UNIVERSITAS BINA NUSANTARA Jurusan Sistem Komputer Skripsi Sarjana Komputer Semester Genap 2003/2004
Aplikasi FPGA dalam Pengontrolan Ruangan Hendri
0400539326
Tinus Chondro
0400530112
Robin Saor
0400535826
Abstrak Penelitian ini ditujukan sebagai solusi alternatif penggunaan FPGA, selain menggunakan mikrokontroller sebagai sistem minimum dalam sistem pengontrolan, dan menganalisis penggunaaan FPGA sebagai pengganti mikrokontroller. Metode yang digunakan pada penelitian ini, yaitu metode perancangan dan metode analisis. Metode perancangan berupa pembuatan perangkat keras, pembuatan rancang bangun dan pembuatan perangkat lunak. Metode analisis berupa analisis modul-modul secara terpisah, analisis sistem keseluruhan dan analisis kelayakan penggunaaan FPGA pada sistem. Hasil yang dicapai dari penelitian ini adalah prototipe pintu, lampu dan AC yang dapat terkontrol secara otomatis dan terpusat oleh FPGA, tanpa menggunakan komputer. Selain itu juga memperkaya referensi aplikasi FPGA, khususnya dalam sistem pengontrolan. Kesimpulan dari penelitian ini adalah penggunaan development board FPGA kurang cocok, mengingat apabila tegangan board FPGA terputus maka FPGA harus diprogram ulang. Dari segi economic value board FPGA kurang cocok, kecuali sistem yang dirancang tersebut akan diproduksi dalam jumlah yang banyak. Kata Kunci : FPGA, Pengontrolan ruangan
vii
PRAKATA
Ucapan syukur dan terima kasih kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul Aplikasi FPGA dalam Pengontrolan Ruangan ini. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat dalam menyelesaikan studi Strata-1 Jurusan Sistem Komputer Fakultas Ilmu Komputer Universitas Bina Nusantara. Selama pembuatan skripsi ini, penulis menyadari banyak bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Ibu Dr. Ir. Th. Widia S., selaku Rektor Universitas Bina Nusantara yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan penulisan skripsi ini. 2. Bapak Iman H. Kartowisastro, Ph.D., selaku Ketua Jurusan Sistem Komputer yang telah memberikan kepercayaan kepada penulis untuk menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Robby Saleh, S.Kom., selaku Sekretaris Jurusan Sistem Komputer yang telah memberikan kepercayaan kepada penulis untuk menyelesaikan skripsi ini. 4. Bapak Fransiscus Ati Halim, S.Kom, MM., selaku dosen pembimbing yang telah memberikan ide, saran, dorongan, dan bimbingan kepada penulis untuk menyelesaikan penyusunan skripsi ini. 5. Bapak Wiedjaja, S.Kom, selaku Kepala UPT Laboratorium Perangkat Keras yang telah memberikan kesempatan untuk menggunakan fasilitas laboratorium. 6. Bapak Sofyan, S.Kom, atas semua masukan yang telah diberikan kepada penulis. 7. Semua dosen Universitas Bina Nusantara yang selama ini telah memberikan ilmu dan bimbingan akademis kepada penulis selama perkuliahan. viii
8. Orang tua dan keluarga yang telah memberikan dukungan moral, materiil dan doa kepada penulis. 9. Teman-teman dan asisten laboratorium UPT Perangkat Keras. 10. Segenap civitas akademika Universitas Bina Nusantara tempat penulis membina ilmu dan berkarya selama ini. 11. Serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah memberikan bantuan sehingga terselesaikan penyusunan skripsi ini.
Meskipun perancangan yang dilakukan pada skripsi ini masih sangat sederhana dan mendasar, namun penulis berharap melalui skripsi ini pembaca dapat memahami cara mengontrol komponen dalam ruangan dengan menggunakan FPGA, dan menggunakannya sebagai bahan referensi untuk penelitian yang sejenis. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh sebab itu kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan sehingga dapat dilakukan perbaikan pada skripsi ini dan dapat dilakukan pengembangan lebih lanjut. Akhirnya penulis juga berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di Universitas Bina Nusantara.
Jakarta, 26 Juli 2004
Penulis
ix
DAFTAR ISI
Halaman Judul Luar ……………………………………………………………….… i Halaman Judul Dalam ……………………………………………………………….. ii Halaman Persetujuan Softcover ……………………………………………..………. iii Halaman Pernyataan Dewan Penguji ………………………………………..………. iv Abstrak ……………………………………………………………………….……… vii Prakata ……………………………………………………………………….………. viii Daftar Isi ……………………………………………………………………..……… x Daftar Tabel …………………………………………………………………….…… xiv Daftar Gambar …………………………………………………………………….… xv Daftar Lampiran ………………………………………………………….....……… xviii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang ………………………….…………………………. 1
1.2
Ruang Lingkup …………………….………………………………. 2
1.3
Tujuan dan Manfaat ………….……………………………………. 4
1.4
Metodologi …………….…………………………………………... 4
1.5
Sistematika Penulisan ……………….…………………………….. 5
BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1
Pengenalan Field Programmable Gate Array (FPGA) ......................... 7 2.1.1
Xilinx Spartan FPGA ………………………………............... 11
2.1.2
Algorithmic State Machine (ASM) Chart …………………. x
12
2.1.3
Foundation Series ……………………………………………. 12 2.1.3.1
Skematik ………………………………………....... 14
2.1.3.2
VHDL (VHSIC (Very HIGH Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language) ……....… 15
2.1.3.3
State Diagram …………………………………….
