Elektrokardiograf Tiga Lead

 BAB II
DASAR TEORI
Pada bab ini dibahas mengenai teori yang mendukung dalam pembuatan
Proyek Akhir. Materi yang akan di bahas adalah elektrokardiograf, operational
amplifier, filter, mikrokontroler, Wi-Fi, dan I to V converter.
2.1 ELEKTROKARDIOGRAF (EKG)
Elektrokardiograf (EKG) adalah sebuah alat kesehatan yang digunakan
untuk mendeteksi sinyal potensial listrik pada jantung manusia. EKG merupakan
salah satu bentuk pemeriksaan laboratorium yang membantu dalam mendiagnosis
penyakit jantung, dan juga sebagai metoda untuk mempelajari kerja otot jantung
sehingga dapat membantu diagnosis abnormalitas jantung atau perubahan fungsi
jantung. [7]
2.1.1 Gelombang EKG
Gelombang EKG biasanya direkam pada kertas grafik seperti terlihat pada
Gambar 2.1. Pada gambar tersebut terdapat dua jenis kotak, yaitu kotak besar
yang bergaris tebal dan kotak kecil yang bergaris tipis. Kotak kecil mempunyai
ukuran 1mm x 1mm dan kotak besar mempunyai ukuran 5mm x 5mm. Dalam
EKG ada dua variabel yang digunakan, yaitu variabel waktu dan variabel
tegangan. Variabel waktu dinyatakan dalam sumbu mendatar (horizontal) dan
variabel tegangan dalam sumbu tegak (vertical). Skala untuk variabel waktu
adalah 0,04s/mm atau 25mm/s. Skala untuk tegangan adalah 0,1mv/mm atau
10mm/mV.[6]
Elektrokardiograf Tiga Lead
Gambar 2.1 Kertas Rekaman Sinyal EKG [6]
Tiap siklus gelombang EKG terdiri atas beberapa gelombang yang diberi
nama berdasarkan definisi sebagai berikut:
A. Gelombang P
Gelombang P merupakan defleksi positif pertama sebelum kompleks QRS
interval PR yang diukur dari permulaan gelombang P sampai permulaan defleksi
garis isoelektrik berikutnya. Interval ini adalah waktu yang diperlukan impuls
listrik dikonduksikan melalui atrium dan simpul AV sampai mulai timbul
depolarisasi ventrikel.[6]
B. Kompleks QRS
Kompleks QRS terdiri atas tiga gelombang yaitu gelombang Q, R, dan S.
Gelombang Q adalah defleksi negatif pertama sesudah interval PR. Gelombang R
adalah defleksi positif pertama sesudah gelombang P. Gelombang S adalah
defleksi negatif yang menyertai gelombang R. Pengukuran kompleks QRS di
mulai dari permulaan gelombang Q atau gelombang R jika gelombang Q tidak ada
sampai gelombang S mencapai garis isoelektrik atau tempat dimana gelombang S
akan mencapai garis isoelektrik jika garis ini tidak melengkung ke dalam segmen
ST. Segment ST adalah bagian garis yang berlanjut dari ujung gelombang S
sampai permulaan gelombang T.
C. Gelombang T
Gelombang T adalah defleksi (bisa positif atau negatif) yang mengiringi
segment ST.[6]
Asep Suryana Mustopa
8
Elektrokardiograf Tiga Lead
Untuk pembacaan gelombang EKG dapat dilakukan oleh para ahli di
bidang medis atau dokter ahli jantung, sehingga tidak terjadi kesalahan ketika
mendiagnosa penyakit jantung dari bentuk sinyal EKG.
2.1.2
Titik-Titik Sadapan
Rekaman EKG diperoleh dengan pemasangan elektroda-elektroda di kulit
pada tempat-tempat tertentu. Lokasi penempatan elektroda sangat penting
diperhatikan karena penempatan yang salah akan menghasilkan pencatatan yang
berbeda.
Terdapat 3 jenis sandapan (lead) pada EKG, yaitu :
A. Sadapan Precordial
Sadapan Precordial merupakan sadapan V1, V2, V3, V4, V5, dan V6 yang
ditempatkan secara langsung di dada.
Gamabr 2.2 Sadapan Precordial[10]
1. Sadapan V1 ditempatkan di ruang intercostal IV di kanan sternum.
2. Sadapan V2 ditempatkan di ruang intercostal IV di kiri sternum.
3. Sadapan V3 ditempatkan di antara sadapan V2 dan V4.
4. Sadapan V4 ditempatkan di ruang intercostal V di linea (sekalipun detak
apeks berpindah).
5. Sadapan V5 ditempatkan secara mendatar dengan V4 di linea axillaris
anterior.
6. Sadapan V6 ditempatkan secara mendatar dengan V4 dan V5 di linea
midaxillaris.
