Bulan: Oktober 2022

Artikel ini adalah pengembangan dari artikel “Lampu Kedip Dengan Model Finite State Machine“. Pada artikel tersebut pewaktuan 1 detik menggunakan fungsi delay() dari Arduino. Pada artikel ini digunakan Timer 1 untuk mendapatkan perioda 1 detik untuk eksekusi Finite State Machine (FSM).

Spesifikasi

Sistem yang dibuat adalah lampu kedip, dengan perioda 2 detik.

Perangkat Keras

Perangkat lunak dengan Arduino Nano ATmega328. Output dengan LED yang diseri dengan resistor pembatas arus. Nilai resistor tidak kritis. Pada percobaan ini dipakai nilai resistor 1000 ohm. LED disambung ke port D3 pada Arduino Nano.

Model Sistem

Model FSM untuk lampu kedip adalah sebagai berikut.

Perangkat Lunak

Pada sistem ini diperlukan pewaktuan (timing) agar lampu berkedip dengan frekuensi 0,5 Hz. Untuk itu diperlukan FSM yang dihitung/dipanggil setiap 1 detik. Untuk membuat pemanggilan periodik seperti ini dapat dilakukan dengan beberapa cara sebagai berikut:

• delay pada Arduino atau library lain
• interupsi timer
• delay pada Real Time Operating System misal FreeRTOS

Pada implementasi ini yang dibuat adalah menggunakan interupsi Timer 1 pada Arduino.

Model diagram alir (flowchart) perangkat lunak adalah sebagai berikut.

Inisialisasi di fungsi setup() hanya dipanggil sekali.

loop() dapat dikosongkan , karena tidak melakukan apa-apa di situ.

Interupsi Timer 1 dipanggil setiap detik oleh periferal Timer 1 pada Arduino.

Untuk mengaktifkan Timer 1 pada aplikasi ini dipakai modul TimerOne (https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/timerone/).

Modul ini dapat diinstall secara manual, ataupun dari Library Manager di Arduino.

Untuk instalasi manual, unzip isi library ke direktori Arduino/hardware/libraries/Timer1/ 

Untuk instalasi dengan library manager, cari library timerone dari Sketch -> Include Library -> Manage Libraries

Source code dapat dilihat di https://github.com/waskita/embedded/tree/master/kedip/nano-fsm-timer1

Penjelasan isi source code sebagai berikut.

Bagian Awal

#include <TimerOne.h>
#define ON    100
#define OFF   101
#define LED_OUTPUT 3
int state = OFF;

Implementasi Inisialisasi

void setup() {
  int output = 0;
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  pinMode(LED_OUTPUT, OUTPUT);
  Serial.begin(115200);
  fsm_init(&state,&output);
  fsm_output(output);
  Timer1.initialize(1000000); // delay dalam microsecond
  Timer1.attachInterrupt(ISR_Timer1);
}

Implementasi FSM Init

Implementasi ini serupa dengan di artikel “Lampu Kedip Dengan Model Finite State Machine“

void fsm_init(int *state, int *out) {
  *state = OFF;
  *out = 0;
}

Implementasi FSM

Implementasi ini serupa dengan di artikel “Lampu Kedip Dengan Model Finite State Machine“

void fsm(int  *state, int *out) {
  switch (*state) {
    case ON: {
        *state = OFF;
        *out = 0;
        break;
      }
    case OFF: {
        *state = ON;
        *out = 1; // nyalakan output
        break;
      }
  }
}

Implementasi Output FSM

Implementasi ini serupa dengan di artikel “Lampu Kedip Dengan Model Finite State Machine“

void fsm_output(int output_value) {
  if (output_value == 1) {
    digitalWrite(LED_OUTPUT, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(LED_OUTPUT, LOW);
  }
}

Implementasi Interrupt Service Routine (ISR)

Fungsi ini dipanggil setiap kali terjadi interupsi timer 1. Setiap kali ada interupsi, dilakukan hal berikut:

• menghitung transisi state
• mengirim output ke port digital I/O pada Arduino
• mengirim status ke port serial. status ini dipakai untuk debugging / monitoring. Jika dipakai pada sistem sesungguhnya (production), bagian monitoring ini tidak wajib ada.

void ISR_Timer1(void)
{
  int output = 0;
  fsm(&state, &output);
  fsm_output(output);
  Serial.print("state: ");
  Serial.print(state);
  Serial.print(" output: ");
  Serial.print( output);
  Serial.println();
}

Pengujian

Pengujian dilakukan dengan menjalankan program, kemudian mengamati kedipan lampu dan output ke port serial.

