BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Perangkat Keras
2.1.1 Mikrokontroler ATMega8535
Mikrokontroler merupakan alat pengolah data digital dan analog (fitur ADC pada seri AVR) dari tegangan maksimum 5 Volt. Keunggulan mikrokontroller di banding mikroprosessor yaitu lebih murah dan didukung dengan software compiler yang sangat beragam seperti software yang sangat beragam compiler C/C++, Basic, bahkan assembler sekalipun sehingga pengguna dapat memilih program yang sesuai dengan kemampuannya.
Beberapa tahun terakhir, mikrokontroler sangat banyak digunakan terutama dalam pengontrolan robot. Seiring perkembangan elektronika, mikrokontroler dibuat semakin kompak dengan bahasa pemrograman yang juga ikut berubah. Salah satunya adalah mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Risc processor) ATmega8535 yang menggunakan teknologi RISC (Reduce Instruction Set Computing) dimana program berjalan lebih cepat karena hanya membutuhkan satu siklus clock untuk mengeksekusi satu instruksi program. Secara umum, AVR dapat dikelompokkan menjadi 4 kelas, yaitu kelas ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATmega, dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori, peripheral, dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mereka bisa dikatakan hampir sama.
Mikrokontroler AVR memiliki arsitektur RISC 8-bit, dimana semua intruksi dikemas dalam kode 16-bit dan sebagian besar intruksi dalam 1 siklus clock, berbeda dengan intruksi MCS51 yang membutuhkan 12 siklus clock. Hal ini terjadi karena kedua mikrokontroler tersebut memiliki arsitektur yang berbeda. AVR berteknologi RISC, sedangkan seri MCS51 berteknologi CICS (Complex Intruction Set Computing). Mikrokontroler AVR ATmega8535 memiliki fitur yang cukup lengkap. Mikrokontroler AVR ATmega8535 telah dilengkapi dengan ADC internal, EEPROM internal, Timer/Counter, PWM, analog comparator, dll. Sehingga dengan fasilitas yang lengkap ini memungkinkan kita belajar mikrokontroler
keluarga AVR dengan lebih mudah dan efisien, serta dapat mengembangkan kreativitas penggunaan mikrokontroler ATmega8535.
Beragam jenis mikrokontroller seperti AVR jenis ATtiny, ATmega dan AT90 dibedakan dari segi jumlah pin dan memori, dapat kita lihat perbedaan jenis mikrokontroller seperti table di bawah ini.
Mikrokontroler Memori
Tipe Jumlah Pin Flash EEPROM SRAM
TinyAVR 8 – 32 1 – 2k 64 – 128 0 – 128
AT90Sxx 20 – 44 1 – 8k 128 – 512 0 – 1k
ATMega 32 – 64 8 – 128k 512 – 4k 512 – 4k
Tabel 2.1 Jenis-jenis AVR
Pemograman AVR dengan bahasa C lebih baik dari bahasa pemograman lainnya. Karena bahasa pemograman independen terhadap hardware C. keunggulan lainnya penyusunan program besar dapat dilakukan dengan mudah dan program yang telah jadi dapat digunakan ke jenis AVR lainnya dengan hanya mengubah fungsi – fungsi port dan registernya.
Beberapa faktor pertimbangan penting untuk memilih mikrokontroler jenis AVR antara lain:
- Harga mikrokontroller yang lebih murah dibanding mikroprosesor;
- Ukuran memori mikrokontroller yang cukup besar dan untuk menambah memorinya dapat digunakan memori eksternal;
- Fitur ADC, Timer, PWM, USART, dan fasilitas lainnya yang memudahkan Designer dalam merancang sistem;
- Kecepatan eksekusi program dimana instruksi dieksekusi dalam 1 clock sementara mikrokontroller jenis MCS51 atau mengeksekusi instruksi dalam 12 clock;
- Adanya clock internal sehingga mikrokontroller dapat digunakan tanpa menggunakan crystal.
Software pendukung yang sangat beragam dan penggunaannya jauh lebih mudah karena software menyediakan fitur yang memudahkan dalam memprogramnya seperti Code Vision AVR dan BASCOM AVR yang menyediakan fitur desain LCD pada BASCOM AVR dan fitur penghasil program pada Code Vision AVR.
Mikrokontroller ATmega8535 adalah mikrokontroller 8bit CMOS dengan menggunakan daya rendah dan menjalankan semua instruksi dalam satu siklus clock. Mikrokontroller ATmega8535 dikombinasikan dengan 16 buah register. Semua register terhubung langsung ke Aritmetical Logical Unit, membiarkan 2 register untuk diakses di dalam satu instruksi dieksekusi dalam satu clock.
Fitur-fitur yang dimiliki oleh mikrokontroler ATmega8535 adalah sebagai berikut: 1. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu port A, port B, port C, dan port D.
2. ADC internal sebanyak 8 saluran.
3. Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan pembandingan. 4. CPU yang terdiri atas 32 buah register.
5. SRAM sebesar 512 byte.
6. Memori Flash sebesar 8 kb dengan kemampuan Read While Write. 7. Port antarmuka SPI
8. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi. 9. Antarmuka komparator analog.
10. Port USART untuk komunikasi serial.
11. Sistem mikroprosesor 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz. 12. Dan lain-lainnya.
Read Only Memory (ROM) yang isinya tidak berubah meskipun IC kehilangan catu daya. Sesuai dengan keperluannya, dalam susunan MCS51 memori penyimpanan program ini dinamakan sebagai memori program.
Random Acces Memori (RAM) isinya akan sirna begitu IC kehilangan catu daya, dipakai untuk menyimpan data pada saat program bekerja. RAM yang dipakai untuk menyimpan data disebut sebagai memori data. Atmega8535 memiliki On-Chip In-System Reprogrammable Flash Memory untuk menyimpan program. Untuk keamanan, memori program dibagi menjadi dua bagian yaitu boot flash section dan application flash section. Boot flash section digunakan untuk menyimpan program boot loader, yaitu program yang harus dijalankan pada saat AVR reset atau pertama kali diaktifkan. Application flash section digunakan untuk menyimpan program aplikasi yang dibuat user. AVR tidak dapat menjalankan program aplikasi ini sebelum menjalankan program boot loader. Besarnya memori boot flash section dapat diprogram dari 128 word sampai 1024 word tergantung setting pada konfigurasi bit di register BOOTSZ. Jika boot loader diproteksi, maka program pada application flash section juga sudah aman.
2.1.1.1 Spesifikasi ATmega8535
a. High-performance, Low-power AVR® 8-bit Microcontroller b. Advanced RISC Architecture
– 130 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle Execution – 32 x 8 General Purpose Working Registers
– Fully Static Operation
– Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz – On-chip 2-cycle Multiplier
c. Nonvolatile Program and Data Memories
– 8K Bytes of In-System Self-Programmable Flash Endurance: 10,000 Write/Erase Cycles
– Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits In-System Programming by On-chip Boot Program True Read-While-Write Operation
– 512 Bytes EEPROM
Endurance: 100,000 Write/Erase Cycles – 512 Bytes Internal SRAM
– Programming Lock for Software Security d. Peripheral Features
– Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes – One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare Mode, and Capture Mode
– Real Time Counter with Separate Oscillator – Four PWM Channels
– 8-channel, 10-bit ADC 8 Single-ended Channels
7 Differential Channels for TQFP Package Only
2 Differential Channels with Programmable Gain at 1x, 10x, or 200x for TQFP Package Only
– Byte-oriented Two-wire Serial Interface – Programmable Serial USART
– Programmable Watchdog Timer with Separate On-chip Oscillator – On-chip Analog Comparator
e. Special Microcontroller Features
– Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection – Internal Calibrated RC Oscillator
– External and Internal Interrupt Sources
– Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby and Extended Standby
f. I/O and Packages
– 32 Programmable I/O Lines
– 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-lead PLCC, and 44-pad MLF g. Operating Voltages – 2.7 - 5.5V for ATmega8535L – 4.5 - 5.5V for ATmega8535 h. Speed Grades – 0 - 8 MHz for ATmega8535L – 0 - 16 MHz for ATmega8535
2.1.1.2 Konfigurasi Pin AVR ATmega8535
Konfigurasi pin-pin Atmega8535 dapat kita lihat pada gambar di bawah ini :
Mikrokontroler ATMega8535 memiliki 40 pin untuk model PDIP, dan 44 pin untuk model TQFP dan PLCC. Nama-nama pin pada mikrokontroler ini adalah
1. VCC untuk tegangan pencatu daya positif. 2. GND untuk tegangan pencatu daya negatif.
3. PortA (PA0 - PA7) sebagai port Input/Output dan memiliki kemampuan lain yaitu sebagai input untuk ADC
4. PortB (PB0 – PB7) sebagai port Input/Output dan juga memiliki kemampuan yang lain.
5. PortC (PC0 – PC7) sebagai port Input/Output untuk ATMega8535.
6. PortD (PD0 – PD7) sebagai port Input/Output dan juga memiliki kemampuan yang lain.
7. RESET untuk melakukan reset program dalam mikrokontroler. 8. XTAL1 dan XTAL2 untuk input pembangkit sinyal clock. 9. AVCC untuk pin masukan tegangan pencatu daya untuk ADC. 10. AREF untuk pin tegangan referensi ADC
.