Asep Suryana Mustopa
9
Elektrokardiograf Tiga Lead
B. Sadapan Bipolar
Sadapan Bipolar atau sering disebut sadapan Einthoven adalah sadapan
yang merekam perbedaan potensial dari dua elektroda yang ditandai dengan angka
romawi
I, II dan III.
Sandapan I
: Merekam perbedaan potensial antara tangan kanan (RA) yang
bermuatan negatif (-) dan tangan kiri yang bermuatan positif
(+).
Sandapan
II
Sandapan III
: Merekam perbedaan potensial antara tangan kanan yang
bermuatan (-) dengan kaki kiri (LF) yang bermuatan (+)
: Merekam perbedaan potensial antara tangan kiri (LA) yang
bermuatan (-) dan kaki kiri yang bermuatan (+).
Gambar 2.3 Sadapan Bipolar[10]
Asep Suryana Mustopa
10
Elektrokardiograf Tiga Lead
C. Sandapan Unipolar
Gambar 2.4 Sandapan Unipolar [10]
aVR : Merekam potensial listrik pada tangan kanan (RA) yang bermuatan (+)
dengan elektroda yang bermuatan negatif (-) gabungan tangan kiri dan
kaki kiri yang membentuk elektroda indifiren.
aVL : Merekam potensial listrik pada tangan kiri (LA) yang bermuatan (+)
dengan elektroda yang bermuatan negatif (-) gabungan tangan kanan dan
kaki kiri yang membentuk elektroda indifiren.
aVF : Merekam potensial listrik pada kaki kiri (LF) yang bermuatan (+) dengan
elektroda yang bermuatan (-) dari gabungan tangan kanan dan kaki kiri
yang membentuk elektroda indifiren.
Bila digabungkan dari ketiga sandapan yang ada di atas, maka akan
tampak seperti pada Gambar 2.5 di bawah ini yang biasa disebut sebagai sandapan
lengkap dua belas lead atau ECG 12 LEAD.
Asep Suryana Mustopa
11
Elektrokardiograf Tiga Lead
Gambar 2.5 Sadapan Lengkap 12 Lead[10]
Pada Gambar 2.5 tampak Sandapan Precordial dengan lead V1, V2, V3,
V4, V5, V6 Sandapan Bipolar dengan lead I, lead II, lead III, dan Sandapan
Unipolar dengan lead aVR, aVL, aVF [10]
2.1.3 Elektroda EKG
Fungsi dasar dari elektroda adalah untuk menangkap sinyal listrik jantung
dari tubuh dengan dipasangkan pada bagian titk-titik sadapan yang sesuai.
Elektroda ini dipakai dengan menggunakan interface jelly electrode-electrolyte
sehingga mengurai efek dari noise akibat pergerakan badan atau gesekan antara
elektroda dengan kulit. Dengan menggunakan elektroda Ag/AgCl yang dapat
mengurangi noise frekuensi rendah pada sinyal EKG yang terjadi karena
pergerakan atau gesekan dengan kulit. Gambar 2.6 menampilkan bentuk dari
elektroda disposable yang biasa di pakai pada bagian dada dan punggung.
Gambar 2.6 Elektroda Disposable [9]
Selain jenis elektroda disposable, terdapat juga jenis elektroda yang di
pakai dibagian pergelangan tangan dan kaki. Jenis elektroda yang digunakan
Asep Suryana Mustopa
12
Elektrokardiograf Tiga Lead
untuk menyadap sinyal EKG di pergelangan tangan dan kaki adalah jenis limb
clamp seperti terlihat pada Gambar 2.7 dibawah ini.
Gambar 2.7 Limb Clamp Elektroda [7]
2.2 OPERASIONAL AMPLIFIER
Operational Amplifier atau di singkat Op-Amp merupakan salah satu
komponen elektronika analog yang sering digunakan dalam berbagai aplikasi
rangkaian elektronika. Aplikasi Op-Amp yang paling sering dipakai antara lain
yaitu rangkaian inverting, non inverting, integrator, dan differentiator.
Op-Amp ideal pada dasarnya adalah sebuah penguat diferential yang
memiliki dua input. Input Op-Amp ada yang dinamakan input inverting dan non
inverting. Op-Amp ideal memiliki penguatan open loop yang tak terhingga
besarnya. Penguatan yang sangat besar ini membuat Op-Amp menjadi tidak stabil
dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Maka dari itu diperlukan
rangkaian negatif feedback sehingga Op-Amp dapat dirangkai menjadi penguat
dengan nilai penguatan yang terukur (finite).
