Perbedaan Arduino dan Mikrokontroler

Arduino adalah kerangka kerja untuk membuat sistem elektronik open-source yang meliputi sejumlah perangkat keras dan perangkat lunak. Sebagian perangkat keras Arduino menggunakan prosesor/mikrokontroler dari keluarga ATmega.

Mikrokontroler adalah komputer kecil pada suatu keping rangkaian integrasi (integrated circuit/IC) terpadu. Pada mikrokontrole sudah ada CPU (Central Processing Unit) , memori dan periferal. Mikrokontroler umumnya dirancang untuk aplikasi yang tertanam di perangkat lain, atau dikenal dengan istilah ‘embedded system’.

Perangkat keras Arduino menggunakan mikrokontroler, namun tidak semua mikrokontroler adalah bagian dari Arduino

Berikut ini contoh mikrokontroler ATmega8535 yang tidak termasuk Arduino.

Perangkat Keras Arduino

Berikut ini contoh perangkat keras Arduino yang menggunakan mikrokontroler dari keluarga ATmega

Nama Prosesor  
Arduino Nano Every ATmega4809  
Arduino Nano ATmega328  
Arduino UNO ATmega328  
Arduino Mega 2560 ATmega2560  
Arduino Leonardo ATmega32u4  

Berikut ini contoh perangkat keras Arduino yang tidak menggunakan mikrokontroler ATmega.

Nama Prosesor  
Arduino Nano 33 IoT SAMD21 Cortex®-M0+ 32bit low power ARM MCU  
Arduino Nano RP2040 Connect Raspberry Pi® RP2040  
Arduino Nano 33 BLE Sense nRF52840  

Berikut ini contoh mikrokontroler yang tidak termasuk pada sistem Arduino:

  • ATmega8535
  • ATmega8
  • ATmega16
  • ATmega32

Mikrokontroler Secara Umum

Mikrokontroler adalah komputer kecil pada suatu keping rangkaian integrasi (integrated circuit/IC) terpadu. Pada mikrokontrole sudah ada CPU (Central Processing Unit) , memori dan periferal. Mikrokontroler umumnya dirancang untuk aplikasi yang tertanam di perangkat lain, atau dikenal dengan istilah ‘embedded system’.

Pada masa lalu, mikrokontroler umumnya dibuat dalam 1 keping chip. Pada saat ini mulai dikenal konsep SoC (System on a Chip). SoC ini menggabungkan keping silikon berisi mikrokontroler dengan komponen-komponen lain yang lebih kompleks, misalnya GPU (Graphical Processing Unit) ataupun antarmuka WiFi.

Mikrokontroler digunakan dalam berbagai produk dan perangkat yang dikontrol secara otomatis, seperti sistem kontrol mesin mobil, perangkat medis, remote control, mesin kantor, alat rumah tangga, perkakas listrik, mainan, dan sistem tertanam (embedded) lainnya. Desain dengan mikrokontroler lebih ekonomis daripada mikroprosesor karena pada mikrokontroler memori dan perangkat input/output dapat digabung dalam 1 chip, sedangkan pada mikroprosesor memori dan perangkat input/output harus ditambahkan pada chip terpisah.

Mikrokontroler ada murni digital, ada juga yang campuran antara sinyal digital dan analog. Dalam konteks internet of things (IoT), mikrokontroler adalah teknik pengumpulan data yang ekonomis dan populer, mengukur dan mengendalikan dunia fisik sebagai perangkat ‘komputasi tepi’. Kontras dari ‘komputasi tepi’ adalah ‘komputasi awan’ atau ‘cloud computing’, di mana data & informasi dikumpulkan secara terpusat untuk kemudian semua data diolah secara terpusat.

Referensi

 

Pengertian Sistem Embedded

Pengertian Sistem Embedded pada dunia elektronika adalah “sistem pengolah informasi yang menyatu di dalam suatu produk“.