Gambar 2.2 Pin-pin ATmega8535
2.1.1.3 Alternatif PORT A
PORT A memiliki fungsi input output dan juga sebagai input analog yang akan dikonversi menjadi data–data digital (ADC), seperti yang ditunjukkan pada tabel di bawah. Jika salah satu PORT A dikonfigurasi kan sebagai output ketika PORT A difungsikan sebagai ADC maka hasil pengkonversian analog ke digital akan menghasilkan data error.
Untuk mengaktifkan fungsi ADC pada PORT A dengan Code Vision AVR akan dibahas di bab selanjutnya tentang teknik pemrogram C pada ATmega8535 dengan menggunakan software yang telah disebutkan di atas.
Port Fungsi Alternatif
PA7 ADC7 ( ADC input channel 7) PA6 ADC6 ( ADC input channel 6) PA5 ADC5 ( ADC input channel 5) PA4 ADC4 ( ADC input channel 4) PA3 ADC3 ( ADC input channel 3) PA2 ADC2 ( ADC input channel 2) PA1 ADC1 ( ADC input channel 1) PA0 ADC0 ( ADC input channel 0)
Tabel 2.2 PORT A
2.1.1.4 Alternatif PORT B
Fungsi PORT B dapat dilihat di tabel di bawah ini: PORT Fungsi Alternatif
PB7 SCK(SPI Bus Serial Clock)
PB6 MISO(SPI bus master input/slave output) PB5 MOSI(SPI Bus Master Output /Slave Input) PB4 SS (SPI Slave Select Input)
PB3 AIN1(Analog Comparator Negative Input) OCO (TIMER /COUNTER OUTPUT COMPARATOR MATCH OUTPUT)
PB2 AIN0 (Analog Comparator Positive Input) INT2 (External Interrupt 2 Input)
PB1 T1 (Timer/Counter External Counter Input)
PB0 T0T1 (Timer/Counter) External Counter Input XCX (USART EXTERNAL CLOCK INPUT/OUTPUT)
2.1.1.5 Alternatif PORT C
Fungsi PORT C dapat dilihat pada tabel di bawah ini:
PORTC FUNGSI KHUSUS
PC7 TOSC2(TIMER OSCILATOR PIN2) PC6 TOSC1(TIMER OSCILATOR PIN1) PC5 TDI(JTAG TEST DATA IN)
PC4 TDO(JTAG TEST DATA OUT) PC3 TMS(JTAG TEST MODE SELECT) PC2 TCK(JTAG TEST CLOCK)
PC1 SDA(TWO WIRE SERIAL BUS DATA IN/OUT LINE) PC0 SCL(TWO WIRE SERIAL BUS CLOCK LINE)
Tabel 2.4 Fungsi PORT C
2.1.1.6 Alternatif PORT D
Fungsi PORT D dapat dilihat pada tabel di bawah ini :
PIN FUNGSI KHUSUS
7 OC2 (TIMER COUNTER2 COMPARE MATCH OUTPUT 6 ICP (TIMER/COUNTER1 INPUT COMPARE CAPTURE PIN) 5 OC1A (TIMER/COUNTER1 OUTPUT COMPARE A MATCH OUT) 4 OC1B (TIMER/COUNTER OUTPUT COMPARE B MATCH OUTPUT) 3 INT1 (EXTERNAL INTERRUPT 1 INPUT)
2 INT0 (EXTERNAL INTERRUPT 0 INPUT) 1 TXD (USART OUTPUT PIN)
0 RXD (USART INPUT PIN)
2.1.1.7 Konstruksi ATmega8535
Mikrokontroler ATmega8535 memiliki 3 jenis memori, yaitu memori program, memori data dan memori EEPROM. Ketiganya memiliki ruang sendiri dan terpisah.
a. Memori program
ATmega8535 memiliki kapasitas memori progam sebesar 8 Kbyte yang terpetakan dari alamat 0000h – 0FFFh dimana masing-masing alamat memiliki lebar data 16 bit. Memori program ini terbagi menjadi 2 bagian yaitu bagian program boot dan bagian program aplikasi.
b. Memori data
ATmega8535 memiliki kapasitas memori data sebesar 608 byte yang terbagi menjadi 3 bagian yaitu register serba guna, register I/O dan SRAM. ATmega8535 memiliki 32 byte register serba guna, 64 byte register I/O yang dapat diakses sebagai bagian dari memori RAM (menggunakan instuksi LD atau ST) atau dapat juga diakses sebagai I/O (menggunakan instruksi IN atau OUT), dan 512 byte digunakan untuk memori data SRAM.
c. Memori EEPROM
ATmega8535 memiliki memori EEPROM sebesar 512 byte yang terpisah dari memori program maupun memori data. Memori EEPROM ini hanya dapat diakses dengan menggunakan register-register I/O yaitu register EEPROM Address, register EEPROM Data, dan register EEPROM Control. Untuk mengakses memori EEPROM ini diperlakukan seperti mengakses data eksternal, sehingga waktu eksekusinya relatif lebih lama bila dibandingkan dengan mengakses data dari SRAM.
ATmega8535 merupakan tipe AVR yang telah dilengkapi dengan 8 saluran ADC internal dengan fidelitas 10 bit. Dalam mode operasinya, ADC ATmega8535 dapat dikonfigurasi, baik secara single ended input maupun differential input. Selain itu, ADC ATmega8535 memiliki konfigurasi pewaktuan, tegangan referensi, mode operasi, dan kemampuan filter derau yang amat fleksibel, sehingga dengan mudah disesuaikan dengan kebutuhan ADC itu sendiri.
ATmega8535 memiliki 3 modul timer yang terdiri dari 2 buah timer/counter 8 bit dan 1 buah timer/counter 16 bit. Ketiga modul timer/counter ini dapat diatur dalam mode yang berbeda secara individu dan tidak saling mempengaruhi satu sama lain. Selain itu, semua
timer/counter juga dapat difungsikan sebagai sumber interupsi. Masing-masing timer/counter ini memiliki register tertentu yang digunakan untuk mengatur mode dan cara kerjanya.
Serial Peripheral Interface (SPI) merupakan salah satu mode komunikasi serial syncrhronous kecepatan tinggi yang dimiliki oleh ATmega8535. Universal Syncrhronous and Asyncrhronous Serial Receiver and Transmitter (USART) juga merupakan salah satu mode komunikasi serial yang dimiliki oleh ATmega8535. USART merupakan komunikasi yang memiliki fleksibilitas tinggi, yang dapat digunakan untuk melakukan transfer data baik antar mikrokontroler maupun dengan modul-modul eksternal termasuk PC yang memiliki fitur UART.
USART memungkinkan transmisi data baik secara syncrhronous maupun asyncrhronous, sehingga dengan memiliki USART pasti kompatibel dengan UART. Pada ATmega8535, secara umum pengaturan mode syncrhronous maupun asyncrhronous adalah sama. Perbedaannya hanyalah terletak pada sumber clock saja.
Jika pada mode asyncrhronous masing-masing peripheral memiliki sumber clock sendiri, maka pada mode syncrhronous hanya ada satu sumber clock yang digunakan secara bersama-sama. Dengan demikian, secara hardware untuk mode asyncrhronous hanya membutuhkan 2 pin yaitu TXD dan RXD, sedangkan untuk mode syncrhronous harus 3 pin yaitu TXD, RXD dan XCK.
2.1.2 LED (Light Emitting Dioda)
LED (Light Emitting Dioda) adalah dioda yang dapat memancarkan cahaya pada saat mendapat arus bias maju (forward bias). LED (Light Emitting Dioda) dapat memancarkan cahaya karena menggunakan dopping galium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang berbeda diata dapat menhasilkan cahaya dengan warna yang berbeda. LED (Light Emitting Dioda) merupakann salah satu jenis dioda, sehingga hanya akan mengalirkan arus listrik satu arah saja. LED akan memancarkan cahaya apabil diberikan tegangan listrik dengan konfigurasi forward bias. Berbeda dengan dioda pada umumnya, kemampuan mengalirkan arus pada LED (Light Emitting Dioda) cukup rendah yaitu maksimal 20 mA. Apabila LED (Light Emitting Dioda) dialiri arus lebih besar dari 20 mA maka LED akan rusak, sehingga pada rangkaian LED dipasang sebuah resistor sebgai pembatas arus. Simbol dan bentuk fisik dari LED (Light Emitting Dioda) dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 2.3 Simbol Dan Bentuk Fisik LED
Dari gambar diatas dapat kita ketahui bahwa LED memiliki kaki 2 buah seperti dengan dioda yaitu kaki anoda dan kaki katoda. Pada gambar diatas kaki anoda memiliki ciri fisik lebih panjang dari kaki katoda pada saat masih baru, kemudian kaki katoda pada LED (Light Emitting Dioda) ditandai dengan bagian body LED yang di papas rata. Kaki anoda dan kaki katoda pada LED (Light Emitting Dioda) disimbolkan seperti pada gambar diatas. Pemasangan LED (Light Emitting Dioda) agar dapat menyala adalah dengan memberikan tegangan bias maju yaitu dengan memberikan tegangan positif ke kaki anoda dan tegangan negatif ke kaki katoda. Konsep pembatas arus pada dioda adalah dengan memasangkan resistor secara seri pada salah satu kaki LED (Light Emitting Dioda). Rangkaian dasar untuk menyalakan LED (Light Emitting Dioda) membutuhkan sumber tegangan LED dan resistor sebgai pembatas arus seperti pada rangkaian berikut.
