Bab 6 Serial Communication

1. Serial Communication

Dalam bidang telekomunikasi dan transmisi data, ada dua jenis metode untuk mengirim data bit yaitu seraca paralel dan serial. Perbedaan pengiriman data bit secara paralel dan serial digambarkan pada Gambar 1. Pada komunikasi paralel, lebih dari satu data bit dikirim bersamaan pada satu waktu melalui beberapa jalur data. Sedangkan pada komunikasi serial, hanya satu data bit dikirim pada satu waktu melalui satu jalur data.

Gambar 1: Perbedaan komunikasi paralel dan serial. Sumber: https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_communication

Hampir semua protocol untuk pengiriman data saat ini menggunakan metode serial. Kebanyakan protocol untuk pengiriman data secara paralel sudah tidak digunakan saat ini karena beberapa alasan seperti data skew, crosstalk, dan penghematan jumlah jalur kabel yang diperlukan. Beberapa contoh komunikasi paralel yang sudah jarang digunakan dan digantikan dengan komunikasi serial yaitu:

• Parallel port dulu digunakan untuk menghubungkan peripheral seperti printer ke PC. Saat ini printer banyak menggunakan Serial/RS232 port atau USB yang merupakan komunikasi serial.

• Keyboard dan mouse menggunakan komunikasi serial PS/2 atau USB.

• Komunikasi data antara PC menggunakan Ethernet juga merupakan komunikasi serial.

• IDE untuk koneksi HDD ke motherboard sudah jarang digunakan. Saat ini koneksi HDD ke motherboard banyak menggunakan SATA yang merupakan komunikasi serial.

• PCI digunakan untuk menghubungkan graphic card ke motherboard yang merupakan komunikasi paralel. Saat ini banyak menggunakan PCI Express yang merupakan komunikasi serial.

Banyak sekali protocol yang menggunakan metode serial. Protocol komunikasi serial yang akan dipelajari di tutorial ini yaitu protocol UART yang memiliki kepanjangan universal asynchronous receiver-transmitter. Protocol ini cukup sederhana dan banyak digunakan pada printer ataupun alat-alat industri.

1.1. Protocol UART

Protocol UART menggunakan dua jalur data masing-masing untuk mengirim dan menerima data. Jalur data tersebut biasa disebut TX dan RX. Setiap jalur data digunakan untuk mengirim data bit secara serial. Protocol yang digunakan yaitu seperti pada gambar Gambar 2.

Gambar 2. Protocol UART

Berikut ini merupakan penjelasan protocol UART:

• Pada saat tidak ada data yang dikirim (idle), maka jalur data bernilai 1.

• Setiap data bit yang dikirim diawali dengan start bit yang bernilai 0.

• Kemudian data bit dikirm satu per satu mulai dari LSB (least significant bit) yaitu bit ke-0 sampai MSB (most significant bit) yaitu bit ke-7.

• Setelah itu ada parity bit yang sifatnya opsional. Parity bit ini berfungsi untuk melakukan pengecekan error pada data yang dikirim.

• Setiap data bit yang dikirim diakhiri dengan stop bit yang bernilai 1.

Panjang data bit yang paling umum digunakan yaitu 8-bit, tetapi panjang data bit bisa juga dari 5-bit sampai 9-bit tergantung aplikasinya. Panjang stop bit tidak selalu 1 bit, tetapi bisa juga 1.5-bit atau 2-bit.

Kecepatan transfer data UART biasa dinyatakan dalam istilah baud rate. Baud rate yang umum digunakan yaitu 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, dan 115200 bps. Semakin besar baud rate, maka akan semakin cepat data tersebut terkirim.

Sebagai contoh jika kita menggunakan UART dengan baud rate 9600, maka untuk mengirim 1 bit perlu waktu $1/9600s=104μs$.

1.2. Level Tegangan

Jalur TX dan RX pada blok UART akan terhubung dengan GPIO pada mikrokontroler. Oleh karena itu level tegangan menjadi hal yang penting. Ada dua jenis level tegangan untuk protocol UART yang paling banyak digunakan yaitu RS232 dan TTL seperti pada Gambar 3.

