BAB 2 LANDASAN TEORI
2.1
Pengenalan Field Programmable Gate Array (FPGA) FPGA (Field Programmable Gate Array) merupakan salah satu tipe dari PLD (Programmable Logic Devic)¸ atau komponen logic yang dapat diprogram fungsi logicnya sesuai dengan keinginan. Di dalam chip FPGA terdapat ribuan sampai jutaan gerbang, dimana gerbang-gerbang tersebut akan membentuk fungsi-fungsi logic. FPGA terdiri dari kumpulan Configurable Logic Blocks (CLBs) dan dihubungkan oleh jalur-jalur yang dikendalikan oleh Programmable Switch Matrix (PSM), dan Input/KeluaranBlock (IOB) (Gambar 2.1). (Mano dan Kime, 2001, p328-329)
Gambar 2.1 Tiga Komponen Utama FPGA 7
8 Informasi program untuk mengontrol elemen logika yang dapat dikonfigurasi dan interkoneksi antara sumber-sumber, disimpan menggunakan teknologi SRAM (Static Random Access Memory). Implementasi logika dari pengontrolan oleh bit-bit SRAM menggunakan tiga teknik, yaitu Pass Transistor Control (Gambar 2.2a), Multiplexer Control (Gambar 2.2b), dan Look Up Table (LUT) (Gambar 2.2c). (Mano dan Kime, 2001,p329)
Gambar 2.2 Tiga Teknik Implementasi Pengontrolan Logika pada FPGA
CLB
merupakan
array
dari
blok-blok
atau
elemen
untuk
mengkonfigurasi atau membangun logika. Blok-blok dasar yang membangun sebuah CLB disebut Logic Cell (LC). Setiap LC mengandung 4-masukan function generator, carry logic, dan storage element. Setiap CLB terdiri dari empat buah LC yang dikelompokkan kedalam dua buah potongan yang serupa (Gambar 2.3). (Xilinx, Inc, 2003, p3).
9
Gambar 2.3 Skematik Sebuah Slice
Masing-masing CLB dapat diprogram dengan fungsi logic yang diinginkan. Hubungan antara CLB ke masukan dan keluaran pin dapat diprogram melalui PSM. CLB sendiri terdiri dari komponen-komponen, terutama Random Access Memory (RAM) dan multiplexer. RAM di dalam CLB terutama digunakan sebagai Look Up Table (LUT) yang akan menyimpan data sesuai dengan fungsi logic yang ingin
10 dibentuk. Alamat dari LUT ini menjadi masukan bagi fungsi logic, dan outputnya dihasilkan dari data yang tersimpan di dalam LUT. Untuk dapat berinteraksi FPGA mempunyai IOB (Input Output Block) yang berfungsi sebagai penghubung rangkaian digital di dalam FPGA dengan komponenkomponen lain di luar chip FPGA. IOB dapat berfungsi sebagai port masukan maupun keluaran (Bidirectional) dengan masing masing pin I/O FPGA terhubung ke satu IOB. IOB terdiri dari register dan three-state buffer. Register pada IOB berfungsi sebagai edge-triggered D-type flip-flop atau sebagai level-sensitive latch (Gambar 2.4). Three-state buffer memungkinkan I/O pin digunakan sebagai masukan, keluaran, atau masukan/keluaran (Xilinx,Inc,2000, p2-9).
Gambar 2.4 Skematik IOB
11 Rangkaian
Delay-locked
Loop
(DLL)
memungkinkan
zero
propagation delay, LOW clock skew dari sinyal clock keluaran yang disebarkan ke setiap device, dan clock domain control yang mutakhir.(Xilinx, Inc, 2003, p20)
2.1.1
Xilinx Spartan FPGA FPGA yang digunakan pada penelitian ini merupakan produk dari perusahaan Xilinx. Untuk penelitian, digunakan Development Kit dari perusahaan Digilent yang menggunakan FPGA dengan tipe XCS10/XL, berasal dari keluarga Spartan dengan kapasitas sekitar 10.000 gerbang, memiliki 196 CLB, serta dapat dioperasikan dengan kecepatan hingga lebih dari 80 MHz. akan tetapi chip oscillator yang terpasang pada board development
kit
hanya
mampu
mencapai
frekuensi
50
MHz.