Pada output serial akan muncul tampilan seperti berikut ini:

14:40:39.834 -> state: 100 output: 1
14:40:40.812 -> state: 101 output: 0
14:40:41.838 -> state: 100 output: 1
14:40:42.813 -> state: 101 output: 0
14:40:43.834 -> state: 100 output: 1
14:40:44.808 -> state: 101 output: 0
14:40:45.836 -> state: 100 output: 1
14:40:46.813 -> state: 101 output: 0
14:40:47.844 -> state: 100 output: 1
14:40:48.815 -> state: 101 output: 0
14:40:49.835 -> state: 100 output: 1
14:40:50.812 -> state: 101 output: 0

Pada serial monitor Arduino kita dapat mengaktifkan timestamp, sehingga kita dapat mengecek apakah pewaktuan pada sistem ini sudah sesuai dengan yang spesifikasi.

Video

under construction

Pada artikel ini diuraikan pembuatan lampu kedip berbasis mikrokontroler Arduino Nano ATmega328 dengan model Finite State Machine (FSM). Lampu kedip sebenarnya dapat juga dibuat dengan menggunakan model flowchart biasa. Tujuan tulisan ini untuk menunjukkan teknik implementasi FSM yang sederhana. Untuk sistem yang sangat sederhana seperti lampu kedip biasa, penggunaan FSM mungkin berlebihan (overkill). Pada sistem yang kompleks, penggunaan FSM akan sangat memudahkan. Implementasi FSM dalam bentuk perangkat lunak agak rumit, memerlukan latihan. Untuk itu pada artikel ini ditunjukkan tahap implementasi FSM yang sederhana dulu. Setelah dapat memahami artikel ini, dapat dilanjutkan dengan membuat FSM yang lebih kompleks.

Spesifikasi

Sistem yang dibuat adalah lampu kedip, dengan perioda 2 detik.

Perangkat Keras

Perangkat lunak dengan Arduino Nano ATmega328. Output dengan LED yang diseri dengan resistor pembatas arus. Nilai resistor tidak kritis. Pada percobaan ini dipakai nilai resistor 1000 ohm. LED disambung ke port D3 pada Arduino Nano.

Model Sistem

Model FSM untuk lampu kedip adalah sebagai berikut.

Pada sistem ini tidak ada input.

FSM dievaluasi setiap detik.

Notasi FSM pada gambar ini diadopsi dari buku Lee & Seshia “Introduction to Embedded Systems”.

Kondisi awal sistem adalah state OFF, dengan lampu mati. Pada state OFF, state berikutnya adalah ON, tanpa syarat. Maka pada panah dari OFF ke ON diberi syarat ‘true’, artinya transisi ini selalu terjadi tanpa syarat apapun. Transisi ini menyebabkan state berganti menjadi ON, dan lampu output menyala. Output aktif ditandai dengan ‘out=1’.

Pada state ON, state selanjutnya adalah OFF tanpa syarat. Maka syarat transisi dari ON ke OFF adalah ‘true’. Setiap kali transisi ini, output sistem adalah 1, maka ditulis sebagai ‘out=0’.

Perangkat Lunak

Pada sistem ini diperlukan pewaktuan (timing) agar lampu berkedip dengan frekuensi 0,5 Hz. Untuk itu diperlukan FSM yang dihitung/dipanggil setiap 1 detik. Untuk membuat pemanggilan periodik seperti ini dapat dilakukan dengan beberapa cara sebagai berikut:

• delay pada Arduino atau library lain
• interupsi timer
• delay pada Real Time Operating System misal FreeRTOS

Pada implementasi ini yang dibuat adalah menggunakan delay dengan Arduino

Model diagram alir (flowchart) software adalah sebagai berikut.

Implementasi perangkat lunak dapat dilihat di file berikut ini: https://github.com/waskita/embedded/blob/master/kedip/nano-fsm/nano-fsm.ino

Penjelasan isi source code sebagai berikut.

Pendefinisian state

#define ON    100
#define OFF   101

Inisialisasi FSM

void fsm_init(int *state, int *out) {
  *state = OFF;
  *out = 0;
}

Implementasi Finite State Machine

Finite State Machine diimplementasikan di fungsi fsm(). Pada fungsi ini ada 2 state yang ditangani yaitu ON dan OFF. Pemilihan state dilakuan dengan perintah switch() di bahasa C. Pada setiap case diimplementasikan setiap transisi yang ada pada model FSM di atas.