Definisi Sistem Embedded

Istilah “embedded” adalah istilah dalam bahasa Inggris dengan arti sebagai berikut:

1.occurring as a grammatical constituent (such as a verb phrase or clause) within a like constituent

2.enclosed closely in or as if in a matrix : set firmly into a mass or material

3.attached to a military unit or group for some purpose (such as covering a conflict or providing expert advice)

sumber: “Embedded.” Merriam-Webster.com Dictionary, Merriam-Webster, https://www.merriam-webster.com/dictionary/embedded 

Arti yang paling dekat dengan arti embedded pada dunia elektronika adalah arti nomor 2, yang artinya kurang lebih “sesuatu yang menyatu atau tertanam di dalam benda lain”. Terjemahan langsung istilah ‘embedded’ adalah ‘tertanam’.

Definisi berikut diambil dari buku “Peter Marwedel, Embedded System Design 3rd edition, Springer 2018, halaman 2″

Embedded systems are information processing systems embedded into enclosing products

Pada pengertian ini embedded system adalah suatu system pengolah informasi yang digabungkan atau ditanamkan ke suatu produk atau benda lain. Sistem pengolah informasi di sini tidak harus berupa komputer atau mikroprosesor.

Tertanam atau menyatu di sini berarti bagi orang yang melihat produk hanya melihat produk saja, tidak lagi melihat prosesor di dalamnya sebagai suatu benda yang terpisah.

Berikut ini beberapa definisi menurut literatur lain.

  • An embedded system is any application where a dedicated computer is built right into the system” [Jack Ganssle, The Art of Designing Embedded Systems, 2nd Edition, Newnes, 2008]
  • An application that contains at least one programmable computer (uC, uP or DSP) and which is used by individuals who are in the main, unaware that the system is computer based. [ Pont, M.J. , Patterns for Time Triggered Embedded Systems, (2001)]
  • Any computer system hidden in any products , [David E. Simon, An Embedded Software Primer ,Addison-Wesley Professional; 1st edition (1999)]

Definisi ini menyebutkan secara spesifik bahwa sistem embedded adalah mikroprosesor, dapat berupa mikroprosesor biasa, mikrokontroler ataupun mikropsesor dari jenis digital signal processor

Komputer Umum

Sistem komputer ada yang umum (general purpose) dan embedded. Pada sistem komputer yang umum, kita masih dapat mengenali bahwa benda tersebut adalah sebuah komputer. Dari spesifikasinya biasanya berdasarkan fitur-fitur komputer, seperti kecepatan CPU (Central Processing Unit), ukuran memori dan ukuran storage. Sedangkan pada sistem embedded, biasanya spesifikasinya tidak menampilkan kemampuan komputer yang dipakai di dalamnya, namun hanya menampilkan kemampuan produknya.

Berikut ini beberapa jenis sistem komputer umum:

  1. Desktop Personal Computer
  2. Notebook atau Laptop
  3. Mobile: Smartphone dan tablet
  4. information processing: web server, server database

Berikut ini ilustrasi komputer desktop  (sumber)

Contoh komputer desktop
Contoh komputer desktop

 

Komputer Laptop
Komputer Laptop
Smartphone
Smartphone

Contoh Spesifikasi Komputer Umum

Berikut ini contoh spesifikasi laptop. Perhatikan bahwa disebut jelas tentang kemampuan CPU, memori dan storage dari laptop tersebut.

Thinkpad T495
Thinkpad T495
Spesifikasi Thinkpad T495
Spesifikasi Thinkpad T495

Contoh Produk Dengan Sistem Embedded

Berikut ini contoh mesin cuci tipe front loading otomatis. Di dalam mesin cuci ini ada mikroprosesor untuk mengendalikan semua pekerjaan mesin cuci tersebut. Namun dalam spesifikasinya sama sekali tidak disebut tentang kemampuan mikroprosesornya tersebut.