(Xilinx,Inc,2000, p1). (Digilent, 2000, p12). Pada board ini dapat dilakukan pengujian fungsi dari masing-masing blok fungsi sistem, baik pada frekuensi yang rendah maupun tinggi. Pemrograman terhadap FPGA dapat dilakukan oleh PC melalui port paralel, maupun menggunakan Serial Programmable Read Only Memory (SPROM) yang akan langsung memprogram FPGA saat power diberikan. Akan tetapi chip SPROM ini hanya dapat ditulis sekali dan tidak dapat dihapus atau diprogram ulang, sehingga penggunaannya sangat terbatas untuk sistem yang telah sempurna.
12
2.1.2
Algorithmic State Machine (ASM) Chart ASM (Algorithmic State Machine) chart merupakan salah satu jenis flowchart yang dapat digunakan untuk merepresentasikan perubahaan state dan keluaran yang dihasilkan dari sebuah rangkaian sekuensial. ASM chart mempunyai 3 (tiga) komponen yaitu: state box, decision box, dan conditional output box. State box merupakan sebuah kotak yang merepresentasikan sebuah state dari rangkaian sekuensial.
Gambar 2.5 Komponen-komponen pada ASM Chart
2.1.3
Foundation Series Untuk merancang desain sistem, digunakan software Foundation Series 2.1i dari perusahaan Xilinx (Gambar 2.6). Sehingga rangkaian yang akan dibuat dapat didesain, disimulasikan dan diimplementasikan ke dalam
13 development kit untuk diamati hasilnya. Hasil rancangan ditransfer ke dalam FPGA melalui proses yang disebut programming.
Gambar 2.6 Tampilan Software Foundation Series
Sistem yang dirancang dapat berupa skema rangkaian digital (schematic), bahasa pemrograman Hardware Description Language (HDL), dan State Diagram yang kemudian akan dikompile oleh software tersebut ke dalam bit file yang dimengerti oleh FPGA. (Xilinx. Inc, 2000).
14 2.1.3.1
Skematik Skematik merupakan bahasa pemrograman berdasarkan kombinasi gerbang-gerbang logika. Di dalamnya sudah disertakan modul-modul umum seperti penjumlah (full adder, half adder), pengali dan sebagainya. Bahkan modul-modul aplikasi seperti Arithmetic Logic Unit (ALU) dan lain-lain juga disertakan dalam modul Core Generator (Gambar 2.7).
Gambar 2.7 Tampilan Skematik Rangkaian Digital
15 Untuk memprogram FPGA menggunakan skematik digunakanlah Schematic Editor, dimana Schematic Editor adalah sebagai alat masukan desain yang pertama kali. Mendukung pembuatan hierarki skematik lebih dari satu halaman.
2.1.3.2
VHDL (VHSIC (Very HIGH Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language) VHDL merupakan standar yang dikembangkan oleh IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Standar yang digunakan secara luas adalah VHDL 1076-1987, sedangkan versi revisinya
VHDL
1076-1993
masih
dalam
proses
untuk
menggantikan versi yang lama. VHDL
dapat
digunakan
sebagai
dokumentasi,
pembuktian, dan sintesa pada rancangan digital berukuran besar. VHDL menggunakan tiga pendekatan untuk mendiskripsikan hardware. Ketiga pendekatan itu adalah metode structural, data flow, dan behavioral. (http//www.gmvhdl.com/vhdl.html, 2003) (Gambar 2.8)
16
Gambar 2.8 Tampilan HDL
Metode structural membagi rancangan ke dalam beberapa blok agar mudah dimengerti dan diatur. Blok-blok tersebut kemudian dihubungkan hingga membentuk rancangan yang utuh. Setiap blok pada VHDL dapat disamakan pada sebuah bagian yang berdiri sendiri menggambarkan
yang disebut entity. Entity juga
antarmuka
rancangan.
Component
menggambarkan antarmuka dari entity yang akan digunakan sebagai sebuah instance (sub blok). Component instance adalah salinan lain dari sebuah component yang akan dihubungkan ke bagian (part) dan sinyal lain.