Fungsi ini tidak menggunakan global variabel maupun static variabel, supaya didapat kode yang lebih aman.

Output dari fungsi diberikan dengan passing pointer pada fungsi. Ada 2 parameter yaitu state (state dari FSM) dan out (output). Kedua parameter diberikan menggunakan pointer.

void fsm(int  *state, int *out) {
  switch (*state) {
    case ON: {
        *state = OFF;
        *out = 0;
        break;
      }
    case OFF: {
        *state = ON;
        *out = 1; 
        break;
      }
  }
}

Implementasi FSM ini menggunakan kode C standar yang dapat dijalankan di semua mikrokontroler. Akses ke port output dipisahkan ke fungsi fsm_output(). Tujuannya agar fungsi ini dapat dengan mudah diporting ke mikrokontroler lain.

Inisialisasi sistem

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  pinMode(LED_OUTPUT, OUTPUT);
  Serial.begin(115200);
  int output = 0;
  fsm_init(&state);
  fsm_output(output);
}

Superloop / Main loop

Berikut ini potongan kode dari main loop.

void loop() {
  int output = 0;
  fsm(&state, &output);
  fsm_output(output);
  Serial.print("state: ");
  Serial.print(state);
  Serial.print(" output: ");
  Serial.print( output);
  Serial.println();

  delay(500);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  delay(500);                       //
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
}

Proses yang dilakukan di main loop adalah sebagai berikut:

• Perhitungan nilai state di FSM
• Output ke pin output digital dengan fungsi fsm_output()
• mencetak status FSM ke port serial. Data yang dicetak meliputi state dan output. Jika FSM memiliki input ataupun variabel pada extended state machine, maka nilai-nilai ini juga perlu dicetak.
• Melakukan delay selama 1 detik. Pada implementasi delay ini ditambahkan fitur lampu kedip, sehingga LED_BUILTIN akan berkedip dengan frekuensi sekitar 1 Hz. Lampu kedip 1 Hz ini fungsinya untuk menunjukkan waktu terjadinya perubahan state. Frekuensinya tidak akan tepat sekali di 1 Hz, namun untuk sistem ini sudah dapat dianggap cukup baik.

Output FSM

Fungsi fsm_output() adalah menerjemahkan output dari FSM ke pin output pada mikrokontroler.

void fsm_output(int output_value) {
  if (output_value == 1) {
    digitalWrite(LED_OUTPUT, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(LED_OUTPUT, LOW);
  }
}

Pengujian

Pengujian dilakukan dengan menjalankan program, kemudian mengamati kedipan lampu dan output ke port serial.

Pada output serial akan muncul tampilan seperti berikut ini

11:08:45.511 -> state: 100 output: 1
11:08:46.493 -> state: 101 output: 0
11:08:47.517 -> state: 100 output: 1
11:08:48.492 -> state: 101 output: 0

Dari output serial tersebut dapat diamati perubahan state dan output serta waktu kejadiannya. Dari output di atas dapat disimpulkan bahwa lampu berkedip dengan perioda sekitar 2 detik. Perubahan state juga sesuai dengan model FSM.

Video

Under construction

Pada artikel ini diuraikan pembuatan sistem mikrokontroler dengan lampu yang berkedip dengan duty cycle 10%.

Pada mikrokontroler , lampu kedip dapat dibuat dengan delay ataupun dengan finite state machine (FSM). Pada artikel ini dipakai FSM dengan tujuan mendemonstratikan kemampuan FSM sebagai model untuk membuat perangkat lunak mikrokontroler.

Duty cycle yang diinginkan adalah 10%. Untuk itu maka lampu akan menyala selama 1 satuan waktu, dan lampu mati selama 9 satuan waktu. Lampu menyala selama 1 state , sedangkan lampu mati selama 9 state. Untuk itu dibuat 10 state: 1 state lampu menyala, dan 10 state lampu mati.

Nama state yang dibuat adalah sebagai berikut

• ON
• OFF_1
• OFF_2
• OFF_3
• OFF_4
• OFF_5
• OFF_6
• OFF_7
• OFF_8
• OFF_9

Diagram state chart adalah sebagai berikut

Source code dapat dilihat di file berikut ini: https://github.com/waskita/embedded/tree/master/kedip-duty-cycle/nano-fsm-normal

Berikut ini video demonstrasi lampu kedip tersebut:

Contoh-contoh lain pemodelan dengan FSM dapat dilihat di artikel “Contoh Implementasi FSM dengan mikrokontroler“