Besarnya arus maksimum pada LED (Light Emitting Dioda) adalah 20 mA, sehingga nilai resistor harus ditentukan. Dimana besarnya nilai resistor berbanding lurus dengan besarnya tegangan sumber yang digunakan. Secara matematis besarnya nilai resistor pembatas arus LED (Light Emitting Dioda) dapat ditentukan menggunakan persamaan berikut.
Dimana :
R = resistor pembatas arus (Ohm)
Vs = tegangan sumber yang digunakan untuk mensupply tegangan ke LED (volt) 2 volt = tegangan LED (volt)
0,02 A = arus maksimal LED (20 mA)
2.1.3 Global Positioning System (GPS)
GPS adalah sistem navigasi yang berbasiskan satelit yang saling berhubungan yang berada di orbitnya.Satelit-satelit itu milik Departemen Pertahanan (Departemen of Defense) Amerika Serikat yang pertama kali diperkenalkan mulai tahun 1978 dan pada tahun 1994 sudah memakai 24 satelit. Untuk dapat mengetahui posisi seseorang maka diperlukan alat yang diberinama GPS reciever yang berfungsi untuk menerima sinyal yang dikirim dari satelit GPS. Posisi di ubah menjadi titik yang dikenal dengan nama Way-point nantinya akan berupa titik-titik koordinat lintang dan bujur dari posisi seseorang atau suatu lokasi kemudian di layar pada peta elektronik. Sejak tahun 1980, layanan GPS yang dulunya hanya untuk keperluan militer mulai terbuka untuk publik. Uniknya, walau satelit-satelit tersebut berharga ratusan juta dolar, namun setiap orang dapat menggunakannya dengan gratis. Satelit-satelit ini mengorbit pada ketinggian sekitar 12.000 mil dari permukaan bumi. Posisi ini sangat ideal karena satelit dapat menjangkau area coverage yang lebih luas. Satelit-satelit ini akan selalu berada posisi yang bisa menjangkau semua area di atas permukaan bumi sehingga dapat meminimalkan terjadinya blank spot (area yang tidak terjangkau oleh satelit).
Setiap satelit mampu mengelilingi bumi hanya dalam waktu 12 jam. Sangat cepat, sehingga mereka selalu bisa menjangkau dimana pun posisi Anda di atas permukaan bumi. GPS reciever sendiri berisi beberapa integrated circuit (IC) sehingga murah dan teknologinya mudah untuk di gunakan oleh semua orang. GPS dapat digunakan untuk berbagai
kepentingan, misalnya mobil, kapal, pesawat terbang, pertanian dan di integrasikan dengan komputer maupun laptop.
Berikut beberapa contoh perangkat GPS reciever:
Gambar 2.5 Macam-macam GPS Reciever
Untuk menginformasikan posisi user, 24 satelit GPS yang ada di orbit sekitar 12,000 mil di atas kita, bergerak konstan mengelilingi bumi 12 jam dengan kecepatan 7,000 mil per jam. Satelit GPS berkekuatan energi sinar matahari, mempunyai baterai cadangan untuk menjaga agar tetap berjalan pada saat gerhana matahari atau pada saat tidak ada energi matahari. Roket penguat kecil pada masing-masing satelit agar dapat mengorbit tepat pada tempatnya.
Satelit GPS adalah milik Departemen Pertahanan (Department of Defense) Amerika, adapun hal-hal lainnya:
1. Nama satelit adalah NAVSTAR
2. GPS satelit pertama kali adalah tahun 1978 3. Mulai ada 24 satelit dari tahun 1994
4. Satelit di ganti tiap 10 tahun sekali
5. GPS satelit beratnya kira-kira 2,000 pounds 6. Kekuatan transmiter hanya 50 watts atau kurang
Satelit-satelit GPS harus selalu berada pada posisi orbit yang tepat untuk menjaga akurasi data yang dikirim ke GPS reciever, sehingga harus selalu dipelihara agar posisinya tepat. Stasiun-stasiun pengendali di bumi ada di Hawaii, Ascension Islan, Diego Garcia, Kwajalein dan Colorado Spring. Stasiun bumi tersebut selalu memonitor posisi orbit jam jam satelit dan di pastikan selalu tepat.
2.1.3.1 Signal Satelit GPS 1. Carriers
Satelite GPS mengirim sinyal dalam dua frekuensi. L1 dengan 1575.42 Mhz dengan membawa dua status pesan dan pseudo-random code untuk keperluan perhitungan wakt. L2 membawa 1227.60 MHz dengan menggunakaan presesi yang lebih akurat karena untuk keperluan militer.
Daya sinyal radio yang dipancarkan hanya berkisar antara 20-50 Watts. Ini tergolong sangat rendah mengingat jarak antara GPS dan satelit sampai 12.000 mil. Sinyal dipancarkan secara line of sight (LOS), dapat melewati awan, kaca tapi tidak dapat benda padat seperti gedung, gunung.
2. Pseudo-Random Codes
GPS yang digunakan untuk publik akan memantau frekuensi L1 pada UHF (Ultra High Frequency) 1575,42 MHz. Sinyal L1 yang dikirimkan akan memiliki pola-pola kode digital tertentu yang disebut sebagai pseudorandom. Sinyal yang dikirimkan terdiri dari dua bagian yaitu kode Protected (P) dan Coarse/Acquisition (C/A). Kode yang dikirim juga unik antar satelit, sehingga memungkinkan setiap receiver untuk membedakan sinyal yang dikirim oleh satu satelit dengan satelit lainnya. Beberapa kode Protected (P) juga ada yang diacak, agar tidak dapat diterima oleh GPS biasa. Sinyal yang diacak ini dikenal dengan istilah Anti Spoofing, yang biasanya digunakan oleh GPS khusus untuk keperluan tertentu seperti militer.
3. Navigation Message
Ada sinyal frekuensi berkekuatan lemah yang di tambahkan pada kode L1 yang memberikan informasi tentang orbit satelit, clock corectionnya dan status sistem lainnya.
2.1.3.2 Bagian-bagian Daerah Kerja GPS
GPS terdiri atas tiga segmen yaitu space segment, control segment, user segment, dengan penjelasan sebagai berikut:
1. Space Segment
Space segment terdiri atas konstelasi 24 satelit. Masing-masing satelit mengirimkan sebuah sinyal, yang memiliki sejumlah komponen: dua buah gelombang sinus (yang juga dikenal sebagai carrier frequency / frekuensi pembawa), dua kode digital, dan sebuah pesan navigasi.
Pesan kode dan navigasi ditambahkan ke dalam pembawa sebagai modulasi dua fasa biner. Pembawa dan kode digunakan terutama untuk menentukan jarak dari receiver pengguna sampai ke satelit GPS. Pesan nagivasi berisi koordinat (lokasi) satelit sebagai fungsi waktu bersama dengan informasi-informasi lain.
2. Control Segment
Segmen kontrol dari sistem GPS terdiri atas jaringan lima stasiun pemantau di seluruh pelosok dunia, dengan stasiun kontrol utama (master control station/MCS) berlokasi
di dekat Colorado Springs, Colorado, Amerika Serikat. Tugas utama segmen kontrol operasional adalah menjejaki satelit GPS dengan tujuan untuk menentukan dan memprediksikan lokasi satelit, integritas sistem, jam atom satelit, data atmosfer, perkiraan satelit, dan pertimbangan-pertimbangan lain. Informasi ini kemudian digabungkan dan di-upload ke satelit GPS melalui jalur S- band.
3. User Segment
User segment mencakup semua pengguna baik militer maupun sipil. Dengan sebuah penerima GPS yang terhubung dengan antena GPS, seorang pengguna dapat menerima sinyal GPS, yang dapat digunakan untuk menentukan posisi pengguna tersebut di manapun di bumi. Saat ini GPS tersedia bagi siapapun di seluruh dunia tanpa biaya apapun.
Gambar 2.7 Daerah Kerja GPS
2.1.3.3 Cara Kerja GPS
Secara teoritis, GPS bekerja dengan cara mengumpulkan data dari satelit, masing-masing satelit akan memberikan informasi jarak antara lokasi satelit tersebut dengan sebuah titik di bumi (GPS receiver). Dari proses pengambilan lokasi-lokasi tersebut akan diperoleh koordinat-koordinat yang disebut waypoint (garis lintang dan bujur pada peta).Setiap daerah di atas permukaan bumi ini minimal terjangkau oleh 3-4 satelit. Pada prakteknya, setiap GPS terbaru bisa menerima sampai dengan 12 chanel satelit sekaligus. Kondisi langit yang cerah dan bebas dari halangan membuat GPS dapat dengan mudah
menangkap sinyal yang dikirimkan oleh satelit. Semakin banyak satelit yang diterima oleh GPS, maka akurasi yang diberikan juga akan semakin tinggi.