Mesin cuci Panasonic ECONAVI 8 kg
Mesin cuci Panasonic ECONAVI 8 kg

Spesifikasi:

Spesifikasi mesin cuci Panasonic

Sumber: https://www.panasonic.com/au/support/product-archives/household/laundry-irons/washing-machines/na-148vg4wau.specs.html

Sistem Mikroprosesor dan Sistem Embedded

Berikut ini diagram blok suatu sistem mikroprosor. Komponen utama pada suatu mikroprosesor adalah CPU (Central Processing Unit), memori (RAM, ROM, Flash Memory, EEPROM, EPROM, NVRAM) , Input Output dan bus mikroprosesor.

Diagram blok sistem mikroprosesor
Diagram blok sistem mikroprosesor

Arti dari sistem mikroprosesor sangat mirip dengan system embedded.

Ketika kita bicara system mikroprosesor, biasanya konteksnya kita membahas struktur susunan sistem mikroprosesor, yang terdiri dari CPU, memori dan input output.

Ketika kita membicarakan system embedded, biasanya konteksnya adalah system mikroprosesor ini akan dijadikan bagian dari suatu produk lain.

Di banyak literatur, istilah ‘sistem mikroprosesor’ sinonim dengan ‘sistem embedded’. Pada buku literatur yang baru-baru, misalkan Ketika kita mencari referensi tentang Arduino, yang merupakan mikroprosesor, seringkali judul bukunya mengandung kata ‘embedded’.

Namun perlu diingat juga bahwa tidak semua system embedded menggunakan mikroprosesor, seperti definisi yang sudah disebut di awal. Di bukunya, Peter Marwedel mencontohkan ada system embedded yang menggunakan FPGA (field programmable Gate Array) sebagai pengolah informasi. FPGA ini adalah rangkaian digital yang terdiri dari gerbang rangkaian logika dan memori, yang disusun sebagai pengolah informasi. Untuk kuliah ini kita hanya focus ke system embedded yang menggunakan mikroprosesor.

Referensi

  • Desktop computer https://en.wikipedia.org/wiki/Desktop_computer
  • Laptop computer https://en.wikipedia.org/wiki/Laptop
  • Smartphone https://en.wikipedia.org/wiki/Smartphone
  • “Embedded.” Merriam-Webster.com Dictionary, Merriam-Webster, https://www.merriam-webster.com/dictionary/embedded 
  • Peter Marwedel, Embedded System Design 3rd edition, Springer 2018
  • Jack Ganssle, The Art of Designing Embedded Systems, 2nd Edition, Newnes, 2008
  • Pont, M.J. , Patterns for Time Triggered Embedded Systems, (2001)
  • David E. Simon, An Embedded Software Primer ,Addison-Wesley Professional; 1st edition (1999)

 

 

Sumber Clock pada Rangkaian Elektronik

Beberapa rangkaian elektronik memerlukan clock dengan frekuensi tertentu untuk dapat bekerja, contohnya adalah sistem mikroprosesor/mikrokontroler dan rangkaian digital sinkron. Pada artikel ini diuraikan beberapa sumber clock dengan berbagai akurasi.

Secara ringkas sumber clock yang umum dipakai adalah sebagai berikut

  • Osilator berbasis induktor/kapasitor
  • Osilator berbasis kristal: kristal saja, kristal dengan kompensasi temperatur (TCXO dan MCXO), kristal dengan oven (OCXO), kristal dengan GPS (GPSDO)

Osilator Berbasis Induktor / Kapasitor

Osilator menghasilkan gelombang sinusoidal dengan frekuensi tertentu. Umumnya osilator dibuat dengan komponen pasif resistor, induktor dan kapasitor, serta komponen aktif transistor ataupun op-amp.

Frekuensi sinyal yang dihasilkan pada rangkaian jenis ini tergantung pada nilai induktor / kapasitor yang dipakai. Nilai induktor/kapasitor ini dapat berubah karena waktu ataupun pengaruh temperatur, sehingga frekuensi sinyal yang dihasilkan juga berubah, maka ketepatan frekuensi yang dihasilkan rendah.

Berikut ini contoh rangkaian osilator dengan komponen aktif transistor [sumber].