Supply Voltage +
Inverting Input
Output
Non Inverting Input
+
Supply Voltage -
Gambar 2.8 Operasional Amlpifier
Penguat operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena
beberapa keunggulan yang dimilikinya, seperti penguatan yang tinggi, impedansi
Asep Suryana Mustopa
13
Elektrokardiograf Tiga Lead
input yang tinggi, impedansi output yang rendah, dan lain sebagainya.
Karakteristik dari Op-Amp ideal adalah sebagai berikut:
1. Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) AVOL = ∞
2. Tegangan ofset output (output offset voltage) VOO = 0 Volt
3. Impedansi input (input impedance) ZI = ∞ Ω
4. Impedansi output (output Impedance) ZO = 0 Ω
5. Lebar pita (band width) BW = ∞ Hz
6. Waktu tanggapan (respon time) = 0 Detik
7. Karakteristik tidak berubah dengan suhu
2.2.1 Penguat Penjumlah (Summing Amplifier)
Rangkaian
penguat
penjumlah
(summing
amplifier)
berfungsi
menjumlahkan sinyal-sinyal input-nya. Besar tegangan output dari rangkaian
summing amplifier adalah jumlah semua tegangan input dikalikan dengan besar
penguatannya. Gambar 2.9. memperlihatkan konfigurasi dari rangkaian summing
amplifier dengan tiga sinyal input.
VCC
Vin 1
Rin 1
Vin 2
+
Output
Rin 2
-
Vin 3
Rin 3
Ri
Rf
Gambar 2.9 Rangkaian Summing Amplifier Tiga Input
Besar tegangan output dari rangkaian summing amplifier dapat dituliskan
pada Persamaan 2.1 berikut:
Vo = (
(Vin1 + Vin2 + Vin3)
(2.1)
2.2.2 Penguat Biopotensial
Aktivitas listrik dari sel-sel yang ada di dalam tubuh menimbulkan sinyal
listrik yang disebut sinyal biopotensial. Untuk mengambil sinyal bipotensial
digunakan transduser yang disebut elektroda. Elektroda berfungsi sebagai kopling
dan antarmuka antara sistem kelistrikan di dalam tubuh dan sistem kelistrikan di
Asep Suryana Mustopa
14
Elektrokardiograf Tiga Lead
luar tubuh. Output dari transduser sudah berupa tegangan listrik, tetapi level-nya
masih relatif kecil sehingga masih belum bisa digunakan untuk menggerakkan
bagian output suatu instrumen medic. Untuk memperbesar sinyal biopotensial
tersebut
diperlukan suatu penguat yang memenuhi beberapa persyaratan,
diantaranya
sebagai berikut:
Berupa penguat differential dengan CMRR yang tinggi.
Mempunyai impedansi input yang besar.
Penguatannya dapat diatur dengan mudah tanpa mempengaruhi nilai
CMRR.[3]
2.2.2.1 Rangkaian Penguat Differential
Penguat differential mempunyai kemampuan menghilangkan sinyal mode
common sehingga dapat mengurangi pengaruh noise atau interferensi yang
menganggu sinyal input-nya. Noise atau interferensi yang menganggu sinyal input
dapat dikurangi pengaruhnya dengan cara memasukkan noise ke dalam penguat
differential dalam bentuk mode common, sementara sinyal input-nya dimasukkan
ke penguat dalam bentuk mode differential. Dengan demikian, sinyal input akan
diperkuat dengan penguatan mode differential yang nilainya relatif besar,
sedangkan noise akan diperkuat dengan penguatan mode common yang nilainya
relatif kecil. Pada saat keluar dari penguat differential, sinyal input mempunyai
nilai yang jauh lebih besar dibanding dengan noise sehingga pengaruh noise
tersebut dapat diabaikan. [1]
Karena sifatnya yang dapat mengurangi sinyal noise, maka penguat
differential dapat digunakan untuk penguat sinyal EKG. Rangkaian penguat
differential diperlihatkan seperti pada Gambar 2.10.