Cara kerja GPS secara logik ada 5 langkah:
1. Memakai perhitungan “triangulation” dari satelit.
2. Untuk perhitungan “triangulation”, GPS mengukur jarak menggunakan travel time sinyal radio.
3. Untuk mengukur travel time, GPS memerlukan akurasi waktu yang tinggi.
4. Untuk perhitungan jarak, kita harus tahu dengan pasti posisi satelit dan ketingian pada orbitnya.
5. Terakhir harus menggoreksi delay sinyal waktu perjalanan di atmosfer sampai diterima reciever.
Konsep triangulasi dapat dianalogikan seperti berikut. A ingin datang ke di Gedung G, A tidak tahu di mana letak gedung itu. Ia hanya punya informasi bahwa Gedung G terletak 10 km dari Universitas X, 15 km dari Pasar Y dan 20 km dari Terminal Z. Dengan menggambar tiga lingkaran yang berpusat di Universitas X, Pasar Y dan Terminal Z, masing-masing dengan radius 10, 15 dan 20 km. Di titik perpotongan ketiga lingkaran itulah terletak Gedung G. Dalam hal ini, alat penerima akan berada pada titik potong tiga bidang bola; masing-masing dengan radius sebesar jarak alat penerima ke satelit, dengan satelit itu sebagai pusat bola. Dengan demikian, posisi titik itu dapat diketahui dengan titik perpotongan ketiga lingkaran tersebut.
Pada praktiknya, satelit yang digunakan minimum 3 buah dan satelit keempat dibutuhkan untuk perhitungan sinkronisasi clock dari penerima GPS. Akurasi yang diperoleh dengan metode ini terbatas pada 100 meter untuk komponen horizontal, 156 meter untuk vertikal, dan 340 nanodetik untuk komponen waktu, semua pada tingkat probabilitas sebesar 95%. Tingkat keakuratan yang rendah ini diakibatkan oleh teknik selective availability, yaitu teknik yang digunakan untuk menurunkan akurasi posisi waktu nyata bagi pengguna yang tak berhak. Dengan keputusan pemerintah Amerika Serikat tanggal 1 Mei 2000 untuk penghentian selective availability, akurasi horizontal dapat naik menjadi 22 meter (dengan tingkat probabilitas 95%). Untuk lebih lagi meningkatkan akurasi GPS, digunakan metode diferensial, yang menggunakan dua alat penerima bersamaan. Dalam kasus ini, tingkat keakuratan yang diperoleh mencapai beberapa meter saja.
Gambar 2.9 Bagaimana Satelit GPS Mengirim Sinyal
Satelit GPS berputar mengelilingi bumi selama 12 jam di dalam orbit yang akurat dia dan mengirimkan sinyal informasi ke bumi. GPS reciever mengambl informasi itu dan dengan menggunakan perhitungan “triangulation” menghitung lokasi user dengan tepat. GPS reciever membandingkan waktu sinyal di kirim dengan waktu sinyal tersebut di terima. Dari informasi itu didapat diketahui berapa jarak satelit. Dengan perhitungan jarak, GPS reciever dapat melakukan perhitungan dan menentukan posisi user dan menampilkan dalam peta elektronik.
Gambar 2.10 Tampilan GPS Reciever
Sebuah GPS reciever harus mengunci sinyal minimal tiga satelit untuk memenghitung posisi 2D (latitude dan longitude) dan track pergerakan. Jika GPS reciever dapat menerima empat atau lebih satelit, maka dapat menghitung posisi 3D (latitude, longitude dan altitude). Jika sudah dapat menentukan posisi user, selanjutnya GPS dapat menghitung informasi lain, seperti kecepatan, arah yang dituju, jalur, tujuan perjalanan, jarak tujuan, matahari terbit dan matahari terbenam dan masih banyak lagi. Satelit GPS dalam mengirim informasi waktu sangat presesi karena Satelit tersebut memakai jam atom. Jam atom yang ada pada satelit jalan dengan partikel atom yang di isolasi, sehingga dapat menghasilkan jam yang akurat dibandingkan dengan jam biasa.
Perhitungan waktu yang akurat sangat menentukan akurasi perhitungan untuk menentukan informasi lokasi kita. Selain itu semakin banyak sinyal satelit yang dapat diterima maka akan semakin presesi data yang diterima karena ketiga satelit mengirim pseudo-random code dan waktu yang sama. Ketinggian itu menimbulkan keuntungan dalam mendukung proses kerja GPS, bagi kita karena semakin tinggi maka semakin bersih atmosfer, sehingga gangguan semakin sedikit dan orbit yang cocok dan perhitungan matematika yang cocok. Satelit harus tetap pada posisi yang tepat sehingga stasiun di bumi harus terus memonitor setiap pergerakan satelit, dengan bantuan radar yang presesi selalu di cek tentang altitude, posision dan kecepatannya.
2.1.3.4 Menentukan Posisi dari Receiver ke Satelit GPS
Sebuah GPS receiver mengetahui lokasi dari satelit dengan cara menghitung seberapa jauh jarak antara satelit dan receiver dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
KECEPATAN x WAKTU = JARAK
Keterangan:
Kecepatan = kecepatan gelombang mikro yang dikirimkan dari satelit, Waktu = waktu yang dibutuhkan dari satelit mengirimkan sinyal
hingga diterima GPS receiver,
Jarak = jarak antara satelit dengan GPS receiver.
Dari diketahui jarak antara receiver dengan satelit, maka dapat ditentukan posisi receiver dengan cara mengirimkan balik sinyal ke satelit sehingga membentuk suatu lingkaran dari ketiga satelit yang ada.
2.1.3.5 TTFF (Time to First Fix)
TTFF (Time to First Fix) adalah waktu yang diperlukan oleh sebuah GPS receiver untuk mengetahui posisinya saat ini. TTFF bergantung pada mode boot up mode GPS apakah hot start, warm start, atau cold start.
Secara umum factor-faktor yang mempengaruhi boot mode antara lain sebagai berikut: • Adanya data almanac dan ephemeris yang valid.
• Kuat sinyal yang diterima receiver.
• Posisi receiver dari tempat terakhir dimana dia fix atau memperoleh data yang valid (sekitar 100 km dari tempat terakhir dia memperoleh data yang valid).
• Waktu terakhir fix atau memperoleh data yang valid.
Setiap satelit GPS melakukan broadcast pesan navigasi dengan kecepatan 50 bit/s yang berisi kondisi informasi satelit GPS (ditransmisikan pada bagian pertama dari pesan), data ephemeris (ditransmisikan pada bagian kedua dari pesan), dan data almanac (ditransmisikan pada bagian akhir dari pesan). Pesan dikirim dalam frame dimana masing-masing frame memerlukan waktu 30 detik untuk mengirimkan 1500 bit. Setiap frame terdiri 5
subframe dengan lama 6 detik dan panjang 300 bit. Setiap subframe terdiri dari 10 words yang masing-masing terdiri dari 30 bit dengan masing-masing memerlukan 0,6 detik untuk dikirimkan.
Word 1 dan 2 dari setiap subframe memiliki tipe data yang sama. Word pertama mengindikasikan awal dari sebuah subframe dan digunakan oleh receiver untuk melakukan sinkronisasi dengan pesan navigasi. Word kedua merupakan handover word yang memiliki informasi waktu yang memungkinkan receiver untuk mengidentifikasi subframe dan memberitahukan waktu pengiriman subframe selanjutnya.
Word 3 sampai 10 dari subframe 1 terdiri atas data yang menjelaskan clock satelit dan hubungan dengan waktu GPS. Word 3 sampai 10 dari subframe 2 dan 3 terdiri dari data ephemeris yang menunjukkan letak pasti dari satelit tersebut. Data ephemeris diperbaharui setiap sekitar 2 jam.
Almanac terdiri dari posisi kasar (tidak begitu akurat) dan informasi status dari setiap satelit. Word 3 sampai 10 pada subframe 4 dan 5 terdiri dari sebuah bagian baru dari data almanac. Setiap frame memiliki 1/25 data almanac sehingga diperlukan waktu selama 12,5 menit untuk memperoleh almanac keseluruhan dari tiap satu satelit. Data almanac memiliki beberapa fungsi yakni untuk membantu penemuan satelit pada penyalaan atau membantu untuk memprediksi satelit mana yang terlihat dengan mengizinkan receiver untuk memberikan daftar satelit yang terlihat berdasarkan posisi dan waktu yang tersimpan sehingga mempersingkat waktu akuisisi. Data almanac akan disimpan di non-volatile memory. Sementara itu data ephemeris dari setiap satelit diperlukan untuk menghitung posisi menggunakan satelit tersebut. Jika receiver tidak memiliki data almanac maka akan menyebabkan waktu delay yang lama sebelum memperoleh posisinya yang valid karena dilakukan pencarian terhadap masing-masing satelit merupakan proses yang lambat.
Ketika sebuah GPS receiver sudah pernah fix dan dimatikan, posisi dan data yang valid akan disimpan. Ketika receiver dihidupkan kembali, dia akan berusaha untuk menggunakan informasi yang telah tersimpan dalam almanac untuk memprediksi satelit mana yang terlihat. Jika receiver telah berpindah terlalu jauh atau internal clock sudah tidak aktif (GPS tidak aktif dari 3 hari sebelumnya), maka data yang tersimpan tidak dapat digunakan untuk membantu memprediksi lokasi satelit.