Osilator dengan transistor

Berikut ini adalah contoh relaxation oscillator dengan komponen aktif op-amp. [sumber]

Osilator dengan op-amp

 

Osilator Berbasis Kristal

Pada osilator jenis ini, sinyal clock dihasilkan menggunakan bahan piezoelektrik yang bergetar dengan suatu frekuensi tertentu. Frekuensi getaran pada bahan piezoelektrik ditentukan oleh ukurannya, sehingga frekuensi sinyal yang dihasilkan dapat sangat tepat.

Nilai frekuensi kristal umumnya dinyatakan untuk temperatur tertentu. Ukuran fisik kristal terpengaruh oleh temperatur, jadi jika temperatur berubah, maka frekuensi sinyal clock yang dihasilkan juga berubah.

Berikut ini contoh komponen kristal [sumber]

Kristal 12 MHz dan resonator 18.083 MHz

Berikut ini contoh bentuk fisik kristal [sumber]

Untuk dapat menghasilkan sinyal clock, kristal masih perlu disambung dengan beberapa komponen. Contoh rangkaian osilator berbasis kristal misalnya sebagai berikut [sumber]

Osilator Colpitts Crystal

Pada kebanyakan mikrokontroler, sudah disiapkan rangkaian clock di dalam mikrokontroler tersebut, sehingga untuk mengaktifkan kristal cukup disambung ke mikrokontroler dan ditambahkan 2 buah kapasitor. Nilai kapasitor umumnya disesuaikan dengan jenis & ukuran kristal yang digunakan, dan sudah ditentukan di datasheet mikrokontroler tersebut. [sumber]

Osilator kristal untuk mikrokontroler/mikroprosesor

Osilator Kristal Dengan Kompensasi Temperatur

Osilator kristal biasa mempunyai kelemahan, yaitu nilai frekuensinya masih berubah terhadap temperatur. Untuk mengatasi hal tersebut, dapat digunakan kristal yang frekuensinya dikompensasi terhadap perubahan temperatur. Komponen ini disebut sebagai Temperature Compensated Crystal (TCXO). Pada TCXO, kompensasi dilakukan secara analog dengan menambahkan rangkaian tertentu.

Ada juga kompensasi yang dilakukan secara digital dengan menambahkan mikroprosesor, dengan teknologi Microcontroller Compensation (MCXO).

TCXO dan MCXO sudah tersedia dalam bentuk modul, sehingga memudahkan untuk dipakai.

Contoh TCXO yang populer dipakai sebagai real time clock adalah DS3231 dari Maxim Integrated. DS3231 ini banyak dijual dalam bentuk modul yang sudah dilengkapi dengan batere Lithium sehingga waktu yang disimpan di dalamnya tidak hilang jika sumber listrik dimatikan.

Real Time Clock DS3231
TCXO TG2520SMN dari Epson

Sumber

MCXO MX-503 dari Microsemi (Microchip)

Osilator Kristal Dengan Pengendalian Temperatur (OCXO)

Pada osilator jenis ini, sebagai sumber frekuensi digunakan kristal yang temperaturnya dijaga dengan suatu sistem pengendalian temperatur. Sistem ini disebut juga sebagai Crystal Oven ataupun Oven Controlled Crystal Oscillator (OCXO)

Dimensi OCXO cukup besar, karena di dalamnya mesti ada rangkaian pemanas, pengendali temperatur dan isolator supaya temperatur stabil.

Bentuk fisik OCXO
Bentuk fisik OCXO

Perbandingan ketepatan osilator kristal dapat dilihat pada tabel berikut [sumber]

Perbandingan osilator

Osilator Kristal Dengan GPS

Jika ketepatan kristal OCXO masih kurang, maka ketepatannya masih dapat ditingkatkan dengan menggunakan bantuan sinyal GPS. Sistem ini disebut sebagai GPS Clock atau GPS disciplined oscillator (GPSDO).

Blok diagram sistem GPSDO adalah sebagai berikut [sumber]

Blok diagram GPSDO
Blok diagram GPSDO
Bentuk fisik GPSDO
Bentuk fisik GPSDO

Referensi