R5
Vx
V 2D
R6
Vo
+
V 1D
R3
R4
Gambar 2.10 Penguat Differential
Asep Suryana Mustopa
15
Elektrokardiograf Tiga Lead
Hubungan antara tegangan output dan tegangan input penguat differential
dapat diuraikan sebagai berikut. Dengan menganggap Op-Amp tersebut ideal,
maka persamaan arus simpul pada terminal input negatif dapat dituliskan seperti
pada Persamaan 2.2 dibawah ini:
=
(2.2)
Persamaan ini dapat diatur kembali menjadi seperti Persamaan 2.3 dibawah ini:
)=
- Vx
(2.3)
Tegangan pada simpul input positif sama dengan tegangan pada simpul
input
negatif yaitu VX yang dapat diperoleh dengan menggunakan prinsip
rangkaian pembagi tegangan seperti pada Persamaan 3.4 berikut ini:
Vx =
V1D
(2.4)
Substitusi Persamaan (2.3) dengan Persamaan (2.4) menghasilkan Persamaan 2.5
sebagai berikut:
–
V1D (
)=
(2.5)
Maka nilai Vo akan diperoleh seperti pada Persamaan 2.6:
Vo =
- V2D)
(V1D
(2.6)
Bila rangkaian penguat differential dalam keadaan setimbang, yaitu dengan
membuat seperti Perssamaan 2.7:
=1
(2.7)
Maka diperoleh tegangan output rangkaian penguat differential seperti pada
Persamaan 2.8:
Vo =
(V1D – V2D)
(2.8)
Persamaan (2.8) memperlihatkan penguat akan memperkuat sinyal mode
differential (selisih tegangan pada inputnya) dengan penguatan sebesar R5/R6 dan
memperkuat sinyal mode common (rata-rata tegangan pada inputnya) dengan
penguatan yang kecil (idealnya sama dengan nol). Dengan demikian, hanya sinyal
Asep Suryana Mustopa
16
Elektrokardiograf Tiga Lead
mode differential saja yang muncul pada output penguat, sedangkan sinyal mode
common-nya telah dihilangkan.
Penguat differential juga memiliki kekurangan, yaitu impedansi input-nya
relatif
kecil dan nilai penguatannya sulit diubah tanpa mempengaruhi
kemampuannya
dalam menghilangkan sinyal mode common.
Impedansi input yang tinggi diperlukan untuk mengurangi pengaruh
pembebanan pada sinyal output elektroda. Karena adanya pembebanan maka
sinyal input akan menjadi hilang. Untuk mengatasi hal ini maka di depan penguat
differential
ditambahkan sebuah rangkaian penguat penyangga.
2.2.2.2 Rangkaian Penguat Penyangga
Rangkaian penguat penyangga yang digunakan harus mempunyai
impedansi input yang besar dan menggunakan konfigurasi penguat differential.
Agar memiliki impedansi input yang sangat besar, maka digunakan penguat noninverting, dan supaya bersifat differential maka digunakan dua buah penguat noninverting yang digabung menjadi satu[1]. Rangkaian penguat penyangga seperti
diperlihatkan dalam Gambar 2.11
Non-Inverting Amplifier
+
V2
V 2D
-
R2
R1
VA
R1
R2
V1
V 1D
+
Non-Inverting Amplifier
Gambar 2.11 Rangkaian Penguat Penyangga Untuk Penguat Differential
Analisis rangkaian penguat penyangga dapat diuraikan sebagai berikut.
Dengan menganggap Op-Amp tersebut ideal maka persamaan arus pada simpul
input negatif Op-Amp yang atas dapat dituliskan seperti pada Persamaan 2.9:
Asep Suryana Mustopa
17
Elektrokardiograf Tiga Lead
=
(2.9)
Bila diatur persamaan 2.9 maka akan diperoleh Persamaan 2.10:
V2D =
V2 –
VA
(2.10)
Dengan cara yang serupa maka untuk rangkaian Op-Amp yang bagian bawah akan
diperoleh seperti pada Persamaan 2.11:
V1D =
V1 –
VA
(2.11)
Persamaan (2.10) dan (2.11) merupakan tegangan output pada tiap-tiap terminal
output Op-Amp penguat penyangga.
Dengan menggabungkan rangkaian penguat differential dan rangkaian
penguat penyangga, maka akan diperoleh sebuah penguat differential yang
mempunyai impedansi input yang sangat besar dan nilai penguatannya dapat
diubah
dengan
mudah
tanpa
mempengaruhi
kemampunannya
dalam
menghilangkan sinyal mode common. Gabungan kedua rangkaian penguat ini
dapat disebut sebagai penguat instrumentasi (instrumentation amplifier).
