SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
DESAIN TRAINER DASAR SISTEM DIGITAL TERINTEGRASI (TDSDT) BERBASIS PLD (PROGRAMMABLE LOGIC DEVICE ) Arief Budijanto, Chirul Anwar, Nizar Syaifudin Lab. Simulasi & Sistem Digital Teknik Elektro ITATS ABSTRAK Trainer Dasar Sistem Digital Terintegrasi (TDSDT) adalah suatu peralatan laboratorium yang digunakan untuk praktikum dasar sistem digital yang berbasiskan komponen digital TTL maupun PLD (programmable logic Device). Trainer ini terdiri dari modul-modul yang terintegrasi dalam satu papan PCB. Modul-modul tersebut terdiri dari modul input dan output. Modul input terdiri dari keypad, saklar push button dan toggle, sedangkan modul output terdiri dari LED, Seven Segment, LED Dot Matrix, Motor DC dan Motor Stepper. Dalam TDSDT ini dilengkapi dengan rangkaian pembangkit clock manual dan kontinyu yang digunakan untuk sinkronisasi kerja rangkaian digital yang telah dirancang. TDSDT ini didalam pelaksanaan praktikum dapat digunakan untuk percobaan merancang rangkaian kombinasional maupun sekuensial yang dimplementasikan dalam komponen digital jenis TTL maupun PLD. Untuk implementasi rangkaian digital pada PLD dalam praktikum digunakan komponen-komponen tipe PALCE22V10, PALCE20V8, PALCE16V8, PLD22V10 dan PLD20V10 dan dibantu dengan perangkat lunak WARP R4.2. Perangkat lunak tersebut digunakan untuk momodelkan rangkaian digital dalam kode VHDL. Kemudian kode VHDL tersebut dikompilasi untuk proses verifikasi terhadap kesalahan sintaks dari kode VHDL tersebut. Setelah proses kompilasi langkah selanjutnya membuat testbench dalam bentuk diagram waktu yang digunakan untuk menguji terjadinya kesalahan logika dari rancangan tersebut. Proses selanjutnya melakukan download file *.jed pada komponen PLD menggunakan alat universal programmer. Dengan alat TDSDT ini diharapkan dapat menambah kompetensi dalam pembelajaran mata kuliah sistem digital. Kata kunci : Trainer, Sistem Digital, PLD, VHDL
1. Pendahuluan Fungsi yang diberikan oleh masing-masing chip TTL 74XX-series adalah fixed dan tidak bisa dikhususkan untuk menyesuaikan pada situasi desain tertentu, Fakta ini, menyebabkan pembatasan penggabungan dari masing-masing chip yang berisi hanya sedikit gerbang logika, sehingga membuat chip ini tidak efisien untuk membangun rangkaian logik yang besar. Hal itu akan mungkin jika membuat chip yang berisi sejumlah rangkaian logika yang besar dengan suatu struktur yang tidak fixed. Chip seperti itu yang pertama diperkenalkan pada tahun 1970-an dan disebut Programmable Logic Device (PLD). PLD adalah suatu general-purpose chip yang dapat meng-implementasikan rangkaian logika. Ada beberapa jenis PLD yaitu PAL (Programmable Array Logic), GAL (Generic Array Logic), EPLD (Erasable PLD), PLA (Programmbable Logic Array), CPLD ( Complex PLD), FPGA (Field Programmable Gate Array). Suatu PLD dapat dipandang sebuah Black Box yang berisi gerbang logika dan saklar yang dapat di program, seperti digambarkan pada Gambar 1. Saklar yang diprogram mengijinkan gerbang logika di dalam PLD untuk dihubungkan bersama-sama untuk menerapkan apapun rangkaian logika yang diperlukan.(Stephen B., Z. Vranesic,2000)
Input (Logic Variable)
Logic Gate And Programmbale Switchs
Outputs (Logic Functions)