• Mode Cold Start
GPS melakukan start up dalam mode ini ketika:
Receiver telah berpindah lebih dari 100 km dari lokasi fix terakhir. Waktu saat ini tidak akurat atau tidak diketahui.
Sinyal yang diterima lemah. Satelit yang diprediksi secara fisik ada di atas atau terlihat tetapi receiver tidak bisa melihatnya misalnya karena adanya bangunan yang tinggi atau halangan lainnya.
Situasi-situasi seperti di atas memiliki arti bahwa receiver tidak bisa memprediksi dan/atau membuktikan satelit mana yang terlihat. Receiver kemudian mencari semua satelit dan mencoba untuk memperolehnya secara bergantian. TTFF untuk cold start bisa mencapai belasan menit.
• Mode Warm Start
GPS melakukan start up dalam mode ini ketika: Memiliki almanac yang valid.
Lokasi saat ini tidak lebih dari 100 km dari lokasi fix terakhir.
Waktu saat ini diketahui (GPS pernah aktif dalam tiga hari terakhir). Tidak ada data ephemeris yang tersimpan.
Terdapat 4 atau lebih satelit dengan HDOP < 6 dan kekuatan sinyal yang bagus (misalnya satelit memiliki geometri yang bagus dan bisa melihat langit secara langsung).
Receiver bisa memprediksi satelit mana yang terlihat tetapi perlu untuk memperoleh data ephemeris saat ini terlebih dahulu. TTFF untuk mode start ini biasanya sekitar 45 detik.
• Mode Hot Start
GPS receiver start up dengan mode hot start jika kondisi warm start terpenuhi dan ketika: Sudah fix dalam 2 jam terakhir.
Dalam mode ini, receiver dengan cepat mengetahui satelit yang terlihat dan hanya perlu memperoleh data yang sedikit untuk mengetahui posisinya. TTFF untuk hot start biasanya 22 detik.
TTFF bisa juga dipengaruhi oleh konstelasi atau posisi satelit. Semakin banyak satelit dalam lokasi yang bagus mengurangi TTFF dan meningkatkan akurasi. Minimal dibutuhkan 4 satelit untuk fix. Dengan 5 atau lebih dibutuhkan untuk kualitas fix yang lebih bagus.
GPS bekerja dengan konsep triangulasi. Satelit yang berada tepat di atas (sudut elevasi 90o) memberikan hasil yang lebih tidak akurat dibandingkan dengan satelit dengan sudut elevasi yang lebih rendah. Namun sinyal dari satelit yang terlalu lemah pada langit yang harus melewati atmosfer bumi akan mengurangi akurasi juga.
2.1.3.6 Ketidakakuratan pada GPS
Sistem GPS telah didesain untuk seakurat mungkin, tetapi masih ada penyimpangan yang terjadi. Ada banyak penyebab dari penyimpangan ini, yaitu :
1. Kondisi Atmosfer
Kondisi atmosfer yang berubah mengakibatkan kecepatan sinyal GPS berubah karena sinyal tersebut melewati atmosfer bumi dan ionosfer sehingga kecepatan gelombang mikro dari satelit akan berubah, yang akan mempengaruhi perhitungan jarak menjadi tidak akurat.
2. Ephemeris Error dan Clock Error
Sinyal pada GPS membawa informasi tentang error pada ephemeris (posisi secara orbital).
3. Selective Availabilty
Selective Availability (SA) adalah teknik yang digunakan untuk menurunkan akurasi posisi waktu nyata bagi pengguna yang tak berhak, dimana merupakan suatu penyimpangan posisi yang disengaja dari sekitar 0 sampai ribuan kaki ke dalam sinyal navigasi yang ada secara umum. SA ini bisa dihilangkan dengan cara koreksi secara diferrensial.
4. Multipath
Signal yang mengalami pantulan akibat memasuki atmosfer bumi ketika menuju ke antena GPS.
5. Dilution Of Precision (DOP)
DOP merupakan sebuah indikator kualitas dari geometri pada konstelasi satelit. Perhitungan sebuah posisi bisa berbeda-beda tergantung pada satelit mana yang sedang digunakan. Perbedaaan geometri satelit bisa memperbesar atau bahkan memperkecil error pada GPS. Semakin besar sudut antara satelit yang satu dengan yang lainnya maka akan memperkecil nilai DOP, dan menghasilkan pengukuran yang lebih baik. Nilai yang tinggi pada DOP berarti mengindikasikan geometri yang buruk pada satelit.
Gambar 2.11 Posisi Baik pada Pemetaan
2.1.3.7 Bagaimana Sinyal dapat Menentukan Lokasi
Apa hubungan antara sinyal yang dikirimkan oleh satelit dengan cara GPS menentukan lokasi? Sinyal yang dikirimkan oleh satelit ke GPS akan digunakan untuk menghitung waktu perjalanan (travel time). Waktu perjalanan ini sering juga disebut sebagai Time of Arrival (TOA). Sesuai dengan prinsip fisika, bahwa untuk mengukur jarak dapat diperoleh dari waktu dikalikan dengan cepat rambat sinyal.
Maka, jarak antara satelit dengan GPS juga dapat diperoleh dari prinsip fisika tersebut. Setiap sinyal yang dikirimkan oleh satelit akan juga berisi informasi yang sangat detail, seperti orbit satelit, waktu, dan hambatan di atmosfir. Satelit menggunakan jam atom yang merupakan satuan waktu paling presisi.
Untuk dapat menentukan posisi dari sebuah GPS secara dua dimensi (jarak), dibutuhkan minimal tiga buah satelit. Empat buah satelit akan dibutuhkan agar didapatkan lokasi ketinggian (secara tiga dimensi). Setiap satelit akan memancarkan sinyal yang akan diterima oleh GPS receiver. Sinyal ini akan dibutuhkan untuk menghitung jarak dari masing-masing satelit ke GPS. Dari jarak tersebut, akan diperoleh jari-jari lingkaran jangkauan setiap satelit. Lewat perhitungan matematika yang cukup rumit, interseksi (perpotongan) setiap lingkaran jangkauan satelit tadi akan dapat digunakan untuk menentukan lokasi dari GPS di permukaan bumi.
2.1.3.8 Manfaat GPS
Dengan menggunakan GPS, Anda dapat menandai semua lokasi yang pernah Anda kunjungi. Misalnya, Hotel Mulia di waypoint sekian dan tempat-tempat lainnya.Sebenarnya, ada banyak manfaat yang bisa diambil jika Anda mengetahui waypoint dari suatu tempat. Pertama, Anda dapat memperkirakan jarak lokasi yang Anda tuju dengan lokasi asal Anda. GPS keluaran terakhir dapat memperkirakan jarak Anda ke tujuan, sampai estimasi lamanya perjalanan dengan kecepatan aktual yang sedang Anda tempuh. Kedua, lokasi di daratan memang cukup mudah untuk dikenali dan diidentifikasi. Namun, jika Anda kebetulan menemui tempat memancing yang sangat baik di tengah lautan ataupun tempat melihat matahari terbenam yang baik di puncak gunung, bagaimana cara menandai lokasi tersebut agar Anda dapat balik lagi ke lokasi itu di kemudian hari tanpa tersesat? Di saat seperti inilah sebuah GPS akan menunjukkan manfaatnya.
Dengan teknologi GPS dapat digunakan untuk beberapa keperluan sesuai dengan tujuannya. GPS dapat digunakan oleh peneliti, olahragawan, petani, tentara, pilot, petualang, pendaki, pengantar barang, pelaut, kurir, penebang pohon, pemadam kebakaran dan orang dengan berbagai kepentingan untuk meningkatkan produktivitas, keamanan, dan untuk kemudahan.
Dari beberapa pemakaian di atas dikategorikan menjadi: Lokasi
Digunakan untuk menentukan dimana lokasi suatu titik dipermukaan bumi berada. Jenis program :
$GPAAM : Waypoint Arrival Alarm
$GPGGA : Global Positioning System Fix Data Navigasi
Membantu mencari lokasi suatu titik di bumi Tracking
Membantu untuk memonitoring pergerakan obyek
Membantu memetakan posisi tertentu, dan perhitungan jaringan terdekat Timing
Dapat dijadikan dasar penentuan jam seluruh dunia, karena memakai jam atom yang jauh lebih presesi di banding dengan jam biasa.
