Sistem Komunikasi Serial (UART, SPI, I2C) pada Mikrokontroler

Pengantar Komunikasi Serial dan Tipe-Tipe Komunikasi (UART, SPI, I2C)

1. Pengertian Komunikasi Serial Komunikasi serial adalah metode pengiriman data di mana bit-bit data dikirim satu per satu melalui satu jalur (line) atau saluran komunikasi. Metode ini banyak digunakan dalam perangkat mikrokontroler untuk berkomunikasi dengan perangkat lain, seperti sensor, aktuator, atau mikrokontroler lainnya. Komunikasi serial efisien karena meminimalkan jumlah jalur yang diperlukan untuk pengiriman data.
2. Tipe-Tipe Komunikasi Serial Terdapat beberapa protokol komunikasi serial yang digunakan dalam mikrokontroler, yang paling umum adalah UART, SPI, dan I2C. Setiap protokol memiliki karakteristik, keunggulan, dan kelemahan yang berbeda, tergantung pada aplikasi yang diinginkan.

1. 1. UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)
      1. Protokol Asinkron: Data dikirimkan tanpa sinkronisasi clock eksternal.
      2. Kecepatan Pengiriman Data: Umumnya lebih rendah dibandingkan dengan SPI dan I2C.
      3. Koneksi: Biasanya menggunakan dua kabel (TX dan RX) untuk komunikasi satu arah atau dua arah.
      4. Contoh Penggunaan: Komunikasi serial antara mikrokontroler dan komputer, atau komunikasi antara dua mikrokontroler dengan kecepatan rendah.
   2. SPI (Serial Peripheral Interface)
      1. Protokol Sinkron: Data dikirimkan dengan sinkronisasi menggunakan sinyal clock eksternal.
      2. Kecepatan Pengiriman Data: Lebih cepat dibandingkan dengan UART.
      3. Koneksi: Menggunakan empat kabel utama: MISO (Master In Slave Out), MOSI (Master Out Slave In), SCK (Clock), dan SS (Slave Select).
      4. Contoh Penggunaan: Komunikasi antara mikrokontroler dengan sensor atau perangkat eksternal seperti SD card, LCD, dan EEPROM.
   3. I2C (Inter-Integrated Circuit)
      1. Protokol Sinkron: Menggunakan sinyal clock eksternal untuk sinkronisasi data.
      2. Kecepatan Pengiriman Data: Kecepatan menengah, lebih lambat dari SPI tetapi lebih cepat dari UART.
      3. Koneksi: Menggunakan dua kabel utama: SDA (Serial Data) dan SCL (Serial Clock).
      4. Contoh Penggunaan: Komunikasi antara mikrokontroler dengan banyak sensor atau perangkat, seperti RTC (Real-Time Clock), sensor suhu, dan akselerometer.

Penggunaan UART untuk Komunikasi Antar Perangkat

Konsep:

UART adalah protokol komunikasi serial yang bekerja secara asinkron, artinya tidak memerlukan sinyal clock bersama antara perangkat yang berkomunikasi. UART biasanya digunakan untuk komunikasi antara mikrokontroler dan modul eksternal seperti GPS, Bluetooth, atau sensor lainnya.

Prinsip Kerja:

• Komunikasi UART menggunakan dua kabel utama, yaitu TX (Transmit) untuk mengirim data dan RX (Receive) untuk menerima data.
• Data dikirim dalam format frame yang terdiri dari:
  • Start bit (1 bit) – menandakan awal transmisi data.
  • Data bits (5-9 bit) – berisi data yang dikirim.
  • Parity bit (opsional) – digunakan untuk error checking.
  • Stop bit (1 atau 2 bit) – menandakan akhir transmisi.
• Karena bersifat asinkron, UART menggunakan baud rate (misalnya 9600, 115200 bps) agar kedua perangkat dapat berkomunikasi dengan kecepatan yang sama.

Kelebihan dan Kekurangan:

✅ Kelebihan:

• Mudah diimplementasikan.
• Tidak memerlukan sinyal clock tambahan.
• Bisa digunakan untuk komunikasi jarak jauh dengan tambahan konverter RS-232 atau RS-485.

❌ Kekurangan:

• Hanya bisa berkomunikasi 1-to-1 secara langsung.
• Kecepatan transfer lebih lambat dibandingkan I2C dan SPI.
• Tidak memiliki mekanisme alamat, sehingga tidak cocok untuk banyak perangkat dalam satu bus.

Contoh Penggunaan UART pada Mikrokontroler (Arduino):

void setup() {

    Serial.begin(9600);  // Inisialisasi komunikasi serial pada baud rate 9600

}




void loop() {

    Serial.println("Hello, World!");  // Kirimkan data ke komputer

    delay(1000);  // Tunggu 1 detik

}

Pada kode di atas, mikrokontroler Arduino mengirimkan data berupa teks “Hello, World!” ke komputer setiap detik melalui UART.