18
2.2
ADC (Analog to Digital Converter) …………………………...……. 19
2.3
Motor DC …………………………………………………………..... 23
2.4
Sensor Suhu ……………………………………………………...….. 25
2.5
Infra merah ……………………………………………………...….... 26
2.6
Pewaktu ………………………………………………………...……. 28
BAB 3 PERANCANGAN SISTEM 3.1
3.2
Perancangan Perangkat Keras .............................................................. 29 3.1.1
Modul FPGA ………….…………………………...…............ 30
3.1.2
Rangkaian ADC ....................................................................... 32
3.1.3
Rangkaian Motor DC................................................................ 33
3.1.4
Rangkaian Sensor Suhu ........................................................... 35
3.1.5
Rangkaian Infra Merah ............................................................ 36
3.1.6
Modul Lampu ........................................................................... 37
3.1.7
Modul remote AC .................................................................... 37
Perancangan Perangkat Lunak ............................................................. 38 3.2.1
Program Utama ……………………………………………… 38 3.2.1.1
Proses PS ................................................................... 39
3.2.1.2
Proses PS_sh ............................................................. 49 xi
3.2.2
3.3
3.2.1.3
Proses PS_lp .............................................................
3.2.1.4
Proses PS_ac ............................................................. 55
3.2.1.5
Proses Pengaturan State ............................................ 59
Sub Program ............................................................................
53
60
3.2.2.1
Decoder 7Segment .................................................... 60
3.2.2.2
Counter 2-bit ............................................................. 62
3.2.2.3
Decoder Suhu ............................................................ 63
Rancang Bangun .................................................................................. 66 3.3.1
Rancang Bangun Prototipe Pintu ............................................. 66
3.3.2
Rancang Bangun Sensor Infra Merah ...................................... 68
3.3.3
Rancang Bangun Remote AC .................................................. 70
BAB 4 IMPLEMENTASI DAN EVALUASI 4.1
Spesifikasi Sistem ................................................................................ 72
4.2
Prosedur Operasional ............................................................................
4.3
Rencana Implementasi ......................................................................... 75
73
4.4 Evaluasi/Analisis Hasil Percobaan ......................................................... 75 4.4.1
Evaluasi sensor suhu ...............................................................
4.4.2
Evaluasi counter orang dengan infra merah ............................. 78
4.4.3
Analisa kemampuan jangkauan infra merah ............................ 81
4.4.4
Analisa delay waktu ................................................................. 82
4.4.5
Analisa kinerja sistem keseluruhan .......................................... 83
4.4.6
Analisa penggunaan resource FPGA ....................................... 85
xii
75
BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN 5.1
Simpulan .............................................................................................. 87
5.2
Saran ..................................................................................................... 88
DAFTAR PUSTAKA …............................................................................................ 89 RIWAYAT HIDUP …............................................................................................... 90 LAMPIRAN-LAMPIRAN ….................................................................................... 91
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Perbandingan wavenumbers dengan panjang jangkauan ........................... 27 Tabel 3.1 Logika Motor DC ....................................................................................... 35 Tabel 3.2 Urutan Sensor Infra merah ......................................................................... 70 Tabel 4.1 Evaluasi Suhu hari pertama ....................................................................... 76 Tabel 4.2 Evaluasi Suhu hari kedua ........................................................................... 76 Tabel 4.3 Evaluasi Suhu hari ketiga ........................................................................... 77 Tabel 4.4 Evaluasi Suhu hari keempat ....................................................................... 77 Tabel 4.5 Evaluasi Suhu hari kelima ......................................................................... 78 Tabel 4.6 Simulasi objek memasuki ruangan ............................................................ 79 Tabel 4.7 Simulasi objek keluar dari ruangan ............................................................ 80 Tabel 4.8 Tabel hasil percobaan delay clock internal 16 kHz ................................... 82
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Tiga Komponen Utama FPGA ............................................................. 7
Gambar 2.2
Tiga Teknik Implementasi Pengontrolan Logika pada FPGA ............. 8
Gambar 2.3
Skematik Sebuah Slice ......................................................................... 9
Gambar 2.4
Skematik IOB ....................................................................................... 10
Gambar 2.5
Komponen-komponen pada ASM Chart ............................................. 12
Gambar 2.6
Tampilan Software Foundation Series ................................................. 13
Gambar 2.7
Tampilan Skematik Rangkaian Digital ................................................ 14
Gambar 2.8
Tampilan HDL ..................................................................................... 16
Gambar 2.9
Tampilan State Diagram ...................................................................... 18
Gambar 2.10 ADC 0809 ............................................................................................ 19 Gambar 2.11 Blok Diagram ADC 0809 .................................................................... 21 Gambar 2.12 Motor DC ............................................................................................. 23 Gambar 2.13 Magnet Motor DC ................................................................................ 24 Gambar 2.14 Brushes dalam Motor DC .................................................................... 25 Gambar 2.15 Komponen Motor DC .......................................................................... 25 Gambar 2.16 Skematik Rangkaian IC LM 555 ......................................................... 28 Gambar 3.1