Jenis Program :
$GPZDA : UTC Date / Time and Local Time Zone Offset $GPZFO : UTC & Time from Origin Waypoint
Tidak perduli posisi Anda, di tengah laut, di tengah hutan, di atas gunung, ataupun di pusat kota. Selama GPS dapat menerima sinyal dari satelit secara langsung tanpa halangan, maka GPS akan selalu memberikan informasi koordinat posisi Anda. GPS membutuhkan area pandang yang bebas langsung ke langit. Halangan-halangan seperti pohon, gedung, bahkan kaca film sekelas V-Kool, bisa mengurangi akurasi sinyal yang diterima oleh GPS. Bahkan bukan tidak mungkin GPS tidak bisa menerima sinyal sama sekali dari satelit. GPS juga memiliki feature tambahan yang mampu memberikan informasi selama Anda di perjalanan, seperti kecepatan, lama perjalanan, jarak yang telah ditempuh, waktu, dan masih banyak. 2.1.3.9 Model dan Interkoneksi GPS
Sebuah GPS juga memiliki firmware yang bisa di-upgrade. Upgrade firmware ini biasanya disediakan pada site produsen GPS tersebut. Upgrade firmware biasanya menggunakan kabel yang dibundel atau-pun tersedia sebagai asesoris. Kabel ini juga ternyata bisa digunakan untuk menghubungkan GPS ke komputer (baik itu notebook, PC, maupun PDA dengan sedikit bantuan konverter). Software GPS yang tersedia untuk berbagai platform tersebut juga cukup banyak. Dengan software tersebut, Anda dapat dengan mudah mendownload informasi dari GPS. Memori sebuah GPS memang relatif terbatas, sehingga kemampuan ekstra untuk menyimpan informasi yang pernah Anda tempuh ke PC/PDA (yang biasanya memiliki memori lebih besar) tentu akan sangat menyenangkan. Untuk media komunikasi GPS dengan hardware lain selain kabel, model GPS sekarang juga ada yang dilengkapi dengan Bluetooth, Infrared.
Berdasarkan fisik, model GPS dibagi menjadi beberapa tipe antara lain model portable/handheld (ukurannya menyerupai ponsel), ada yang lebih besar (biasanya dimount di mobil/kapal), ada pula yang menggunakan interface khusus untuk dikoneksikan ke notebook maupun PDA (Palm, Pocket PC maupun Nokia Com-municator).
GPS untuk keperluan out-door biasanya juga dilengkapi dengan perlindungan anti air dan tahan benturan. Beberapa GPS keluaran terakhir bahkan sudah menyediakan layar warna dan kemampuan komunikasi radio jarak pendek (FRS/Family Radio Service).
Tentu saja, semakin banyak feature yang ditawarkan pada sebuah GPS maka semakin tinggi pula harganya. Jika suatu saat Anda ingin pergi ke lokasi yang pernah Anda kunjungi dengan menggunakan GPS. Maka, Anda tinggal meng-upload data yang pernah Anda simpan
di komputer kembali ke GPS. Selanjutnya, Anda akan mendapatkan rekaman perjalanan Anda terdahulu. Lokasi dan track yang pernah Anda kunjungi akan dapat Anda temui kembali dengan cepat, dan tentu saja meminimalkan resiko tersesat.
2.1.3.10 Format Kalimat GPS
Perusahaan-perusahaan pembuat GPS memiliki format kalimat masing- masing untuk menyimpan hasil pengukuran GPS, sehingga sulit untuk menggabungkan data dari alat GPS yang berbeda. Masalah yang mirip terjadi saat ingin melakukan antar-muka terhadap berbagai alat yang berbeda, termasuk sistem GPS. Untuk mengatasi masalah ini, banyak peneliti yang membuat format standar untuk berbagai keperluan penggunanya. Format standar yang banyak digunakan saat ini ada empat, yaitu:
1. RINEX
RINEX dibuat oleh sekelompok peneliti untuk mengatasi kesulitan mengkombinasikan data biner dari penerima GPS yang berbeda. Data RINEX merupakan format standar ASCII, sehingga memakan tempat yang lebih banyak dalam penyimpanannya.
2. NGS-SP3
NGS-SP3 dibangun oleh U.S. NGS yang merupakan akronim dari Standard Product #3, yang datanya berupa dokumen ASCII yang berisi data orbital yang presisi dan koreksi clock satelit yang bersangkutan.
3. RTCM SC-104 untuk Layanan DGPS
Format ini merupakan format standar industri untuk mengirimkan koreksi waktu nyata DGPS yang diajukan oleh Radio Technical Commission for Maritime Services untuk memastikan operasi yang efisien dan koreksi pseudorange.
4. NMEA 0183
NMEA merupakan akronim dari National Marine Electronics Association, yang formatnya diadopsi sebagai format untuk antar-muka alat-alat elektronik kelautan. Format ini juga menggunakan data dalam format ASCII.
Tipe String:
Tipe String Deskripsi
$GPAAM $GPALM $GPBEC $GPBOD $GPBWC $GPFSI $GPGGA $GPGLC $GPGLL $GPGRS $GPGSA $GPGSV $GPHDG $GPHDT $GPHSC $GPMWV $GPROT $GPRPM
Waypoint Arrival Alarm GPS Almanac Data
Bearing & Distance to Waypoint, Dead Reckoning Bearing, Origin to Destination
Bearing & Distance to Waypoint, Great Circle Frequency Set Information
*Global Positioning System Fix Data (Time, Position, Elevation)
Geographic Position, Loran-C
*Geographic Position, Latitude/Longitude GPS Range Residuals
*GPS DoP (Dilution of Precision) and Active Satellites *GPS Satellites in View
Heading, Deviation & Variation Heading, True
Heading Steering Command (Time, Position, Velocity) Rate of Turn
2.1.3.11 GGA (Global Positioning System Fix Data)
Kalimat GGA menyediakan lokasi 3 dimensi. Format kalimatnya adalah: • Data tidak valid
$GPGGA,,,,,,0,03,,,M,,M,,*65 • Data valid
$GPGGA,161229.487,3723.2475,N,12158.3416,W,1,07,1.0,9.0,M, , , ,0000*18
Dimana:
Istilah Sintak Satuan Penjelasan
Sintak $GPGGA GGA protokol
Waktu UTC 161229.49 hhmmss.sss
Garis Lintang 3723.2475 ddmm.mmmm
Indikator N/S N N=north(utara) atau S=south(selatan)
Garis Bujur 12158.342 dddmm.mmmm
Indikator W/E W E= east(timur) atau W=west(barat) Indikator Posisi 1
Satelit yang
Digunakan 07
HDOP 1.0
Ketinggian Terhadap
Air Laut 9.0 meter
Horizontal Dilution of Precision (error secara horizontal)
Satuan M meter
Satuan M meter
Age of Diff. Corr. kosong bila DGPS tidak digunakan Diff. Ref. Station ID 0000
Checksum *18 Pegnecekan error
<CR> <LF> Akhir dari pesan
Tabel 2.7 Kalimat GGA
2.1.3.12 Istilah-istilah yang Penting
Beberapa istilah penting yang penting untuk diketahui yang berhubungan dengan GPS: Waypoint: Istilah yang digunakan oleh GPS untuk suatu lokasi yang telah ditandai. Waypoint terdiri dari koordinat lintang (latitude ) dan bujur (longitude ). Sebuah waypoint biasa digambarkan dalam bentuk titik dan simbol sesuai dengan jenis lokasi.
Mark: Menandai suatu posisi tertentu pada GPS.Jika Anda menandai lokasi menjadi waypoint,maka dikatakan Anda melakukan marking.
Route: Kumpulan waypoint yang ingin Anda tempuh secara berurutan dan dimasukkan ke dalam GPS.
Track: Arah perjalanan yang sedang Anda tempuh dengan menggunakan GPS. Biasanya digambarkan berupa garis pada display GPS.
Elevation: Istilah pada GPS untuk menentukan ketinggian. Ada dua jenis pengukur ketinggian pada GPS, yaitu menggunakan alat klasik ‘barometer ’ atau menggunakan perhitungan satelit. Pengukuran ketinggian menggunakan barometer jauh lebih akurat di udara bebas,namun tidak bisa bekerja dalam pesawat atau ruang vakum lainnya.Ini disebabkan oleh perbedaan tekanan udara dalam ruang vakum dengan tekanan udara di luar. Pengukuran ketinggian menggunakan satelit akan lebih akurat pada tempat seperti itu.
Bearing: Arah/posisi yang ingin Anda tuju. Contohnya, Anda ingin menuju ke suatu lokasi di posisi A yang letaknya di Utara, maka bearing Anda dikatakan telah diset ke Utara.
Heading: Arah aktual yang sedang dijalankan. Contohnya, saat menuju ke posisi A tadi, Anda menemui halangan sehingga harus memutar ke Selatan terlebih dahulu, maka Anda heading Anda pada saat itu adalah Selatan.
2.1.4 GPS Starter Kit (LR9540)
GPS Starter Kit merupakan suatu sarana pengembangan modul OEM GPS Receiver yang berbasis LR9540 dan dilengkapi dengan LCD 16 karakter x 2 baris sebagai media tampilan. GPS Starter Kit dapat digunakan untuk mengevaluasi modul OEM GPS Receiver serta aplikasi-aplikasi yang berkaitan dengan GPS, antara lain: GPS navigator, GPS tracking, dsb.
Spesifikasi
1. Berbasis LR9540, modul OEM GPS Receiver 20 channel dengan antarmuka UART-TTL dan memiliki protokol keluaran SiRF binary & NMEA-0183.