Gambar 3. Level tegangan UART. Sumber: https://www.alicat.com/choosing-an-instrument/rs-232-communication-protocol-alicat-instrument/

Level tegangan RS232 merepresentasikan logika 1 dengan tegangan −3V sampai −15V, dan logika 0 dengan tegangan +3V sampai +15V. Logika 1 disebut juga dengan istilah mark, sedangkan logika 0 disebut juga dengan istilah space.

Level tegangan TTL bisa bernilai 5V atau 3.3V untuk logika 1, dan 0V untuk logika 0. Kebanyakan mikrokontroler menggunakan level tegangan ini. Untuk melakukan konversi tegangan, maka kita dapat menggunakan IC konverter tegangan antara RS232 dan TTL dan sebaliknya. Salah satu contohnya yaitu IC MAX232.

1.3. Konektor

Gambar 4 memperlihatkan konektor DB9 yang biasanya digunakan oleh komunikasi UART RS232. Konektor tersebut bisa ditemui pada PC atau laptop zaman dahulu. Sekarang ini konektor tersebut sudah jarang ditemui pada PC ataupun laptop. Sehingga, saat ini komunikasi UART banyak dilakukan melalui port USB.

Gambar 4. Konektor DB9 biasa digunakan untuk level tegangan RS232

Untuk melakukan komunikasi UART melalui USB perlu menggunakan IC tambahan yang mengubah protocol UART ke protocol USB dan sebaliknya. Beberapa contoh IC untuk konversi USB-to-UART yang banyak digunakan yaitu CP2102, CH340, atau FT232RL. IC tersebut banyak digunakan pada board Arduino ataupun sebagai modul eksternal di luar board Arduino tersebut. Modul tersebut biasanya disebut juga USB-to-TTL.

2. Library Serial

Pada bagian ini, kita akan belajar mengenai fungsi pada library Arduino yang diperlukan untuk komunikasi UART. Beberapa fungsi yang akan kita gunakan yaitu begin, print, println, available, dan readString. Contoh penggunaan fungsi-fungsi tersebut akan dibahas di bagian contoh program.

Fungsi begin seperti pada kode berikut ini berfungsi untuk mengkonfigurasi UART. Fungsi ini memiliki satu argumen input utama yaitu baud. Baud rate yang biasa digunakan yaitu 9600.

void begin(unsigned long baud);

Ada beberapa macam fungsi untuk mengirim data dari UART ke PC atau device lain (melalui pin TX) yaitu print atau println. Argumen input untuk fungsi print dan println adalah semua jenis tipe data yang bisa dikirim seperti char, int, float, dan string. Perbedaan dari fungsi print dan println yaitu pada println diakhiri dengan newline untuk pindah ke baris baru, sedangkan pada print tidak ada newline. Kode berikut ini menampilkan beberapa fungsi print. Fungsi println memiliki argumen input yang sama seperti fungsi print.

size_t print(const String &s);
size_t print(const char str[]);
size_t print(char c);
size_t print(unsigned char b, int base);
size_t print(int n, int base);
size_t print(unsigned int n, int base);
size_t print(long n, int base);
size_t print(unsigned long n, int base);
size_t print(long long n, int base);
size_t print(unsigned long long n, int base);
size_t print(double n, int digits);

Fungsi available seperti pada kode berikut ini berfungsi untuk membaca jumlah data byte yang siap dibaca dari UART. Data tersebut bisa berasal dari PC atau device lain yang terhubung ke pin RX. Data byte-nya sendiri telah diterima dan disimpan di receive buffer. Fungsi tersebut memiliki return bertipe int yang berisi jumlah data byte yang siap dibaca dari UART.

int available(void);

Fungsi available hanya membaca jumlah data-nya tetapi tidak membaca isi data-nya. Untuk membaca isi data-nya, kita bisa menggunakan fungsi readString seperti pada kode berikut ini. Fungsi tersebut memiliki return bertipe object String yang berisi data yang dibaca dari UART.

String readString();

Selain fungsi-fungsi yang disebutkan di sini, masih banyak fungsi-fungsi lain yang tersedia pada library Arduino. Fungsi-fungsi tersebut dapat dilihat di sini.