Rangkaian penguat instrumentasi terlihat pada Gambar 2.12 dibawah ini:
Non-Inverting Amplifier
V2
+
R6
-
R5
R2
R1
-
Vo
+
R1
Differensial Amplifier
R2
V1
+
R3
R4
Non-Inverting Amplifier
Gambar 2.12 Rangkaian Penguat Instrumentasi
Asep Suryana Mustopa
18
Elektrokardiograf Tiga Lead
Analisis rangkaian penguat instrumentasi dalam Gambar 2.11 dapat
dilakukan sebagai berikut. Tegangan output penguat tersebut dapat diperoleh dari
substitusi Persamaan (2.8) dengan Persamaan (2.10) dan (2.11), yang
menghasilkan
Persaam 2.12 dibawah ini:
Vo =
[
V1 –
VA – (
V2 –
VA)]
(2.12)
Bila disederhanakan Persamaan 2.12 diatas maka akan menjadi Persamaan 2.13:
Vo =
(
)(V1 – V2) =
(1+
)(V1 – V2)
(2.13)
Dua resistansi R1 yang terhubung seri tersebut dapat digantikan dengan sebuah
resistansi tunggal, misalnya menjadi RG dengan: RG = 2R1 atau: R1 = RG/2
sehingga Persamaan 2.13 dapat dituliskan kembali menjadi seperti pada
Persamaan 2.14 berikut ini:
Vo =
(1+
)(V1-V2) =
(1+
)(V1-V2)
(2.14)
Dari Persamaan (2.14) terlihat bahwa tegangan output penguat instrumentasi
merupakan hasil penguatan terhadap selisih tegangan pada input penguat
penyangga, dan nilai penguatan dapat diubah dengan mengubah perbandingan
antara 2R2 dan RG.[5]
2.3 FILTER
Filter adalah suatu rangkaian yang dapat memilih sinyal listrik
berdasarkan pada batasan frekuensi dari filter tersebut. Filter akan melewatkan
gelombang atau sinyal listrik pada batasan frekuensi tertentu sehingga apabila
terdapat sinyal atau gelombang listrik dengan frekuensi yang lain (tidak sesuai
dengan spesifikasi filter), maka sinyal tersebut tidak akan dilewatkan. Rangkaian
filter dapat diaplikasikan secara luas, baik untuk menyaring sinyal pada frekuensi
rendah, frekuensi audio, frekuensi tinggi, atau pada frekuensi-frekuensi tertentu
saja. Untuk menyaring sinyal dengan frekuensi tinggi, biasanya digunakan filter
pasif LRC dimana komponennya terdiri dari induktor (L), resistor (R), dan
kapasitor (C).
Asep Suryana Mustopa
19
Elektrokardiograf Tiga Lead
Untuk menyaring sinyal listrik pada rentang frekuensi yang rendah
diantara 1Hz- 1MHz dibutuhkan nilai komponen induktor yang besar, sehingga
dalam produksi filter dengan frekuensi rendah secara komersial sulit untuk
dilakukan.
Pada kasus ini filter aktif dapat menjadi solusi penting. Rangkaian
filter
aktif menggunakan komponen Op-Amp (operational amplifier) yang
dikombinasikan dengan beberapa komponen pasif resistor dan kapasitor sehingga
dapat memberikan kinerja filter pada frekuensi rendah sebaik filter LRC.
Filter dapat diklafisikasikan menjadi dua yaitu filter analog dan digital.
analog di rancang untuk memproses sinyal analog, sedang filter digital di
Filter
rancang
untuk memproses sinyal analog dengan menggunakan teknik digital.
Salah satu jenis filter yang digunakan pada pembuatan proyek akhir ini
adalah low pass filter. Low pass filter adalah filter yang dapat meloloskan
frekuensi yang berada dibawah frekuensi cut off (fc) dan meredam frekuensi
diatas frekuensi cut off-nya. Frekuensi cut off dari low pass filter RC dapat
dihitung dengan Persamaan 2.15 berikut ini:
fc =
(2.15)
Rangkaian low pass filter RC dan karakteristiknya seperti terilihat pada Gambar
2.13 berikut ini:
Vo
(V)
-3dB
R
VI
C
VO
fc
F (Hz)
Gambar 2.13 Rangkaian Filter Low Pass dan karkteristik frekuensinya
Rangkaian low pass filter RC memiliki penguatan yang konstan hingga
pada frekuensi pole tertentu. Penguatan mulai menurun seiring dengan naiknya
frekuensi. Pada saat penguatan menurun, rangkaian ini memiliki karakteristik
sebagai integrator. Pada Gambar 2.13 diatas memperlihatkan frekuensi respon
dari low pass filter orde pertama. Persamaan fungsi transfer untuk respon
frekuensi low pass filter seperti pada Persamaan 2.16:
Asep Suryana Mustopa
20
Elektrokardiograf Tiga Lead
Vo =
(2.16)
Fungsi transfer ini terberbagai atas tiga bagian, yaitu:
Bila f << 1/2π RC, Vo/Vi = 1 atau 0 dB dan sudut phasa 0°
Bila f = ½ π RC, Vo/Vi = 0,707 θ -45° atau -3 dB
Bila f >> 1/2 π RC, Vo/Vi = (1/2 π RC) (1/1) θ -90°, dimana penguatan
menurun bersamaan dengan kenaikan frekuensi, pada bagian ini low pass
filter berfungsi sebagai integrator.
2.4 MIKROKONTROLER
Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional yang dikemas
dalam sebuah chip dengan ukuran mini dan didalamya terintgrasi sebuah
prosesor, memori (RAM, flash memori, dll), dan peripheral input/output.