17 Pada metode data flow, jalur digambarkan dengan menyatakan bagaimana masukan dan keluaran dalam komponen primitif (seperti gerbang AND) terhubung. Bagian arsitektur menggambarkan operasi internal dari sebuah rancangan dan metode ini menentukan bagaimana aliran data dari masukan hingga keluaran. Pendekatan dengan metode behavioral berbeda dengan dua
metode
sebelumnya.
menggambarkan
Metode
bagaimana
ini
rancangan
tidak
benar-benar
diimplementasikan.
Dasarnya adalah pendekatan kotak hitam (black box) dalam melakukan pemodelan, tidak peduli apa isi kotak hitam tersebut dan bagaimana cara kerjanya. Penjabaran behavioral didukung oleh process statement yang muncul dalam badan architecture declaration seperti pada saat menyatakan signal assigment. Isi dari process statement dapat diurutkan penulisannya seperti pada sequential
statement
yang
ditemukan
dalam
bahasa
pemrograman. Gambar pada skematik dapat langsung menyampaikan struktur rancangan, tetapi karena formatnya yang spesifik menyebabkan skematik tidak portable. VHDL lebih portable dan mudah dimodifikasi. Banyak development software yang hanya mendukung representasi textual dari rancangan (seperti VHDL, Verilog, Abel, dan HDL yang lain). Ada beberapa tool yang
18 memungkinkan perubahan format dari representasi textual yang satu ke yang lainnya.
2.1.3.3 State Diagram Bahasa pemrograman yang dikhususkan untuk alat yang sekuensial. Untuk pemrogramannya digunakan State Editor (Gambar 2.9). State Editor adalah alat desain untuk mengedit grafik dari diagram state. Kelebihannya dibanding HDL adalah pemrogrman HDL harus ditulis sendiri kodenya, sedangkan menggunakan state diagram hanya dengan mendeskripsikan logic block sebagai diagram grafik saja.
Gambar 2.9 Tampilan State Diagram
19
2.2
ADC (Analog to Digital Converter) Komponen ADC 0809 (Gambar 2.10) adalah sebuah alat CMOS yang monolitik dengan 8 bit konversi analog ke digital, 8 kanal multiplexer dan mikroprosessor yang kompatibel dengan control logic. 8 bit converter analog ke digital menggunakan teknik aproksimasi sebagai teknik konversinya. Pengubah ini menghasilkan impedansi chopper yang sangat tinggi dari komparator yang telah terstabilisasi, 256R pembagi tegangan dengan pohon switch analog dan register yang bisa diaproksimasi. 8 kanal multiplexernya dapat diakses langsung dari salah satu 8 signal analognya.
Gambar 2.10 ADC 0809
20 IC ini menghilangkan kebutuhan akan nilai nol eksternal dan pencocokan skala secara menyeluruh. Interfacing yang mudah ke microprosessor dihasilkan dari alamat masukan multiplexer dan keluaran dari TTL TRI-STATE. ADC 0809 memberikan kecepatan yang tinggi, akurasi yang tinggi, ketergantungan suhu yang rendah, keakuratan dan pengulangan jangka panjang yang sangat baik sekali, dan membutuhkan tenaga yang sangat rendah. Karakteristiknya : 1. Sebagai alat penghubung yang mudah ke semua mikroprosessor. 2. Beroperasi secara ratiometrically atau dengan 5 VDC atau tergantung
dari rentang tegangannya. 3. Tidak ada nol atau tidak perlu melakukan penyesuaian secara penuh. 4. 8-channel multiplexer dengan alamat logika 5. 0V hingga 5V sebagai masukannya 6. beroperasi dengan power supply sebesar 5V
21
Analog Input
Multiplexer
Gambar 2.11 Blok Diagram ADC 0809
ADC 0809 memiliki 8 kanal signal analog multiplexer. Dari 8 kanal sebagai masukan akan dipilih salah satu sebagai masukan dengan menggunakan alamat dari decoder. Sebagai inti dari ADC 0809 adalah kemampuannya untuk mengubah 8 bit data analog menjadi 8 bit data digital. ADC 0809 didesain untuk memberikan data yang cepat, akurat, dan konversi secara berulang-ulang dengan jangkaun kondisi suhu yang luas. Pengubah ini dibagi menjadi tiga bagian penting, yaitu 256R pembagi tegangan, register dengan pendekatan succesive¸dan komparator.