Antarmuka Mikrokontroler dengan Perangkat Sensor Menggunakan I2C

Konsep:

I2C adalah protokol komunikasi serial sinkron yang menggunakan dua kabel untuk menghubungkan banyak perangkat dalam satu bus komunikasi. I2C sering digunakan untuk menghubungkan sensor, EEPROM, dan perangkat lain ke mikrokontroler.

Prinsip Kerja:

• Menggunakan dua kabel utama:
  • SDA (Serial Data) – untuk mentransfer data.
  • SCL (Serial Clock) – sebagai clock sinkronisasi.
• I2C menggunakan konsep alamat, sehingga satu master dapat berkomunikasi dengan banyak slave dalam satu bus.
• Format komunikasi I2C:
  • Start condition – master menarik SDA ke low sementara SCL high.
  • Alamat slave (7-bit atau 10-bit) – master mengirim alamat perangkat tujuan.
  • Bit Read/Write – menentukan apakah data akan dikirim atau diterima.
  • ACK/NACK (Acknowledgment/Not Acknowledgment) – digunakan untuk memastikan data diterima.
  • Data transfer – master dan slave bertukar data sesuai kebutuhan.
  • Stop condition – komunikasi diakhiri dengan melepaskan SDA dan SCL ke high.

Kelebihan dan Kekurangan:

✅ Kelebihan:

• Mendukung multiple devices dalam satu bus menggunakan alamat unik.
• Hanya membutuhkan dua kabel meskipun banyak perangkat terhubung.
• Kecepatan cukup baik (Standar 100 kbps, Fast Mode 400 kbps, High-Speed Mode hingga 3.4 Mbps).

❌ Kekurangan:

• Lebih lambat dibandingkan SPI.
• Pull-up resistor dibutuhkan, yang dapat membatasi kecepatan jika bus panjang.
• Kompleksitas lebih tinggi dibandingkan UART.

Contoh Penggunaan I2C untuk Sensor Suhu (Misalnya, sensor suhu DS18B20 atau MPU6050):

#include <Wire.h>




void setup() {

    Wire.begin();  // Inisialisasi I2C

    Serial.begin(9600);  // Inisialisasi komunikasi serial

}




void loop() {

    Wire.requestFrom(0x68, 1);  // Minta 1 byte data dari perangkat dengan alamat 0x68 (misalnya sensor)

    while (Wire.available()) {

        char c = Wire.read();  // Baca data yang diterima

        Serial.print(c);  // Tampilkan data ke serial monitor

    }

    delay(500);

}

Antarmuka Mikrokontroler dengan Perangkat Sensor Menggunakan SPI

Konsep:

SPI adalah protokol komunikasi serial sinkron yang bekerja dengan konsep master-slave. SPI sering digunakan untuk komunikasi dengan sensor berkecepatan tinggi, memori flash, dan layar OLED.

Prinsip Kerja:

• Menggunakan empat kabel utama:
  • MOSI (Master Out Slave In) – data dari master ke slave.
  • MISO (Master In Slave Out) – data dari slave ke master.
  • SCLK (Serial Clock) – clock dari master ke slave untuk sinkronisasi.
  • SS/CS (Slave Select/Chip Select) – digunakan untuk memilih perangkat slave.
• Data ditransmisikan dalam mode full-duplex, artinya master dan slave dapat mengirim dan menerima data secara bersamaan.
• Proses komunikasi SPI:
  • Master mengaktifkan perangkat slave dengan menarik SS/CS ke low.
  • Master mengirimkan data melalui MOSI, sementara slave mengirimkan data balasan melalui MISO.
  • Data dikirim dengan sinkronisasi SCLK.
  • Setelah transfer selesai, master menonaktifkan slave dengan mengembalikan SS/CS ke high.

Kelebihan dan Kekurangan:

✅ Kelebihan:

• Kecepatan sangat tinggi dibandingkan UART dan I2C (bisa mencapai puluhan MHz).
• Mendukung komunikasi full-duplex.
• Protokol sederhana, tidak memerlukan alamat seperti I2C.

❌ Kekurangan:

• Membutuhkan lebih banyak kabel, terutama jika banyak perangkat slave.
• Setiap slave butuh satu pin SS/CS sendiri, sehingga kurang efisien jika banyak slave.

Contoh Penggunaan SPI untuk Sensor (Misalnya, sensor SD Card atau sensor akselerometer):

#include <SPI.h>




void setup() {

    SPI.begin();  // Inisialisasi SPI

    pinMode(10, OUTPUT);  // Tentukan SS sebagai output

}




void loop() {

    digitalWrite(10, LOW);  // Pilih perangkat slave

    SPI.transfer(0x42);  // Kirim data melalui SPI

    digitalWrite(10, HIGH);  // Lepaskan perangkat slave

    delay(500);

