- 4 -
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Light-emitting Diode (LED)
LED adalah semikonduktor kompleks yang mengubah arus listrik menjadi cahaya. Proses konversi tersebut cukup efisien sehingga LED tersebut dapat menghasilkan lebih sedikit panas dibandingkan dengan sumber cahaya pijar (Force Inc, 2005).
LED adalah perangkat semikonduktor yang memancarkan cahaya berspektrum sempit ketika dialirkan listrik dengan arah maju. Efek ini merupakan bentuk dari electroluminescence. Warna dari cahaya yang dipancarkan tergantung pada komposisi dan keadaan semikonduktor yang digunakan, dan dapat berupa infra-red, cahaya tampak atau mendekati ultraviolet (Wikipedia, 2007).
Gambar 2.1 Ragam bentuk LED
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/LED, 2007)
LED adalah perangkat elektronik bersifat current-driven (Agilent Technologies Inc, 2001).
2.1.1. Karakteristik LED
LED sangat diminati dalam fiber optik karena 5 karakteristik turunannya (Force Inc, 2005):
1. Berukuran kecil
2. Mempunyai radiasi tinggi (Menghasilkan banyak cahaya dalam area kecil)
3. Area pancarannya kecil, sebanding dengan dimensi pada fiber-optik
4. Mempunyai waktu hidup yang sangat lama, memberikan reliabilitas yang tinggi
5. Dapat dimodulasikan (dimatikan dan dinyalakan) pada kecepatan tinggi
2.2. Multiplexing pada LED Matrix
Multiplexing adalah sebuah teknik yang digunakan untuk mengoperasikan LED matrix. Dengan multiplexing, hanya ada satu baris dari LED Matrix yang diaktifkan pada satu saat. Pendekatan ini diperlukan karena satu kaki dari LED (salah satu dari katoda atau anoda) dihubungkan ke satu baris (Agilent Technologies Inc, 2001).
Gambar 2.2 Multiplexing pada Common-Row Anode (Sumber: Agilent Technologies Inc, 2001)
Dari gambar di atas, multiplexing terjadi pada common-row anode ( sinyal A, B, C dan D). sinyal A, B, C dan D hanya salah satu aktif pada waktu tertentu dan sinyal ini menentukan baris mana yang aktif. Sinyal 1, 2, 3 dan 4 merupakan sinyal data yang menentukan LED mana saja yang menyala.
Pada saat baris A aktif, sinyal data yang diterima adalah sinyal data yang pertama yaitu sinyal 1 = high, sinyal 2 = high, sinyal 3 = low dan sinyal 4 low. Hal ini berarti LED yang menyala adalah LED di A3 dan A4. Pada saat baris B aktif, LED yang menyala adalah B2 dan B3. Pada saat baris C aktif, LED yang menyala adalah C1, C3, dan C4. Pada saat baris D aktif, LED yang menyala adalah D2 dan D4.
2.3. Pulse Width Modulation (PWM)
PWM adalah sebuah teknik yang kuat untuk melakukan kontrol terhadap sirkuit analog dengan menggunakan output digital dari sebuah prosessor. PWM diaplikasikan dalam banyak variasi aplikasi, dari pengukuran dan komunikasi sampai kontrol daya dan konversi (Michael Barr, pp103-104, 2001).
PWM adalah sebuah cara untuk mengkodekan secara digital tingkatan pada sinyal analog. Melalui penggunaan counter berresolusi tinggi, duty-cycle dari sinyal kotak dimodulasikan untuk mengkodekan level sinyal analog tertentu. Duty cycle adalah perbandingan antara durasi pulsa (τ) dengan perioda (T) dari sebuah sinyal kotak.
dimana D adalah Duty cycle ( % ), τ adalah durasi pulsa yang besarnya tidak nol, Τ adalah perioda (Wikipedia, 2006).
Sinyal PWM masuk digital karena, pada satu waktu instan, supply DC sepenuhnya on atau sepenuhnya off. Sumber tegangan atau arus disediakan pada sebuah beban analog oleh rentetan pulsa nyala dan pulsa mati yang terus menerus berulang. Pulsa nyala adalah lamanya waktu dimana supply DC diberikan pada beban, dan pulsa mati adalah lamanya waktu dimana supply di-switch off. Dengan bandwidth yang memadai, semua nilai analog dapat dikodekan oleh PWM (Michael Barr, pp103-104, 2001).