22 Keluaran dari pengubah adalah data yang sudah digital. Penggunaan pembagi tegangan 256R daripada pembagi R/2R karena inherent monotonicity, dimana dijamin tidak akan ada kode digital yang hilang. Monotonicity sangat penting untuk rangkain yang bersifat lup tertutup dan memberikan masukan ulang ke kontrol sistem. Hubungan yang non-monotonic dapat menyebabkan osilasi yang akan menjadi katastropik ke sistem. Biasanya, pembagi tegangan 256R tidak mengakibatkan tegangan referensi. Tahanan yang paling atas dan paling bawah dari pembagi tegangan tidak sama nilainya dengan pengingat jaringan. Perbedaannya adalah tahanan tersebut akan memberikan keluaran karakteristik yang simetrik dengan nol dan skala penuh dari kurva transfernya. Keluaran pertama kali ada pada saat signal analog sudah mencapai +1/2 LSB dan keluaran selanjutnya pada setiap kenaikan 2 LSB. Register dengan pendekatan succesive (SAR) menampilkan 8 kali iterasi sebagai tegangan masukkannya. Pada ADC 0809 teknik pendekatannya ditingkatkan menjadi 8 bit dengan menggunakan pembagi tegangan 256R. SAR akan di reset pada saat positive edge dari pulsa start conversion (SC) muncul. Perubahan baru akan terjadi pada saat falling edge dari pulsa perubahannya. Perubahan yang terjadi di dalam proses akan terinterupsi apabila ada pulsa perubah yang baru. Perubahan data secara terus-menerus akan berhenti apabila keluaran dari end of conversion (EOC) diberikan sebagai masukkan ke SC. Hal yang paling penting dari sebuah pengubah data analog ke digital adalah komparatornya. Komparator memiliki peran yang sangat penting untuk memberikan keakuratan ke seluruh pengubah. Komparator akan mengubah signal masukan DC menjadi signal AC. Signal tersebut akan diberikan melalui
23 amplifier AC dengan penguatan yang tinggi dan level DC yang rendah. Hal ini membuat pengubah ADC 0809 tidak terlalu sensitif terhadap suhu. Untuk mengubah data analog menjadi data digital ADC 0809 membutuhkan pembangkit clock eksternal sekitar 500 KHz. Maka ADC 0809 disambungkan dengan IC LM 555 sebagai pembangkit pulsa clock-nya.
2.3
Motor DC Penggunaan motor DC (Gambar 2.12), mempunyai beberapa keunggulan daripada motor lainnya antara lain: mempunyai torsi yang cukup kuat dan bekerja tetap konstan walaupun kondisi beban motor tersebut berubah serta arah putarannya dapat dibalik dengan mudah, cukup hanya dengan membalik polaritas tegangan pada terminal-terminal motor. Oleh karena itu, motor DC ini akan digunakan dalam desain prototype pintu geser otomatis untuk menggerakkan pintu agar membuka dan juga menutup.
Gambar 2.12 Motor DC
24 Motor DC memiliki dua buah kutub. Sebuah motor DC sederhana memiliki 6 bagian, yaitu : 1. Armature or rotor 2. Commutator 3. Brushes 4. Axle 5. Field magnet 6. DC power supply
Pada gambar 2.13 terdapat dua buah magnet pada motor. Armature atau rotor adalah sebuah elektromagnet, sedangkan field magnet adalah magnet permanen.
Gambar 2.13 Magnet Motor DC
Sebuah motor listrik adalah tentang magnet. Motor menggunakan magnet untuk membuat gerakan. Apabila kutubnya berlawan akan saling menarik, tetapi
25 bila kutubnya sama maka akan mendorong. Hal ini akan memberikan tenaga untuk membuat suatu gerakan.
Gambar 2.14 Brushes dalam Motor DC
Gambar 2.15 Komponen Motor DC
2.4
Sensor Suhu Tranduser merupakan alat yang menerima energi dari satu sistem dan menyalurkannya kembali dalam bentuk yang berbeda ke sistem lainnya.