2. Mendukung modul OEM GPS Receiver lainnya yang bekerja pada tegangan 5 VDC dan memiliki pin out sesuai.
3. Mendukung tegangan active antenna 3,3V dan 5V.
4. Tersedia tombol manual reset dan socket untuk backup baterai 3V bertipe ‘CR2032’. 5. Dilengkapi LCD 16 karakter x 2 baris, rangkaian LCD 4-bit, dan rangkaian VR
pengatur kontras LCD.
6. Tegangan input catu daya 5 VDC, dilengkapi dengan regulator tegangan 3,3 VDC. 7. Kompatibel dengan PC-Link USBer dan DT-51 Low Cost Series atau DT-AVR Low
Gambar 2.14 Alokasi Pin J13
J13 digunakan untuk aplikasi dengan PC-Link USBer. P5 hingga P10 memiliki fungsi yang sama dengan pin 5 hingga pin 10 PC-Link USBer. Bila menggunakan PC-Link USBer, maka J11 tidak boleh gunakan. Demikian juga sebaliknya, bila J11 digunakan, maka PC-Link USBer tidak boleh dipasang.
Gambar 2.15 Alokasi Pin J11 & pin J12
J11 dan J12 digunakan untuk antarmuka antara modul GPS dan LCD dengan rangkaian mikrokontroler atau mikroprosesor. VR R3 dapat diputar untuk mengatur kontras LCD.
Pemilihan sumber input catu daya dan tegangan active antenna dapat dilakukan dengan mengatur jumper J1 dan J2. Jika jumper J1 pada posisi 2-3 (input catu daya dari DC Jack) maka perhatikan polaritas berikut:
Gambar 2.17 Polaritas DC jack U1
Tombol S1 dapat ditekan untuk melakukan manual reset terhadap modul GPS.
2.1.5 Real Time Clock (RTC)
Real Time Clock (RTC) adalah jam komputer (dalam bentuk IC) yang beroperasi melacak waktu sekarang (real time) berupa jam, menit dan detik. Meskipun istilah ini sering merujuk kepada perangkat di komputer pribadi, server dan embedded system, RTC hadir di hampir semua perangkat elektronika yang membutuhkan informasi waktu secara akurat.
Istilah ini demikian untuk menghindari kebingungan dangan jam hardware biasa dimana sinyalnya hanya diatur oleh elektronika digital, dan tidak menghitung waktu dalam satuan manusia. Walaupun untuk mendapatkan informasi waktu bisa dilakukan tanpa suatu RTC, namun dengan adanya RTC bisa didapat keuntungan :
Konsumsi daya yang rendah
Sistem utama bebas dari beban waktu kritis (time-critical tasks) Lebih akurat dari metode lain
Keuntungan untuk sebuah receiver GPS adalah dapat mempersingkat waktu startup dibandingkan dengan waktu saat ini dan hasil akhir sinyal yang valid.
RTC memiliki sumber daya alternatif, sehingga mereka dapat terus menjaga informasi waktu, sementara sumber utama daya dimatikan atau tidak tersedia. Alternatif sumber
daya/power biasanya baterai lithium dalam sistem lama, tapi beberapa sistem yang lebih baru menggunakan superkapasitor karena mereka dapat diisi ulang dan dapat disolder. Sumber daya alternatif juga dapat mensuplai listrik ke baterai RAM. Dalam masalah timing, RTC memanfaatkan osilator kristal, tetapi beberapa lainnya menggunakan frekuensi saluran listrik. Dalam banyak kasus, frekuensi osilator yang digunakan adalah 32,768 kHz. Ini adalah frekuensi yang sama digunakan dalam jam kuarsa dan jam tangan, dan untuk ulasan yang sama, yaitu bahwa frekuensi tepat 215 siklus per detik, yang merupakan tingkat nyaman untuk digunakan dengan sederhana sirkuit counter biner.
Real Time Clock merupakan suatu chip (IC) yang memiliki fungsi sebagai penyimpan waktu dan tanggal. Pada sinkronisasi waktu melalui antena GPS, umumnya RTC yang digunakan agar bisa terkoneksi dengan mikrokontroler H8 adalah RTC tipe DS1307. RTC DS1307 merupakan Real-time clock (RTC) dengan jalur data parallel yang memiliki Antarmuka serial Two-wire (I2C), Sinyal keluaran gelombang-kotak terprogram (Programmable squarewave), Deteksi otomatis kegagalan-daya (power-fail) dan rangkaian switch, Konsumsi daya kurang dari 500nA menggunakan mode baterai cadangan dengan operasional osilator. Tersedia fitur industri dengan ketahanan suhu: -40°C hingga +85°C. Tersedia dalam kemasan 8-pin DIP atau SOIC.
Serial RTC DS1307 ini memiliki daya yang rendah, full binary-coded decimal (BDC) clock/calender, dan 56 byte nonvolatile (NV) SRAM. Address dan datanya ditransfer secara serial melalui 2 kabel bi-derictional bus. Fitur jam/kalender di dalamnya menyediakan informasi detik, menit, jam, hari, tanggal, bulan, dan tahun. Jam beroperasi baik dalam format 24 jam atau 12 jam dengan indikator AM/PM. DS1307 memiliki semacam sirkuit sensor daya yang dapat mendeteksi gangguan listrik dan secara otomatis beralih ke pasokan baterai. Bentuk fisik DS1307 ditunjukkan gambar A, sementara deskripsi pin dan tipe rangkaian operasinya ditunjukkan oleh tabel dan gambar B. Spesifikasi lain dari DS1307 adalah sebagai berikut :
Sinyal output squarewave yang bersifat “programmable”
Mengkonsumsi kurang dari 500nA pada mode baterai cadangan dengan osilator berjalan
A B
Gambar 2.18 Bentuk fisik DS1307
Pin Nama Fungsi
1,2 X1,X2 32,768 kHz Crystal Connection
3 Vbat Input baterai +3V
4 GND Ground
5 SDA Serial Data
6 SCL Serial Clock
7 SQW/OUT Squarewave/Output Driver
8 Vcc Primary Power Supply
Gambar 2.19 Rangkaian Operasi DS1307
DS1307 beroperasi sebagai slave devices pada serial bus. Aksesnya diperoleh dengan mengimplementasikan kondisi START dan memberikan kode identifikasi yang diikuti dengan sebuah register address. Register berikutnya dapat diakses secara berurutan sampai kondisi STOP dieksekusi. Ketika Vcc turun di bawah 1,25 x Vbat, device akan menutup sebuah akses dalam progres dan reset device address counter. Input ke device tidak akan diterima saat itu untuk mencegah data error dari “penulisan” ke device yang berada di luar sistem toleransi. Ketika Vcc turun dibawah Vbat, perangkat akan switch ke mode baterai cadangan arus rendah. Setelah daya meningkat, device akan beralih dari baterai ke Vcc ketika Vcc lebih besar dari Vbat +0,2V dan akan menerima input ketika Vcc lebih besar dari1,25 x Vbat. Blok diagram pada gambar 2.20 menunjukkan unsur-unsur utama dari serial RTC.
Gambar 2.20 Blok diagram DS1307
2.1.5.1 Signal Description
Vcc, GND – Daya DC disediakan pada perangkat pin ini. Vcc adalah input 5V. Ketika 5V diterapkan dalam batas normal, perangkat sepenuhnya dapat diakses dan data dapat ditulis serta dibaca. Ketika baterai 3V tersambung ke perangkat dan Vcc dibawah 1,25V x Vbat, proses membaca dan menulis akan terhambat. Namun, fungsi ketepatan waktu secara kontinyu tidak akan terpengaruh oleh tegangan input yang lebih rendah. Ketika Vcc turun dibawah Vbat RAM, pencatat waktu akan beralih ke catu daya eksternal (nominal 3,0V DC) di Vbat.
Vbat – Input baterai untuk setiap standar sel lithium atau sumber energi lainnya adalah 3V. Tegangan baterai harus berada antara 2.0V dan 3.5V untuk beroperasi dengan baik. Sebuah baterai lithium dengan 48mAhr atau lebih, akan kembali meningkatkan kinerja DS1307 selama lebih dari 10 tahun dengan tidak adanya daya pada suhu 250C.
SCL (Serial Clock Input) – SCL digunakan untuk menyinkronkan perpindahan data pada serial interface.
SDA (Serial Data Input/Output) - SDA adalah pin I/O untuk i2c serial interface. Pin SDA dapat mengalami open drain dimana syaratnya adalah membutuhkan resistor pull-up eksternal atau pull-up resistor.
SQW / OUT (Square Wave / Driver Output) – Ketika diaktifkan, bit SQW akan set 1, pin output SQW / OUT akan bernilai salah satu dari empat frekuensi gelombang persegi (1Hz, 4kHz, 8kHz, 32kHz). Pin SQW / OUT akan open drain dan membutuhkan resistor pull-up eksternal. SQW / OUT akan beroperasi dengan baik apabila Vcc atau Vbat diterapkan.
X1, X2 – Standar untuk melakukan koneksi adalah pada frekuensi 32,768 kHz qrystal quartz. Sirkuit osilator internal dirancang untuk beroperasi dengan kristal yang memiliki kapasitansi muatan spesifik (CL) pada 12,5pF.