Gbr 1. PLD sebagai Black Box [] Dalam penelitian ini akan dibuat suatu desain alat trainer dasar sistem digital yang terintegrasi dengan modul-modul rangkaian percobaan dalam satu papan PCB (Printed Circuit Board) yang menggunakan komponen utama jenis PLD. Sehingga nantinya alat ini dapat bermanfaat bagi dunia pendidikan, khususnya dibidang teknik elektro dan teknik komputer di perguruan tinggi maupun Sekolah Menengah Kejuruan (SMK). 2. PLD (Programmable Logic Deivice) PLD termasuk kelompok PLD dengan programmable AND-fixe OR yang merupakan EEPLD (Electrically Erasable PLD) yaitu jenis PLD yang dapat dihapus secara listrik. Pada PLD, penghapusan terjadi dalam skala waktu yang relatif singkat yaitu sekitar 50 ms. Beberapa keuntungan jika menggunakan komponen PLD, yaitu PLD difabrikasi dengan teknologi very high speed E2CMOS yang mempunyai kemampuan uji dan A2-98
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
keandalan tinggi, komsumsi daya rendah dan mempunyai OLMC (Output Logic Macro Cell) sehingga para perancang dapat membuat konfigurasi output yang diinginkan. Dalam penghapusannya jauh lebih cepat dibandingkan dengan EPLD yang menggunakan sinar ultra violet.
Gbr 2. Arsitektur PLD jenis GAL (Generic Array Logic)
Terdapat beberap jenis sesuai dengan kapasitas dari susunan OLMC-nya yaitu GAL16V8, GAL16V8A, GAL20V8, GAL22V10G dan masih banyak komponen PLD yang lain. Perbedaan mendasar dari komponen-komponen PLD ini adalah terletak pada jumlah pin yang tersedia, jumlah gerbang AND, dan jumlah OLMC yang dapat diprogram dan juga tersedia bermacam-macam product term. Masing-masing macrocell dapat diprogram sendiri-sendiri sesuai dengan konfigurasi pin yang diinginkan.
A2-99
Modul Keypad Keypad sering digunakan sebagai suatu input pada beberapa peralatan yang berbasis mikroprosessor atau mikrokontroller. Keypad sesungguhnya terdiri dari sejumlah saklar, yang terhubung sebagai baris dan kolom dengan susunan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Agar dapat melakukan scanning keypad, maka port mengeluarkan salah satu bit dari 3 bit yang terhubung pada kolom dengan logika low “0” dan selanjutnya membaca 4 bit pada baris untuk menguji jika ada tombol yang ditekan pada kolom tersebut. Sebagai konsekuensi, selama tidak ada tombol yang ditekan, maka mikrokontroller akan melihat sebagai logika high “1” pada setiap pin yang terhubung ke baris. Modul Push Button Pada Gambar 6. tersebut tampak rangkaian push button, bila saklar ditekan maka port sesuai dengan bit tersebut akan mendapat logika low ‘0’ dan sebaliknya bila saklar tidak ditekan maka port tersebut akan mendapat logika high ‘1’.
Gbr 6. Rangkaian Interface push button
Gbr 3. Diagram Macro Cell GAL 22V10 3. Desain Perangkat Keras Gambar 4. menunjukkan diagram blok dari sebuah TDSDT. Komponen utama dari TDSDT terdiri dari Modul input, modul output dan PLD sebagai unit pengolah.
Gbr 5. Rangkaian dasar keypad 4x4
Downloader PLD
Motor DC
Motor Stepper
Seven Segmen
LED
PLD (Programmable Logic Device)
Clock
Switch
Modul Saklar Pada gambar 9. merupakan modul saklar, dimana saklar-saklar tersebut dimasukan ke port input PLD. Saklar tersebut jika ditutup maka input port berlogika ’0’ dan sebaliknya jika saklar dibuka input port akan berlogika ’1’.