Mikrokontroler merupakan komputer dalam bentuk chip yang digunakan
untuk mengontrol peralatan elektronik yang menekankan efisiensi dan efektifitas
biaya. Mikrokontroler bisa juga disebut sebagai pengendali kecil, karena cara
kerjanya yaitu membaca dan menulis data serta mempunyai input dan output
yang dikendalikan oleh program yang dapat ditulis dan dihapus dengan cara
khusus di dalam memorinya, dimana sebuah sistem elektronik yang sebelumnya
banyak memerlukan komponen-komponen pendukung seperti IC TTL dan
CMOS dapat direduksi atau diperkecil dan akhirnya menjadi sistem yang
terpusat serta dikendalikan oleh mikrokontroler.
2.4.1 Sejarah Mikrokontroler
Mikrokontroler pertama kali dikenalkan oleh Texas Instrument dengan
seri TMS 1000 pada tahun 1974 yang merupakan mikrokontroler 4 bit pertama.
Mikrokontroler ini mulai dibuat sejak 1971. Mikrokontroler ini merupakan
mikrokomputer dalam sebuah chip, lengkap dengan RAM dan ROM. Kemudian
pada tahun 1976 Intel mengeluarkan mikrokontroler yang sekarang menjadi
populer dengan nama 8748 yang merupakan mikrokontroler 8 bit keluarga MCS
48.
Asep Suryana Mustopa
21
Elektrokardiograf Tiga Lead
2.4.2 Manfaat Mikrokontroler
Mikrokonktroler digunakan dalam produk dan alat-alat kontrol yang
dikendalikan secara otomatis. Penggunaan mikrokontroler jauh lebih praktis
dengan
ukuran yang lebih kecil, biaya yang murah, dan konsumsi daya yang
rendah
dibandingkan dengan menggunakan mikroprosesor yang memerlukan
memori, dan peripheral input / output yang terpisah, maka mikrokontroler jauh
lehih
unggul
dibandingkan
dengan
mikroprosesor.
Dengan
dibuatnya
mikrokontroler, segala proses kontrol elektronik menjadi lebih ekonomis.
Keuntungan
menggunakan mikrokontroler adalah:
1. Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas.
2. Rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian
besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi.
3. Pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya yang
kompak.[14]
Agar sebuah mikrokontroler dapat berfungsi, maka mikrokontroler
tersebut memerlukan komponen eksternal yang disebut dengan sistem minimum.
Untuk membuat sistem minimum, paling minimal dibutuhkan sistem clock dan
reset. Walaupun pada beberapa mikrokontroler sudah menyediakan sistem clock
internal, sehingga tanpa rangkaian eksternal pun mikrokontroler sudah dapat
dioperasikan.
2.4.3 Keluarga Mikrokontroler
Berdasarkan perbedaan arsitekturnya, mikrokontroler terbagi menjadi dua
jenis yaitu RISC dan CISC. Pembagian ini dibedakan berdasarkan pada
kompleksitas instruksi-instruksinya. Diantaranya adalah sebagai berikut:
1. RISC
merupakan
kependekan
dari Reduced
Instruction
Set
Computer. Mikrokontroler dengan arsitektur ini memiliki instruksi yang
terbatas, tetapi memiliki fasilitas yang lebih banyak.
2. CISC merupakan kependekan dari Complex Instruction Set Computer.
Mikrokontroler dengan arsitektur ini memiliki instruksi lebih lengkap
tapi dengan fasilitas secukupnya. [14]
Asep Suryana Mustopa
22
Elektrokardiograf Tiga Lead
Selain dari jenis arsitektur, mikrokontroler juga dibedakan berdasarkan
keluarga-keluarga. Perbedaannya dari setiap keluarga adalah sebagai berikut:
1. Keluarga MCS51
Mikrokonktroler ini termasuk dalam keluarga mikrokonktroler dengan
arsitektur
CISC. Sebagian besar instruksinya dieksekusi dalam 12 siklus clock.
Mikrokontroler ini awalnya dirancang untuk aplikasi mikrokontroler chip
tunggal, sebuah mode perluasan yang memungkinkan menggunakan ROM
external 64KB dan RAM external 64KB yang diberikan alamat dengan cara jalur
pemilihan chip yang terpisah untuk akses program dan memori data.
Salah satu jenis dari keluarga MCS51 adalah 8051. Kemampuan dari
mikrokontroler 8051 adalah mengizinkan operasi logika boolean tingkatan-bit
dapat dilakukan secara langsung dan secara efisien dalam register internal dan
RAM. Karena itulah MCS51 digunakan dalam rancangan awal PLC
(Programmable Logic Control). [14]
2. AVR
Mikrokonktroler Alv and Vegard’s Risc processor atau disingkat AVR
merupakan mikrokonktroler dengan arsitektur RISC 8 bit. Karena RISC inilah
sebagian besar kode instruksinya dikemas dalam satu siklus clock. AVR adalah
jenis mikrokontroler yang paling sering dipakai dalam bidang elektronika dan
instrumentasi.