26 Tranduser yang dipakai dapat pula disebut sebagai sensor. Sensor merupakan alat yang sangat
sensitif terhadap temperature, cahaya, empedansi, listrik dan
sebagainya. Dalam mendeteksi panas atau suhu beberapa tranduser yang digunakan diantaranya adalah Thermocouple, Resistance Temperature Detectors (RTDs), Thermistor, dan semikonduktor. Sensor suhu merupakan suatu komponen yang peka atau sangat mudah mengalami perubahan tegangan dan arus, apabila terjadi perubahan suhu pada kondisi tertentu. Pada saat ini, bahan semikonduktor juga digunakan sebagai sensor, karena salah satu sifatnya yang peka terhadap suhu. Pengindera IC LM 35 merupakan sensor suhu yang mempunyai tegangan keluaran sebanding dengan derajat celcius. IC LM 35 tidak memerlukan kalibrasi eksternal untuk menghasilkan hasil akurat sebesar ± 1 4 ▫C pada temperatur ruangan yang bersuhu antara -55 sampai +150 ▫C. Dan IC LM 35 juga memiliki impedansi keluaran yang rendah, linear output, dan ketepatan kalibrasi yang membuat pengontrolan sirkuit menjadi lebih mudah. Jenis sensor ini dapat dipakai dengan menggunakan single power supply atau dengan plus dan min supply.
2.5
Infra Merah Infra merah mempunyai bidang aplikasi yang luas, salah satunya adalah sebagai sensor gerakan (Motion Sensor). Dengan memberikan suatu sinyal pulsa pada pemancar infra merah yang dibangkitkan oleh LM 555, dimana receiver akan terus menerus secara kontinu akan menerima gelombang infra merah. Komponen yang dapat menerima infra merah merupakan komponen yang peka
27 cahaya berupa dioda (photodiode) ataupun transistor (phototransistor) keduanya disebut photo detector. Komponen ini mengubah energi cahaya menjadi pulsapulsa listrik. Dalam penerimaan, sinyal yang diterima adalah sinyal infra merah yang termodulasi. Komponen photodetector mempunyai karakteristik mirip komponen solar cell, yang mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Bila photodetector mendapat cahaya akan menghasilkan tegangan sekitar 0,5 volt, sedangkan arus yang dihasilkan tergantung dari intensitas cahaya yang masuk ke photodetector. Sinyal infra merah bekerja pada daerah spektrum elektromagnetik antara
0.78 dan 1000 µm. Dalam infra merah panjang gelombangnya diukur dengan wavenumbers, dimana satuannya adalah cm-1. Wavenumber = 1 / panjang jangkauan (cm-1) Sinyal infra merah dibagi dalam tiga daerah, yaitu dekat, sedang, dan jauh. Berikut ini perbandingan antara wavenumbers dengan panjang jangkauan. Kebanyakan infra merah bekerja pada daerah antara 4000-670 cm-1.
Tabel 2.1 Perbandingan wavenumbers dengan panjang jangkauan Daerah
Spektrum (µm)
Dekat Sedang Jauh
0.78 - 2.5 2.5 – 50 50 -1000
Panjang Jangkauan(cm-1) 12800 – 4000 4000 – 200 200 – 10
28 2.6
Pewaktu IC LM 555 adalah sebuah alat untuk membangkitkan waktu delay atau osilasi yang sangat akurat (Gambar 2.16). Terminal tambahan diberikan untuk memicu atau mereset sesuai kebutuhan. Pada saat operasi waktu delay, waktu akan dikontrol oleh satu eksternal resitor dan kapasitor. Untuk pemakaian sebagai osilasi, frekuensi berjalan yang bebas dan siklus kerja dikontrol oleh 2 buah eksternal resistor dan satu buah kapasitor. Sirkuit dapat dipicu dan direset pada saat gelombang jatuh, dan keluaran sirkuit bisa menghasilkan sampai 200mA atau menggerakkan sirkuit TTL-nya.
Gambar 2.16 Skematik Rangkaian IC LM 555