LED Dot Matrix
Keypad
Gbr 4. Diagram blok Perangkat keras TDSDT
Gbr 7. Rangkaian Interface saklar
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
Modul Seven Segment Pada tabel kebenaran tersebut tampak bahwa seven segment yang hidup tergantung pada output dari chip GAL, yang sedang mengeluarkan logika low ”0”, sehingga dari 3 buah display tersebut, selalu hanya satu display yang akan dihidupkan. Agar display tampak nyala secara bersamaan maka ketiga display tersebut harus dihidupkan secara bergantian dengan waktu tunda tertentu. Pada gambar tersebut seven segment commont anoda dikendalikan dengan menggunakan transistor PNP melalui chip GAL, apabila ada logika low pada basis transistor, maka seven segment akan nyala dan sebaliknya akan padam.
A2-100
Modul LED Perhatikan pada Gambar 10. tersebut. Delapan buah LED terhubung ke port GAL, yang difungsikan sebagai output. Pada konfigurasi tersebut LED akan nyala bila diberi logika LOW ‘0’ melalui port GAL, dan LED akan padam bila diberi logika HIGH ‘1’ melalui port GAL.
Modul Motor Steper Motor Stepper adalah motor DC yang gerakannya bertahap (step per step) dan memiliki akurasi yang tinggi tergantung pada spesifikasinya. Setiap motor stepper mampu berputar untuk setiap stepnya dalam satuan sudut (0.75, 0.9, 1.8), makin keil sudut per stepnya maka gerakan per step-nya motor stepper tersebut makin presisi.
Tabel 1. Data pembentuk karakter seven segment
Gbr 10. Rangkaian interface LED
Gbr 8. Rangkaian interface seven Segment Tabel 1. Data pembentuk karakter seven segment Gbr 11. Rangkaian interface motor stepper Untuk mengatur gerakan motor per step-nya dapat dilakukan dengan 2 cara berdasarkan simpangan sudut gerakannya yaitu full step dan half step.
Tabel 2. Motor Stepper Unipolar Dengan Gerakan Full Step
Modul LED Dot Matriks Perhatikan pada Gambar 3.6 tersebut. Terdapat susunan LED yang terhubung ke port chip GAL, yang difungsikan sebagai output. Pada konfigurasi dot matriks tersebut akan nyala bila diberi logika LOW ‘0’ melalui port output dari GAL, dan dot matriks akan padam bila diberi logika HIGH ‘1’ melalui port output dari GAL.
Gbr 9. Rangkaian interface dot matriks
Gbr 12. Kontruksi Motor Stepper dalam satu kali putaran dengan gerakkan Full Step
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
Tabel 3. Motor Stepper dengan Gerakan Half Step
A2-101 In p u t S k e m a tik
S ta te M a c h in e
T a b u la s i
T e x t E d ito r * .V H D
K o m p ila s i & S im u la s i
F ile * . J e d
D o w n lo a d to P L D
Gbr 15. Alur Perncangan Rangkaian Digital menggunakan VHDL Contoh Kode VHDL untuk desain decoder 4 bit biner ke Seven Segment dengan model tabulasi Gbr 13. Kontruksi Motor Stepper dalam Gerakkan Half Step
Motor DC Modul yang menggunakan IC driver L298 yang memiliki kemampuan menggerakkan motor DC sampai arus 4A dan tegangan maksimum 46 Volt DC untuk satu kanalnya. Rangkaian driver motor DC dengan IC L298 diperlihatkan pada Gambar 14. Pin Enable A dan B untuk mengendalikan jalan atau kecepatan motor, pin Input 1 sampai 4 untuk mengendalikan arah putaran. Pin Enable diberi VCC 5 Volt untuk kecepatan penuh dan PWM (Pulse Width Modulation) untuk kecepatan rotasi yang bervariasi tergantung dari level high nya.
Gbr 14. Rangkaian interface motor DC 4. Desain Perangkat Lunak Perangkat lunak yang digunakan untuk merancang rangkaian digital dalam praktikum adalah VHDL dan compilernya menggunakan Warp R4.2 produk dari Cypress Semiconductor. Adapun tahapan perancangan rangkaian digital diperlihat pada Gambar 15.
Tabel 4. Tabel Kebenaran Biner 4 Bit Ke Seven Segmen.