Gambar 2.3 Sinyal PWM dalam berberapa duty-cycle (Sumber: Embedded System Programming, pp103-104, 2001)
2.4. Kontrol Brightness dengan PWM Dimming
PWM dimming menyediakan level brightness yang berkurang tetapi menghasilkan warna yang akurat. Karena PWM dimming menjaga arus maju terus menerus melalui LED, PWM dimming menghilangkan pergeseran warna sehubungan dengan penggunaan analog dimming. Perubahan pada brightness LED didapatkan dengan cara melakukan modulasi pada total jumlah waktu arus maju mengalir melaluinya. Dengan kata lain, LED terus menerus dinyalakan dan dimatikan (Michael Day, 2005).
2.5. Sumber Arus
Sebuah sumber arus adalah perangkat elektronik yang menghantarkan atau menyerap arus listrik. Sebuah sumber arus ideal akan menghasilkan semua tegangan yang diperlukan untuk mempertahankan arus tertentu. Sumber arus independen tidak terdapat di alam ini, walaupun banyak perangkat elektronik, seperti transistor dan vacuum tubes, dirancang sebagai sumber arus dependen (Wikipedia, 2006).
Gambar 2.4 Simbol Sumber Arus
2.5.1. Sumber Arus Konstan Transistor Sederhana
Gambar 2.5 Sumber Arus Konstan Menggunakan Transistor (Sumber: Wikipedia, 2006)
Gambar di atas menunjukkan sebuah sumber arus konstan umum. DZ1 adalah dioda zener yang, ketika dalam keadaan reverse biased mempunyai tegangan drop yang konstan di sepanjangnya terlepas dari arus yang mengalir melaluinya. Jadi, selama arus zener (IZ) di atas level
tertentu (disebut holding current), tegangan dioda zener (VZ) akan
konstan. Resistor R1 menyediakan arus zener dan arus base (IB) dari
transistor NPN tersebut (Q1). Tegangan zener yang konstan digunakan sepanjang base pada Q1 dan resistor emitter R2. Operasi pada sirkuit ini adalah sebagai berikut: Tegangan pada R2 (VR2) adalah VZ– VBE, dimana
VBE adalah tegangan base-emitter pada Q1. Arus pada emitter pada Q1
Karena nilai VZ adalah konstan dan VBE juga konstan pada
temperatur tersebut, sehingga VR2 adalah konstan. Karena transistor, IE
sangat mendekati arus kolektor IC pada transistor (yang merupakan arus
melalui load). Dengan demikian, arus pada load adalah konstan dan rangkaian ini bekerja sebagai sumber arus konstan. Selama temperatur konstan (tidak berubah banyak), arus pada load akan independen terhadap tegangan supply, R1 dan gain pada transistor. R2 menyebabkan arus pada load dapat di-set pada nilai yang diinginkan dan dapat dihitung dengan:
atau
VBE umumnya 0,65 pada perangkat silikon (IR2 juga merupakan arus emitter dan diasumsikan sama dengan arus kolektor atau yang diperlukan load. Dengan pertimbangan hFE cukup besar) Resistansi pada
R1 dapat dihitung dengan:
dimana K = 1.2 sampai 2 (sehingga R1 cukup rendah untuk mencukupi IB) dan hFE(min) = gain arus terrendah untuk tipe transistor tertentu.
2.6. VHDL
VHDL adalah VHSIC HDL. VHSIC adalah kependekan dari Very High Speed Integrated Circuit. VHDL dapat mendeskripsikan behaviour dan struktur dari sistem elektronik, tetapi lebih cocok sebagai sebuah bahasa untuk mendeskripsikan struktur dan behaviour dari desain hardware elektronik digital, seperti ASIC dan FPGA sebagus sirkuit digital konvensional (Doulus Ltd, 2006). Keuntungan besar dari bahasa deskripsi hardware adalah kemungkinan untuk mengeksekusi kodenya secara nyata. Prinsipnya, bahasa tersebut tidak lain daripada sebuah bahasa pemrograman yag terspesialisasi. Error dalam koding dari model formal atau error konseptual dari sistem dapat ditemukan ketika menjalankan simulasi. Di sana, respons dari model tersebut terhadap simulasi dengan nilai input yang berbeda dapat diperhatikan dan dianalisa (Glauert).