3. Block Diagram

Ada berbagai macam cara untuk menghubungkan UART pada sebuah mikrokontroler dengan PC atau laptop. Output TX dan input RX dari blok UART pada mikrokontroler biasanya memiliki tegangan 3.3V atau 5V. Output dan input ini biasanya dihubungkan dengan IC untuk konversi tegangan ke RS232 atau konversi protocol ke USB. Kemudian output dari IC tersebut yang akan dihubungkan ke PC atau laptop melalui kabel.

3.1. USB-to-UART On-Board

Gambar 5 menampilkan koneksi paling sederhana dari komunikasi UART dengan PC. Di sistem ini kita menggunakan IC UART-to-USB on-board. IC tersebut sudah terpasang pada development board, jadi kita tidak perlu membeli modul tambahan lagi. Jalur UART yang melewati IC tersebut biasanya digunakan juga untuk memprogram mikrokontroler tersebut.

Gambar 5. Block diagram sistem dengan koneksi USB-to-UART on-board

3.2. USB-to-UART Eksternal

Gambar 6 menampilkan koneksi komunikasi UART dengan PC dengan menggunakan modul USB-to-UART eksternal. Hal ini diperlukan jika board mikrokontroler yang kita gunakan tidak memiliki IC UART-to-USB. Modul USB-to-UART biasanya disebut juga dengan nama USB-to-TTL.

Gambar 6. Block diagram sistem dengan koneksi USB-to-UART eksternal

3.3. RS232-to-UART Eksternal

Gambar 7 menampilkan koneksi komunikasi UART dengan PC dengan menggunakan modul RS232-to-UART eksternal. Pada sistem ini, kita tidak mengkonversi protocol UART ke USB melainkan hanya mengubah level tegangannya saja dari TTL (3.3V atau 5V) ke level RS232. Modul RS232-to-UART biasanya disebut juga dengan nama RS232-to-TTL.

Gambar 7. Block diagram sistem dengan koneksi RS232-to-UART eksternal

4. Contoh Program

Pada bagian ini akan dibahas tiga contoh program komunikasi serial UART yaitu serial print, serial read, dan serial data logging. Block diagram yang digunakan untuk ketiga contoh program ini yaitu sistem dengan koneksi USB-to-UART on-board. Oleh karena itu kita hanya perlu menghubungkan board EPS32 dengan PC atau laptop menggunakan USB.

4.1. Serial Print

Kode berikut ini menampilkan contoh program serial print. Program ini berfungsi untuk mengirim berbagai macam tipe data dari ESP32 ke PC atau laptop. Berikut ini penjelasan cara kerja program tersebut:

• Pada line 4, kita mengkonfigurasi serial dengan kecepatan 9600 bps dengan memanggil fungsi begin.

• Pada line 7 dan line 8 merupakan contoh penggunaan fungsi print. Fungsi ini akan melakukan print data tanpa diakhiri newline.

• Pada line 11-13 merupakan contoh penggunaan fungsi println. Fungsi ini akan melakukan print data dengan diakhiri newline.

• Pada line 16 merupakan contoh penggunaan fungsi println untuk melakukan print data integer.

• Pada line 17 merupakan contoh penggunaan fungsi println untuk melakukan print data float.

• Pada line 18 merupakan contoh penggunaan fungsi println untuk melakukan print data karakter ASCII.

• Pada line 19 merupakan contoh penggunaan fungsi println untuk melakukan print data string.

• Pada line 22-25 merupakan contoh penggunaan fungsi println untuk melakukan print data integer dengan format radix yang berbeda (binary, octal, decimal, dan hexadecimal).

• Pada line 28-31 berisi contoh untuk melakukan perhitungan sederhana (luas lingkaran) kemudian mengirim hasilnya melalui serial untuk ditampilkan di PC atau laptop.

serial-print.ino

void setup()
{
  // Konfigurasi komunikasi serial
  Serial.begin(9600);

  // Print tanpa newline
  Serial.print("Hello, ");
  Serial.print("World!");
  
  // Print dengan newline
  Serial.println();
  Serial.println("Hello, ");
  Serial.println("World!");

  // Print beberapa tipe data
  Serial.println(168); // Print angka integer
  Serial.println(3.14); // Print angka float
  Serial.println('e'); // Print karakter
  Serial.println("Arduino"); // Print string