2.1.5.2 Clock Accuracy
Akurasi jam tergantung pada akurasu kristal dan kecocokan akurasi antara muatan kapasitif rangkaian osilator dengan muatan kapasitif yang memiliki kristal terpotong. Error akan terus bertambah akibat drift frekuensi kristal yang disebabkan oleh perubahan suhu. Akumulasi noise pada sirkuit eksternal dalam sirkuit osilator dapat mengakibatkan jam berjalan cepat.
2.1.5.3 RTC and RAM Address Map
Address map untuk RTC dan register RAM dari DS1307 ditunjukkan pada gambar 2.21. Register RTC berada pada lokasi address 00h sampai 07h. Register RAM terletak di lokasi address 08h sampai 3Fh. Selama dalam akses multi-byte, ketika address pointer mencapai 3Fh, space RAM akan habis dan akan membalikannya ke lokasi 00h yang merupakan awal dari clock space.
Gambar 2.21 address Map DS1307
2.1.5.4 Clock and Calender
Informasi jam dan kalender di peroleh dengan membaca byte register yang sesuai. Register RTC diilustarikan pada gambar 2.22. Jam dan kalender mengatur atau diawali dengan menuliskan byte register yang sesuai. Isi waktu dan register kalender dalam format BCD. Bit 7 dari register 0 adalah menghentikan jam (CH) bit. Ketika bit ini diset ke 1, osilator dinonaktifkan. Ketika clear ke 0, osilator ini diaktifkan.
2.1.5.5 Control Register
Register control DS1307 digunakan untuk mengontrol operasi pin SQW/OUT
Tabel 2.9 Kontrol Register DS1307
OUT (Output Control) : bit ini mengontrol tingkat output dari pin SQW/OUT ketika output square wave dinonaktifkan. Jika SQWE = 0, level logika pada pin SQW/OUT adalah1, jika 1 = OUT dan OUT 0 jika = 0.
SQWE (Square Wave Enable) : pada bit ini, bila diset ke logika 1 maka akan mengaktifkan output osilator. Frekuensi output square wave tergantung pada nilai bit RS1 dan RS0.
RS (Rate Select) : bit ini mengontrol frekuensi output square wave ketika output square wave telah diaktifkan. Table 2.10 mencantumkan frekuensi square wave yang dapat dipilih dengan bit RS. RS1 RS0 SQW OUTPUT FREQUENCY
0
0
1 Hz
0
1
4.096 kHz
1
0
8.192 kHz
1
1
32.768 kHz
Tabel 2.10 Frekuensi Output Square Wave DS1307
Sebuah perangkat yang mengirimkan data ke bus didefinisikan sebagai transmiter dan perangkat menerima data sebagai receiver. Perangkat yang mengendalikan pesan disebut master. Perangkat yang dikendalikan oleh master disebut sebagai slaves. Bus harus dikontrol oleh perangkat master yang menghasilkan serial clock (SCL), mengontrol akses bus, dan menghasilkan kondisi START dan STOP. DS1307 beroperasi sebagai slaves pada i2c bus. Sebuah tipikal konfigurasi bus menggunakan protokol i2c ini ditampilkan dalam gambar 2.23.
Gambar 2.23 Tipikal Konfigurasi bus i2c
Gambar 2.24, 2.25, dan 2.26 menunjukkan dengan detail bagaimana data ditransfer melalui i2c serial bus. Ada 2 kondisi untuk transfer data :
Transfer data dapat dimulai hanya ketika bus tidak sibuk.
Selama transfer data, baris data harus tetap stabil setiap kali clock line bernilai HIGH. Perubahan pada data line dimana clock line bernilai HIGH akan diintreprestasikan sebagai kontrol sinyal.
Sedangkan kondisi untuk bus, dapat didefinisikan seperti : Bus not busy : Kedua data dan clock line tetap bernilai HIGH
Start data trasnfer : Perubahan keadaan data line dari HIGH ke LOW ketika clock bernilai HIGH, didefinisikan sebagai kondisi START
Stop data transfer : Perubahan keadaan data line dari LOW ke HIGH ketika clock bernilai HIGH, didefinisikan sebagai kondisi STOP.
Data valid : Keadaan data line merupakan data yang valid ketika setelah kondisi START, data line stabil selama periode HIGH dari sinyal clock. Data pada line tersebut harus diubah selama periode LOW dari sinyal clock. Disana ada satu pulsa clock per bit data.
Setiap transfer data dimulai dengan kondisi START dan diakhiri dengan kondisi STOP. Jumlah byte data yang ditransfer antara kondisi START dan STOP tidak terbatas dan ditentukan oleh perangkat master. Informasi ditransfer oleh byte-wise dan masing-masing
receiver akan diatur oleh bit ke 9. Dalam spesifikasi 2-wire bus, mode reguler (100kHz clock rate) dan mode fast (400kHz clock rate) dapat terdefinisikan.
Gambar 2.24 Transfer data pada i2c serial bus
Berdasarkan bit R/W, maka ada 2 jenis transfer data yang mungkin :
1. Transfer data dari master transmitter ke slave receiver : byte pertama yang dikirim oleh master adalah slave address, dan selanjutnya adalah byte data. Slave akan kembali merespon bit setelah setiap byte diterima. Data ditransfer dengan bit (MSB) pertama yang paling signifikan.
2. Transfer data dari slave transmitter ke master receiver : byte pertama (slave address) ditransmisikan menuju master. Slave lalu akan menjawab bit. Ini diikuti oleh transmisi slave yang berisi sejumlah byte data. Master selanjutnya akan merespon bit setelah semua byte diterima, selain byte terakhir.
DS1307 beroperasi dengan mengikuti 2 mode :
1. Mode Slave Receiver (DS1307 write mode) : data serial dan clock diterima melalui SDA dan SCL. Setelah setiap byte diterima, lalu bit merespon dan ditransmisikan. Kondisi START dan STOP dikenal sebagai awal dan akhir dari transfer secara serial. Pengenalan address dilakukan oleh hardware setelah menerima address slave. Address byte adalah byte pertama yang diterima setelah kondisi START dihasilkan oleh master. Byte address berisi 7 bit address DS1307 dengan bilangan biner 1101000, lalu selanjutnya diikuti oleh proses R/W yang menghasilkan penulisan/write 0. Setelah
menerima dan mendecoding, address byte pada perangkat output akan dijawab pada line SDA. Setelah DS1307 merespon slave address dan menuliskan register address ke DS1307. Hal ini akan mengatur register pointer pada DS1307. Master kemudian akan mulai mengirim setiap byte data dan akan merespon setiap byte yang diterima. Master akan menghasilkan kondisi STOP untuk menghentikan penulisan data.
Gambar 2.25 Data Write - Slave Receiver Mode
2. Mode Slave Transmitter (DS1307 read mode) : byte pertama diterima dan diatur dalam mode slave receiver. Serial data dikirim ke SDA oleh DS1307, dimana serial clock sebagai input SCL. Kondisi START dan STOP dikenal sebagai awal dan akhir transfer serial. Address byte adalah byte pertama yang diterima setelah kondisi START dieksekusi oleh master. Byte alamat berisi 7-bit register DS1307 dimana bilangan biner 1101000 diproses oleh R/W yang hasil pembacaannya adalah 1. Setelah menerima dan mendecoding, address byte perangkat input akan direspon pada line SDA. DS1307 kemudian akan mulai mengirimkan data dengan mengirimnya ke address register yang diarahkan oleh register pointer.
2.2 Perangkat Lunak
2.2.1 Code Vision AVR
Code Vision AVR merupakan salah satu software kompiler yang khusus digunakan untuk mikrokontroler keluarga AVR. Code Vision AVR merupakan yang terbaik bila dibandingkan dengan kompiler-kompiler yang lain karena beberapa kelebihan yang dimiliki oleh Code Vision AVR antara lain:
1. Menggunakan IDE (Integrated Development Environment).
2. Fasilitas yang disediakan lengkap (mengedit program, mengkompile program, mendownload program) serta tampilannya terlihat menarik dan mudah dimengerti. Kita dapat mengatur settingan editor sedemikian rupa sehingga membantu memudahkan kita dalam penulisan program.
3. Mampu membangkitkan kode program secara otomatis dengan menggunakan fasilitas CodeWizardAVR.
4. Memiliki fasilitas untuk mendownload program langsung dari Code VisionAVR dengan menggunakan hardware khusus seperti Atmel STK500, Kanda System STK200+/300 dan beberapa hardware lain yang telah didefinisikan oleh CodeVision AVR.
5. Memiliki fasilitas debugger sehingga dapat menggunakan software compiler lain untuk mengecek kode assembler nya, seperti AVR studio.
6. Memiliki terminal komunikasi serial yang terintegrasi dalam CodeVisionAVR sehingga dapat digunakan untuk membantu pengecekan program yang telah dibuat khususnya yang menggunakan fasilitas komunikasi serial UART.
Salah satu kelebihan dari CodeVision AVR adalah tersedianya fasilitas untuk mendownload program ke mikrokontroler yang telah terintegrasi sehingga demikian CodeVisionAVR ini selain dapat berfungsi sebagai kompiler juga dapat berfungsi sebagai software programmer/downloader. Jadi kita dapat melakukan proses download program yang telah dikompile dengan menggunakan software CodeVisionAVR.