2.7. CPLD
CPLD adalah kependekan dari Complex Programmable Logic Device. Merupakan sebuah programmable logic device dengan kerumitan antara FPGA dan PAL, dan fitur arsitektural dari keduanya. Blok pembangun dari CPLD ini adalah macro cell, yang menampung logic yang mengimplementasi ekspresi disjunctive normal form dan operasi logic khusus (Wikipedia, 2006).
Gambar 2.6 Arsitektur CPLD
(Sumber: http://www.elektor-electronics.co.uk/eblocks/CPLDFPGAprog.pdf)
2.8. Serial Peripheral Interface (SPI)
Serial Peripheral Interface adalah standar hubungan data secara serial sinkronous yang didesain oleh Motorola yang beroperasi dalam mode full-duplex. Device berkomunikasi dalam mode master/slave dimana master yang menginisialisasi frame data. Perangkat slave lebih dari satu diperbolehkan dengan jalur slave (chip) select individual (Wikipedia, 2007).
SPI mempunyai 4 mode operasi, 0 sampai 3. Mode-mode ini penting salam mengontrol caranya data di-clock in dan out dari sebuah perangkat SPI. Polarity dari clock dispesifikasikan melalui bit kontrol CPOL, yang menentukan clock active low atau high. Kontrol bit fase clock (CPHA) memilih satu dari dua
format transfer dasar yang berbeda. Untuk meyakinkan komunikasi yang sesuai antara master dan slave, kedua perangkat harus berjalan pada mode yang sama (MCS Electronics).
Gambar 2.7 SPI Timing Diagram dengan CPHA=0
(Sumber: http://avrhelp.mcselec.com/bascom-avr.html?Using_the_SPI_protocol)
Gambar 2.8 SPI Timing Diagram dengan CPHA=1
(Sumber: http://avrhelp.mcselec.com/bascom-avr.html?Using_the_SPI_protocol)
2.9. AVR
AVR adalah mesin arsitektur harvard dengan program dan data disimpan terpisah. Mesin tipe harvard menyimpan program dalam memory permanent atau semi-permanent dan data dalam memory volatile. Oleh karena itu, AVR ideal untuk embedded system, karena memori program terlindungi dari lonjakan tegangan dan faktor lingkungan lainnya yang dapat merusak program (Wikipedia, 2007).
2.9.1. AVR ATMEGA 8515
AVR ATMEGA 8515 adalah microcontroller CMOS 8 bit berdaya rendah berbasiskan arsitektur RISC (Reduce Instruction Set Computer). Dengan mengeksekusi perintah per single cycle clock, AVR dapat menghasilkan 1 MIPS per MHz. Microcontroller ini mempunyai 130 instruksi, 32 register umum (General Purpose Register) dan semua register ini terhubung langsung dengan ALU (Arithmethic Logic Unit) sehingga 2 buah register dapat diakses dalam satu eksekusi instruksi per single cycle clock. Arsitketur RISC lebih efisien dalam pengkodeannya sehingga lebih cepat samapi 10 kali daripasa arsitektur CISC.
Fitur – fitur AVR ATMEG 8515, antara lain :
• Konsumsi daya rendah
• 8K byte memory flash ISP, 512 byte EEPROM, 512 byte SRAM
• Dua buah timer/counter 8 bit, satu buah timer/counter 16 bit
• Tiga Channel PWM, 8 channel ADC 8 bit
• Fasilitas komunikasi serial two – wire serial interface, USART, dan Serial Peripheral Interface
• Watchdog Timer
Gambar 2.9 Konfigurasi Pin AVR ATMEGA 8515 (Sumber: Atmel Corporation, 2006)
• Vcc : Digital supply Voltage
• GND : Ground
• Port A : 8 bit bi – directional I/O port sekaligus input analog ADC
• Port B : 8 bit bi – directional I/O port sekaligus interface SPI, timer eksternal, interrupt eksternal 2, input dan output komparator analog, dan output Timer/Counter
• Port C : 8 bit bi – directional I/O port sekaligus interface TW1, output comparator analog, dan Timer OscillatorPin
• Port D : 8 bit bi – directional I/O port sekaligus interface USART, interrupt eksternal 1 dan 2, input dan output Timer/Counter1.
• Reset : Reset input
• XTAL1 : input oscillatoramplifier
Gambar 2.10 Gambar arsitektur AVR ATMEGA 8515 (Sumber: Atmel Corporation, 2006)
