroler merespons suatu kejadian (event) secara langsung tanpa harus terus-menerus melakukan polling. Dengan interrupt, CPU dapat menghentikan sementara proses utama untuk menjalankan fungsi khusus yang disebut Interrupt Service Routine (ISR), sehingga meningkatkan efisiensi dan respons sistem secara real-time. STM32 G474RE menggunakan NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller) untuk mengatur berbagai sumber interrupt, seperti dari timer (TIM), ADC, UART, GPIO (external interrupt), dan periferal lainnya. Setiap sumber interrupt memiliki prioritas tertentu yang dapat diatur, sehingga memungkinka penanganan beberapa interrupt secara bersamaan (nested interrupt). Selain itu, sistem ini mendukung preemption dan subpriority untuk pengelolaan interrupt yang lebih kompleks. Interrupt dapat dipicu oleh berbagai kondisi, seperti perubahan logika pada pin GPIO (EXTI), selesainya konversi ADC, overflow pada timer, atau penerimaan data komunikasi. Ketika interrupt terjadi, program akan lompat ke ISR yang sesuai, kemudian setelah selesai, eksekusi akan kembali ke program utama. STM32 G474RE juga menyediakan fitur enable/disable interrupt secara fleksibel melalui register maupun library seperti HAL.

Dengan adanya interrupt, STM32 G474RE sangat cocok untuk aplikasi real-time seperti sistem kendali, monitoring sensor, komunikasi data, dan otomasi, karena mampu merespons kejadian penting dengan cepat tanpa membebani CPU secara terus-menerus.

1.3.4 STM32 NUCLEO G474RE
STM32 NUCLEO-G474RE merupakan papan pengembangan (development board) berbasis mikrokontroler STM32G474RET6 yang dikembangkan oleh STMicroelectronics. Board ini dirancang untuk memudahkan proses pembelajaran, pengujian, dan pengembangan aplikasi sistem tertanam (embedded system), baik untuk pemula maupun tingkat lanjut. STM32 Nucleo-G474RE mengintegrasikan antarmuka ST-LINK debugger/programmer secara onboard sehingga pengguna dapat langsung melakukan pemrograman dan debugging tanpa perangkat tambahan. Adapun spesifikasi dari STM32 NUCLEO-G474RE adalah sebagai berikut:





1.3.5 STM32F103C8
STM32F103C8 adalah mikrokontroler berbasis ARM Cortex-M3 yang dikembangkan oleh STMicroelectronics. Mikrokontroler ini sering digunakan dalam pengembangan sistem tertanam karena kinerjanya yang baik, konsumsi daya yang rendah, dan kompatibilitas dengan berbagai protokol komunikasi. Pada praktikum ini, kita menggunakan STM32F103C8 yang dapat diprogram menggunakan berbagai metode, termasuk komunikasi serial (USART), SWD (Serial Wire Debug), atau JTAG untuk berhubungan dengan komputer maupun perangkat lain. Adapun spesifikasi dari STM32F4 yang digunakan dalam praktikum ini adalah sebagai berikut:




Komentar

Posting Komentar