Listing Kode VHDL library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity seg is port (sel: in std_logic_vector (3 downto 0); Y: out std_logic_vector (6 downto 0)); Attribute Part_name of seg : Entity is "C22V10"; Attribute Pin_numbers of seg : entity is "sel(0):2 sel(1):3 sel(2):4 sel(3):5 " & " Y(6):22 Y(5):21 Y(4):20 Y(3):19 Y(2):18 Y(1):17 Y(0):16"; end seg; architecture dataflow of seg is begin process(sel) begin CASE sel IS WHEN "0000" => Y <= "0000001"; WHEN "0001" => Y <= "1001111"; WHEN "0010" => Y <= "0010010"; WHEN "0011" => Y <= "0000110"; WHEN "0100" => Y <= "1001100"; WHEN "0101" => Y <= "0100100"; WHEN "0110" => Y <= "0100000"; WHEN "0111" => Y <= "0001111"; WHEN "1000" => Y <= "0000000"; WHEN "1001" => Y <= "0001100"; WHEN "1010" => Y <= "0001000";
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
WHEN "1011" => Y <= "1100000"; WHEN "1100" => Y <= "0110001"; WHEN "1101" => Y <= "1000010"; WHEN "1110" => Y <= "0110000"; WHEN OTHERS => Y <= "0111000"; END CASE; end process; end dataflow; Pada desain entity, input dideklarasikan pin sel dengan tipe data std_logic_vector (3 Downto 0 ) dan output dideklarasikan dengan pin Y dengan tipe data std_logic_vector( 6 Downto 0). Attribute Part_name dan Pin_name berfungsi untuk memberi tahu keprogram bahwa menggunakan chip tertentu dan pin chip tertentu.Untuk desain architecturenya pin sel akan diproses untuk dieksekusi.
Gbr 3.16. Simulasi program seven segment Dari Gambar 3.16 terdapat sel yang berfungsi untuk mengatur suatu keluaran karakter yang ditampilkan pada seven segment, sesuai dengan tabel kebenaran diatas. 5. Kesimpulan TDSDT merupakan rancangan trainer yang diharapkan dapat meningkatkan kompetensi siswa SMK atau Mahasiswa Perguruan Tinggi untuk mempelajari dan mengembangakan desain sistem digital secara modern. Daftar Pustaka 1. Arief B., Aplication of Integrated Module MCS 51 for Training.Prosiding SNTE UGM, Yogyakarta, September 2003. 2. Arief B., Slamet W., Rancang dan Bangun Pengendali Motor Stepper Menggunakan PLD (Programmable Device), Jurnal Widya Teknik vol 5. No.1 April 2006 3. Arief B., Efrita A, Desain VHDL Pengendali Motor Stepper. Jurnal Teknika, Unesa Vol.6.No.10, Januari 2005. 4. Arief B., Kuspriyanto, Perancangan dan Simulasi Processor DFT(Descretre Fourier Transform), Seminar UNTAR, Jakarta, Agustus 2007 5. Arief B., Slamet W., Choirul A., Desain, Simulasi dan Sintesis Simple RISC Microprocessor 32 Bit, Seminar Nasional LPPM ITATS, Surabaya, Nopember 2007. 6. Arief B., Perancangan dan Simulasi Hardware Sorter, Jurnal IPTEK ,ITATS,2008. 7. Harry H. Helms, Ruth L. Weine, Designing with Programmable Array Logic, McGraw-Hill Book, 1978.
A2-102
8.
R.K. Dueck, Digital Design with CPLD Applications and VHDL, Delmar Learning, 2000. 9. Stephen B., Z. Vranesic, Fundamental of Digital logic With VHDL Design, McGraw-Hill, 2000. 10. Zainalabedin Navabi, Digital Design and Implementation with Field Programmable Device, Kluwer Academic Press, 2005. 12. Tech. Staff of Monolithic Memories, Inc., Designing With Programmable Array Logic, McGraw-Hill Book, 1981