Secara umum AVR dapat dikelompokkan dalam 4 kelas. Pada dasarnya
yang membedakan masing-masing kelas adalah memori, peripheral dan
fungsinya. Keempat kelas tersebut adalah keluarga ATTiny, keluarga AT90Sxx,
keluarga ATMega dan AT86RFxx. [14]
3. PIC
Mikrokontroler
Interface
PIC
Controller. Tetapi
merupakan
pada
kependekan
perkembangannya
dari Programmable
berubah
menjadi
Programmable Intelligent Computer.
PIC termasuk keluarga mikrokonktroler berarsitektur CISC yang dibuat
oleh
Microchip
Asep Suryana Mustopa
Technology.
Awalnya
dikembangkan
oleh
Divisi
23
Elektrokardiograf Tiga Lead
Microelektronic
General
Instruments
dengan
nama
pemograman melalui hubungan serial pada komputer.
PIC1640,
dengan
[14]
2.4.4 ADC Mikrokontroler
Salah satu fasilitas dari IC mikrokontroler adalah memiliki converter
analog
ke digital (ADC). ADC mikrokontroler yang berfungsi untuk mengubah
data analog menjadi data digital agar data analog tersebut dapat diolah oleh
mikrokontroler.
ADC mikrokontroler memiliki 2 karakter prinsip yaitu kecepatan sampling
dan resolusi. Kecepatan sampling suatu ADC menyatakan seberapa sering sinyal
analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital pada selang waktu tertentu.
Kecepatan sampling biasanya dinyatakan dalam sample per second (SPS). [13]
Ada dua jenis konversi pada ADC mikrokontroler, yaitu yang pertama
mode konversi tunggal (single conversion). Dalam mode ini konversi dilakukan
untuk sekali pembacaan sampel tegangan input. Konversi dimulai ketika bit
ADSC di-set dan bit ini tetap di-set sampai satu kali konversi selesai, setelah itu
bit ini otomatis di clear CPU. Sedangkan mode yang kedua yaitu mode konversi
kontinyu (free running). Dalam mode ini konversi dilakukan secara terus
menerus (ADC membaca sampel tegangan input lalu dikonversi dan hasilnya
ditampung di register ADCH dan ADCL secara terus menerus)[12]
2.5 Wi-Fi
Wi-Fi merupakan kependekan dari Wireless Fidelity, yang memiliki
pengertian sekumpulan standar yang digunakan untuk jaringan lokal nirkabel
(Wireless Local Area Network-WLAN) yang didasarkan pada spesifikasi IEEE
802.11. [11]
Awalnya Wi-Fi ditujukan untuk penggunaan perangkat nirkabel dan
Jaringan Area Lokal (LAN), namun saat ini lebih banyak digunakan untuk
mengakses internet. Hal ini memungkinan seseorang dengan komputer dengan
kartu nirkabel (wireless card) atau personal digital assistant (PDA) untuk
terhubung dengan internet dengan menggunakan titik akses (atau dikenal dengan
hotspot) terdekat. [11]
Asep Suryana Mustopa
24
Elektrokardiograf Tiga Lead
Wi-Fi dirancang berdasarkan spesifikasi IEEE 802.11. Sekarang ini ada
empat variasi dari 802.11, yaitu:
A. 802.11a
B. 802.11b
C. 802.11g
D. 802.11n
Spesifikasi b merupakan produk pertama Wi-Fi. Variasi g dan n
merupakan pengembangan dari produk sebelumnya. Berikut ini diberikan
penjelasan
spesifikasi Wireless Fidelity (Wi-Fi).
A. 802.11a
IEEE 802.11a adalah sebuah teknologi jaringan nirkabel yang merupakan
pengembangan lebih lanjut dari standar IEEE 802.11 yang asli, namun bekerja
pada bandwidth 5.8 GHz dengan kecepatan maksimum hingga 54 Mbps. Metode
transmisi yang digunakan adalah Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(OFDM) yang mengizinkan pentransmisian data secara paralel di dalam subfrekuensi. Penggunaan OFDM memiliki keunggulan resistansi terhadap
interferensi dengan gelombang lain dan tentunya peningkatan throughput.
B. 802.11b
IEEE 802.11b merupakan pengembangan dari standar IEEE 802.11 yang
asli, yang bertujuan untuk meningkatkan kecepatan hingga 5.5 Mbps atau 11
Mbps tapi tetap menggunakan frekuensi 2.45 GHz. Dikenal juga dengan IEEE
802.11 HR. Pada praktiknya kecepatan maksimum yang dapat diraih oleh standar
IEEE 802.11b mencapai 5,9 Mbps pada protokol TCP, dan 7.1 Mbps pada
protokol UDP.