  // Print angka dalam beberapa radix
  Serial.println(10, BIN); // Print angka dalan biner
  Serial.println(10, OCT); // Print angka dalan octal
  Serial.println(10, DEC); // Print angka dalan desimal
  Serial.println(10, HEX); // Print angka dalan hexadesimal

  // Menghitung luas lingkaran
  int jariJari = 10;
  float luasLingkaran = 3.14 * 10 * 10;
  Serial.print("Luas lingkaran: ");
  Serial.println(luasLingkaran);
}

void loop()
{
}

Gambar 8 menampilkan hasil dari contoh program serial print. Pada hasil ini terlihat ketika kita menggunakan fugnsi print, untuk print “Hello, " pada line 7, maka tidak ada newline setelahnya. String “World!” pada line 8 akan tampil setelah “Hello, " tanpa ada perpindahan line (enter). Fungsi println pada line 11 akan memberikan perpindahan line setelah string “World!”, sehingga string “Hello, " pada line 12 akan tampil dibawahnya.

Gambar 8. Hasil program serial print

4.2. Serial Read

Kode berikut ini menampilkan contoh program serial read. Program ini berfungsi untuk menerima data karakter atau string dari PC atau laptop ke ESP32. Contoh aplikasi real kedepannya yaitu bisa untuk melakukan pengontrolan ESP32 dari PC atau laptop. Berikut ini penjelasan cara kerja program tersebut:

• Pada line 4, kita mengkonfigurasi serial dengan kecepatan 9600 bps dengan memanggil fungsi begin.

• Pada line 10, kita memanggil fungsi available untuk mengecek apakah ada data yang diterima.

• Jika ada data yang diterima, maka pada line 13, kita memanggil fungsi readString untuk membaca data tersebut lalu disimpan di variable input.

• Kemudian pada line 15, kita memanggil fungsi print untuk mengirimkan kembali isi variable input ke PC atau laptop.

serial-read.ino

void setup()
{
  // Konfigurasi komunikasi serial
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  // Jika ada data pada yang berasal dari input serial monitor PC
  if (Serial.available() > 0)
  {
    // Membaca data tersebut kemudian disimpan sebagai string
    String input = Serial.readString();
    // Print data string tersebut kembali ke output serial monitor PC
    Serial.print(input);
  }
}

Gambar 9 menampilkan hasil dari contoh program serial read. Pada program ini, kita megirimkan string Arduino, kemudian string tersebut akan dikirimkan kembali oleh ESP32 untuk ditampilkan.

Gambar 9. Hasil program serial read

4.3 Serial Data Logging

Kode berikut ini menampilkan contoh program serial data logging. Program ini berfungsi untuk mengirim data secara periodik dari ESP32 ke PC atau laptop. Untuk contoh program ini, datanya berasal dari random number, tetapi untuk aplikasi real kedepannya kita bisa mengganti data random tersebut dengan data yang berasal dari sensor. Berikut ini penjelasan cara kerja program tersebut:

• Pada line 4, kita mengkonfigurasi serial dengan kecepatan 9600 bps dengan memanggil fungsi begin.

• Pada line 12, kita men-generate angka random dari 0-255 kemudian disimpan di variable data_random.

• Pada line 13, kita mengirim data tersebut ke PC atau laptop.

• Pada line 14, kita menambahkan delay 500ms agar proses ini dilakukan setiap 500ms. Jika kita tidak menambahkan delay, maka prosesnya akan telalu cepat dan sulit untuk diamati oleh manusia.

serial-data-logging.ino

int data_random = 0;

void setup()
{
  // Konfigurasi komunikasi serial
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  // Print data ke serial monitor PC setiap 1 detik
  data_random = random(256); // Angka random 0-255
  Serial.println(data_random);
  delay(500);
}

Gambar 10 menampilkan hasil dari contoh program serial data logging. Nilai-nilai random yang berasal dari ESP32 akan ditampilkan pada serial monitor. Selain menggunakan serial monitor, kita juga bisa menggunakan serial plotter untuk mem-plot data tersebut seperti pada Gambar 11.

Gambar 10. Hasil program serial data logging

Gambar 11. Hasil program serial data logging pada serial plotter

5. Repository Kode Program

Kode program untuk serial print, serial read, dan serial data logging dapat didapatkan di repository ini: serial-print, serial-read, dan serial-data-logging.