}

Aplikasi Komunikasi Serial dalam Sistem Kontrol Industri

• Aplikasi UART dalam Kontrol Industri UART sering digunakan dalam aplikasi industri untuk komunikasi antara perangkat mikrokontroler dengan PC, PLC (Programmable Logic Controller), atau HMI (Human-Machine Interface). Contoh aplikasinya termasuk pengiriman data pemantauan suhu, tekanan, atau aliran melalui antarmuka serial ke sistem kontrol industri untuk analisis lebih lanjut.
• Aplikasi I2C dalam Kontrol Industri I2C banyak digunakan dalam sistem kontrol industri yang membutuhkan komunikasi dengan banyak sensor atau perangkat yang terhubung dengan mikrokontroler. Misalnya, dalam sistem monitoring suhu dan kelembapan di ruang penyimpanan, mikrokontroler dapat menggunakan I2C untuk membaca data dari banyak sensor suhu dan kelembapan yang terhubung ke satu bus I2C.
• Aplikasi SPI dalam Kontrol Industri SPI digunakan dalam aplikasi industri yang membutuhkan komunikasi data berkecepatan tinggi, seperti pengendalian motor, pengukuran aliran cairan atau gas, dan pengendalian perangkat output lainnya. SPI digunakan dalam sistem yang memerlukan kecepatan transfer data tinggi, seperti dalam komunikasi dengan sensor posisi, sensor aliran, atau sistem penyimpanan data cepat.

Contoh Implementasi Komunikasi Serial dalam Sistem Kontrol Kilang Migas: Di industri kilang migas, mikrokontroler yang mengendalikan pengukuran suhu dan tekanan dapat menggunakan I2C untuk membaca data dari banyak sensor yang terhubung ke satu bus. Mikrokontroler kemudian mengirimkan data tersebut ke sistem kontrol pusat melalui komunikasi UART untuk pemantauan dan analisis lebih lanjut. SPI bisa digunakan untuk mengendalikan perangkat output, seperti katup solenoid atau motor penggerak, yang memerlukan komunikasi data cepat.

Tugas

1. Jelaskan perbedaan utama antara komunikasi UART, SPI, dan I2C.
2. Mengapa SPI lebih cepat dibandingkan dengan I2C?
3. Modifikasi program contoh UART agar dapat menerima data dari komputer dan menampilkan kembali data tersebut.
4. Buatlah sketsa rangkaian dan program Arduino untuk membaca data dari sensor suhu menggunakan I2C dan menampilkannya di Serial Monitor.
5. Simulasikan komunikasi SPI antara dua mikrokontroler dalam sebuah sistem tertanam.

Kesimpulan

• Gunakan UART jika hanya butuh komunikasi sederhana antara dua perangkat.
• Gunakan I2C jika ingin komunikasi dengan banyak perangkat dengan jumlah kabel minimal.
• Gunakan SPI jika memerlukan kecepatan tinggi dan komunikasi full-duplex.

NOTE:

Apa Itu Sinyal Clock?

Sinyal clock adalah pulsa elektronik berulang yang digunakan untuk sinkronisasi dan pengaturan waktu dalam sistem digital, termasuk komunikasi serial seperti I2C dan SPI.

Fungsi Sinyal Clock

1. Sinkronisasi

• Memastikan bahwa pengirim dan penerima membaca dan menulis data pada saat yang sama.

2. Menentukan Kecepatan Transfer Data

• Semakin cepat frekuensi clock, semakin cepat data bisa dikirim dan diterima.

3. Mengatur Urutan Eksekusi

• Dalam mikrokontroler dan prosesor, clock menentukan kapan instruksi dieksekusi.

Cara Kerja Sinyal Clock

Sinyal clock berbentuk gelombang persegi yang berganti antara HIGH (1) dan LOW (0) secara periodik.

Parameter Utama Sinyal Clock:

• Frekuensi (Hz) → Berapa kali clock berubah dalam satu detik.
• Periode (s) → Waktu satu siklus penuh clock.
• Duty Cycle (%) → Rasio waktu HIGH dibandingkan periode total.

💡 Rumus Periode & Frekuensi:

F =1/P

Contoh:

Jika frekuensi clock 1 MHz (1.000.000 Hz), maka periodenya 1 µs (1/1.000.000 s).

Sinyal Clock dalam Komunikasi Serial

1. UART (Tanpa Clock)

• Menggunakan baud rate untuk menyamakan kecepatan komunikasi.
• Tidak ada sinyal clock eksternal, sehingga disebut asinkron.

2. I2C (Menggunakan Clock – Sinkron)

• Master menghasilkan sinyal clock (SCL), dan semua slave mengikutinya.
• Memungkinkan komunikasi dengan banyak perangkat dalam satu bus.

3. SPI (Menggunakan Clock – Sinkron)

• Master menghasilkan sinyal clock (SCLK), dan slave menggunakannya untuk membaca/mengirim data.
• Bisa berjalan lebih cepat dibanding I2C.

Kesimpulan:

• Sinyal clock sangat penting dalam sistem digital karena mengatur waktu pengiriman dan penerimaan data.
• Komunikasi asinkron (UART) tidak menggunakan clock eksternal, hanya baud rate.
• Komunikasi sinkron (I2C & SPI) membutuhkan clock dari master untuk sinkronisasi data.