Standard ini sempat diterima oleh pemakai di dunia dan masih bertahan
sampai saat ini. Tetapi sistem b bekerja pada band yang cukup kacau dan mudah
terganggu seperti gangguan pada Cordless dan frekuensi microwave yang dapat
menganggu pada daya jangkaunya. Standard 802.11b hanya memiliki kemampuan
tranmisi standard dengan kecepatan 11Mbps atau rata rata 5 Mbps yang dirasakan
lambat, menggandakan (turbo mode) kemampuan wireless selain lebih mahal
tetapi tetap tidak mampu menandingi kemampuan tipe a dan g.
Asep Suryana Mustopa
25
Elektrokardiograf Tiga Lead
C. 802.11g
IEEE 802.11g adalah sebuah standar jaringan nirkabel yang bekerja pada
frekuensi 2,45 GHz dan menggunakan metode modulasi OFDM. 802.11g yang
dipublikasikan
pada bulan Juni 2003 mampu mencapai kecepatan hingga 54 Mbps
pada pita frekuensi 2,45 GHz, sama seperti halnya IEEE 802.11 dan IEEE
802.11b. Standar ini menggunakan modulasi sinyal OFDM sehingga lebih resistan
terhadap interferensi dari gelombang lainnya. [2]
D. 802.11n
802.11n
didasarkan
pada
standar
802,11
sebelumnya
dengan
menambahkan
multiple-input multiple-output (MIMO) dan 40 MHz ke lapisan
saluran fisik (PHY), dan frame agregasi ke MAC layer. MIMO adalah teknologi
yang menggunakan beberapa antena untuk menyelesaikan informasi lebih lanjut
secara koheren dari pada menggunakan satu antena. Dua manfaat penting MIMO
adalah menyediakan keragaman antenna dan spasial multiplexing untuk 802.11n.
Kemampuan lain teknologi MIMO adalah menyediakan Spatial Division
Multiplexing (SDM). SDM secara spasial multiplexer beberapa stream data
independent di-transfer secara serentak dalam satu saluran spektral bandwidth.
MIMO SDM dapat meningkatkan throughput data seperti jumlah dari pemecahan
stream data spatial yang ditingkatkan. Setiap aliran spasial membutuhkan antena
yang terpisah baik pada pemancar dan penerima. Di samping itu, teknologi MIMO
memerlukan rantai frekuensi radio yang terpisah dan analog-ke-digital converter
untuk masing-masing antena MIMO yang merubah biaya pelaksanaan menjadi
lebih tinggi dibandingkan dengan sistem non-MIMO. Untuk spesifikasi Wi-Fi
seperti pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Spesifikasi Wi-Fi
Spesifikasi
802.11a
802.11b
802.11g
802.11n
Asep Suryana Mustopa
Kecepatan
54 Mbps
11 Mbps
54 Mbps
100 Mbps
Frekuensi Band
~2.4 GHz
~2.4 GHz
~2.4 GHz
~5 GHz
Cocok dengan
a
b
b, g
b, g, n
26
Elektrokardiograf Tiga Lead
2.6 I TO V CONVERTER
Converter arus ke tegangan merupakan rangkaian untuk mengubah arus
listrik menjadi tegangan, bila terjadi perubahan arus maka tegangan juga akan
berubah.
Untuk membuat rangkaian pengkonversi arus ke tegangan dapat
menggunakan
komponen pasif resistor.
Sesuai dengan hukum Ohm bahwa besar arus listrik yang mengalir dalam
sebuah konduktor berbanding lurus dengan besar tegangannya. Atau dapat
dituliskan dalam Persamaan 2.17 sebagai berikut:
V= I R
(2.17)
Dimana
V = Tegangan
I = Besar kuat arus
R = Resistansi konduktor
Berdasarkan
persamaan
diatas,
maka
dapat
digambarkan
kurva
perbandingan arus dan tegangan sebagai berikut:
R
es
is
ta
nc
e
(Ω
)
Current (A)
Voltage (V)
Gambar 2.14 Perbandingan Arus Terhadap Tegangan
Asep Suryana Mustopa
27
Elektrokardiograf Tiga Lead
Gambar 2.15 Rangkaian Konverter Arus Ke Tegangan
Besar tegangan pada beban akan sama dengan besar hambatan
beban dikalikan dengan arus beban, dan besar tegangan pada resistansi
sama dengan besar arus resistansi dikalikan dengan besar hambatan
resistansi. Jadi bila arus sumber turun, maka tegangan pada beban juga
akan turun.
Asep Suryana Mustopa
28