Diagram Blok Sistem ........................................................................... 29
Gambar 3.2
Rangkaian Push Button pada FPGA .................................................... 30
Gambar 3.3
Rangkaian Seven-segment Display pada FPGA .................................. 31
Gambar 3.4
Rangkaian ADC ................................................................................... 32
Gambar 3.5
Rangkaian Relay motor ........................................................................ 34
Gambar 3.6
Rangkaian Sensor Suhu ....................................................................... 35 xv
Gambar 3.7
Rangkaian Sensor Infra merah ............................................................. 36
Gambar 3.8
Rangkaian Relay Lampu ...................................................................... 37
Gambar 3.9
Rangkaian Relay Remote AC .............................................................. 38
Gambar 3.10 ASM Chart State A .............................................................................. 10 Gambar 3.11 ASM Chart State B .............................................................................. 41 Gambar 3.12 ASM Chart State C .............................................................................. 42 Gambar 3.13 ASM Chart State D .............................................................................. 42 Gambar 3.14 ASM Chart State E ..............................................................................
43
Gambar 3.15 ASM Chart State count1 ...................................................................... 43 Gambar 3.16 ASM Chart State count2 ...................................................................... 44 Gambar 3.17 ASM Chart State delay ........................................................................ 45 Gambar 3.18 ASM Chart State ttp ............................................................................. 46 Gambar 3.19 ASM Chart State bk_1 ......................................................................... 47 Gambar 3.20 ASM Chart State bk_2 ......................................................................... 47 Gambar 3.21 ASM Chart State plus .......................................................................... 48 Gambar 3.22 ASM Chart State min ..........................................................................
48
Gambar 3.23 ASM Chart State Start_sh ...................................................................
49
Gambar 3.24 ASM Chart State Sh01 ......................................................................... 50 Gambar 3.25 ASM Chart State Sh02 ......................................................................... 51 Gambar 3.26 ASM Chart State Sh03 ......................................................................... 52 Gambar 3.27 ASM Chart State Sh04 ......................................................................... 53 Gambar 3.28 ASM Chart State Light ........................................................................ 54 Gambar 3.29 ASM Chart State Delay_lp .................................................................. 55 Gambar 3.30 ASM Chart State AC ........................................................................... 56 xvi
Gambar 3.31 ASM Chart State ksng ......................................................................... 57 Gambar 3.32 ASM Chart State Delay_ac .................................................................. 58 Gambar 3.33 ASM Chart State ksng1 ....................................................................... 58 Gambar 3.34 ASM Chart Proses Pengaturan State .................................................... 59 Gambar 3.35 ASM Chart Decoder 7Segment ........................................................... 61 Gambar 3.36 ASM Chart Counter 2-bit ..................................................................... 63 Gambar 3.37 ASM Chart Decoder Suhu (1) .............................................................. 64 Gambar 3.38 ASM Chart Decoder Suhu (2) .............................................................. 65 Gambar 3.39 Rancang Bangun Protipe Pintu (Tampak Depan) ................................ 66 Gambar 3.40 Rancang Bangun Protipe Pintu (Tampak Samping) ............................ 67 Gambar 3.41 Prototipe Pintu (Tampak Depan) ......................................................... 67 Gambar 3.42 Rancang Bangun Peletakan Infra merah (Tampak Samping) .............. 68 Gambar 3.43 Rancang Bangun Peletakan Infra Merah (Tampak Depan) ................. 69 Gambar 3.44 Penempatan Infra merah pada Prototipe Pintu ....................................
69
Gambar 3.45 Rancang Bangun Remote AC .............................................................. 71 Gambar 3.46 Modul Remote AC ............................................................................... 71 Gambar 4.1
Tampilan Report Implementasi ............................................................ 86
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
Listing Program Utama ............................................................................................. L1 Listing Sub Program Decoder 7Segment .................................................................. L17 Listing Sub Program Counter 2-bit .......................................................................... L19 Listing Sub Program Decoder Suhu ……................................................................. L20 Listing Penentuan Port-port Input dan Output (File.ucf) .......................................... L23 Skematik Rangkaian ................................................................................................. L24 Digilab XLA Reference Manual ............................................................................... L26 Digilab XL Board ..................................................................................................... L38 XCS10 & XCS10XL Device Pinout ......................................................................... L39
xviii
