Percobaan Penjadwal Periodik Dengan FreeRTOS pada Arduino Nano

Pada percobaan ini dilakukan penjadwalan untuk sebuah task periodik pada sistem operasi FreeRTOS. Mikroprosesor yang dipakai adalah Arduino Nano (ATmega328).

Pengukuran akan dilakukan dengan video dengan kecepatan 25 frame per detik, sehingga pemilihan waktu eksekusi dan periode tidak boleh terlalu kecil. Untuk percobaan dipilih waktu eksekusi 4 detik, dengan perioda task adalah 10 detik.

Task 4 detik dibuat menggunakan TaskDummy yang sudah dibuat di percobaan sebelumnya. Pemilihan waktu 4 detik dapat dilakukan dengan menggunakan parameter fungsi yang sesuai.

Perangkat Keras

Perangkat keras yang digunakan adalah Arduino Nano dengan 2 buah LED terhubung ke pin 2 dan pin 3.

Implementasi Program

Berikut ini source code percobaan tersebut.

// 1 task periodik dengan FreeRTOS Arduino Nano (ATmega328)
// template umum FreeRTOS di Arduino Nano  https://github.com/feilipu/Arduino_FreeRTOS_Library/blob/master/examples/AnalogRead_DigitalRead/AnalogRead_DigitalRead.ino
// contoh pemakaian vTaskDelayUntil dan xTaskGetTickCount dari https://github.com/feilipu/avrfreertos/blob/master/MegaBlink/main.c

#include "Arduino_FreeRTOS.h"
#include <semphr.h>

#define LED1  2
#define LED2  3

static void TaskBlinkLED1(void *pvParameters);

// task handle diperlukan jika ingin mengakses parameter suatu task. optional
TaskHandle_t xHandle1 = NULL;

void TaskDummy(int LED_A, int LED_B, long int counter) {
  long int i;
  for (i = 0; i < counter; i++) {
    cli();
    digitalWrite(LED_A, LOW);
    digitalWrite(LED_B, HIGH);
    sei();
    asm("nop");
    cli();
    digitalWrite(LED_A, HIGH);
    digitalWrite(LED_B, LOW);
    sei();
    asm("nop");
  }
  digitalWrite(LED_A, LOW);  // matikan semua LED
  digitalWrite(LED_B, LOW);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Start");
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED1, OUTPUT);
  pinMode(LED2, OUTPUT);
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

  xTaskCreate(
    TaskBlinkLED1
    ,  "TaskBlinkLED1"  // A name just for humans
    ,  100  // This stack size can be checked & adjusted by reading the Stack Highwater
    ,  NULL
    ,  2  // Priority, with 3 (configMAX_PRIORITIES - 1) being the highest, and 0 being the lowest.
    ,  &xHandle1 );
}

void loop() {
}

static void TaskBlinkLED1(void *pvParameters) // Main Red LED Flash
{
  TickType_t xLastWakeTime;
  /* The xLastWakeTime variable needs to be initialised with the current tick
    count.  Note that this is the only time we access this variable.  From this
    point on xLastWakeTime is managed automatically by the vTaskDelayUntil()
    API function. */
  xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
  while (1)
  {
    Serial.println(millis());
    Serial.println(xLastWakeTime); // cetak last wake time, untuk debugging. hanya untuk slow system

    TaskDummy(LED1, LED2, 10000L / 0.172 * 4 ); // 4 detik waktu eksekusi
    vTaskDelayUntil( &xLastWakeTime, ( 10000L / portTICK_PERIOD_MS ) ); // 10 detik perioda

  }
}

Pengukuran Dengan Video

Pengukuran dilakukan dengan merekam kedipan LED selama kurang lebih 30 detik. Kecepatan frame video yang dihasilkan adalah 25 frame per detik.

Berikut ini rekaman video lampu kedip yang dihasilkan.

Analisis frame per frame dilakukan dengan menggunakan aplikasi DaVinci Resolve 16.

Video dapat ditampilkan dengan mode “Media”,  “Cut” maupun “Timeline”. DaVinci Resolve secara default menampilkan waktu dalam format HH:MM:SS, namun tampilan ini dapat diubah menjadi tampilan nomor frame untuk memudahkan analisis.

Berikut ini hasil analisis video LED tersebut:

Transisi	Frame
OFF -> ON	161
ON -> OFF	262
OFF->ON	432
ON->OFF	534
OFF->ON	704
ON->OFF	805
OFF->ON	975

Analisis durasi waktu eksekusi

• 262-161 = 101 frame = 4,04 detik
• 534-432=102 frame =  4,08 detik
• 805-704 = 101 frame = 4,04 detik.

Analisis Perioda Task

• 432-161= 271 frame = 10.85 detik
• 534-262= 272 frame = 10.88 detik
• 704-432= 272 frame= 10.88 detik
• 805-534= 271 frame = 10.85 detik
• 975-704= 271 frame= 10.85 detik

Durasi atau waktu eksekusi adalah 4,04 detik ~ 4,08 detik

Periode Task yang terukur adalah antara 10.85 detik sampai 10.88 detik.

Pengukuran Dengan Osiloskop

Sebagai perbandingan juga dilakukan pengukuran tegangan pada LED dengan osiloskop. Berikut ini rekaman video pengukuran dengan osiloskop

Berikut ini pengukuran perioda task dengan menggunakan fitur cursor  pada osiloskop.

Dari hasil pengukuran perioda didapatkan angka 10,80 detik. Hasil ini cukup  sesuai dengan analisis frame video.

Berikut ini pengukuran durasi task.

Didapatkan hasil angka durasi task adalah 4,1 detik, cukup mendekati angka 4,08 detik dari hasil analisis frame.

Analisis

Dari hasil perhitungan di atas, dapat didapatkan bahwa

• durasi eksekusi dari TaskDummy sudah cukup mendekati hasil yang diinginkan
• durasi perioda task berbeda cukup jauh , sekitar 8%

Dari hasil studi literatur didapatkan bahwa Timer Tick pada library FreeRTOS di Arduino Nano yang dipakai menggunakan osilator pada WDT (Watch Dog Timer). Osilator WDT ini menurut literatur datasheet tidak menggunakan kristal, dan periodanya tergantung dengan temperatur ruangan. Jadi perbedaan periode dari seharusnya 10 detik menjadi 10.8 detik dapat dijelaskan.

Referensi

• Perangkat lunak DaVinci Resolve dari BlackMagic Design https://www.blackmagicdesign.com/products/davinciresolve
• Template umum FreeRTOS di Arduino Nano https://github.com/feilipu/Arduino_FreeRTOS_Library/blob/master/examples/AnalogRead_DigitalRead/AnalogRead_DigitalRead.ino
• Contoh pemakaian vTaskDelayUntil dan xTaskGetTickCount dari https://github.com/feilipu/avrfreertos/blob/master/MegaBlink/main.c