19
RANCANG BANGUN SIMULATOR PEMBANGKIT DATA
ATTITUDE CONTROL SYSTEM (ACS) STREAM
Rommy Hartono1, Deddy El Amin, Rakhmad YatimPusat Teknologi Satelit
Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Jl. Cagak Satelit Km. 4, Bogor 16310 Indonesia
e-mail: [email protected] RINGKASAN
Sebuah satelit membutuhkan sistem pengendalian untuk menentukan sikap (attitude) diluar angkasa agar bisa dikendalikan. Rotasi satelit berpotensi menyebabkan perubahan posisi satelit. Untuk itu diperlukan suatu mekanisme pengontrolan posisi satelit untuk menjaga posisi dan kesetimbangan. Tulisan ini menjelaskan perancangan, pembuatan, dan pengujian simulator data pembangkit data Attitude Control System (ACS) yang mampu menunjukkan hasil-hasil data dari sensor yang ada di satelit. Rancang bangun ini menggunakan mikrokontroller ATmega32, dengan perangkat lunak yang bekerja bahasa Basic Compiler, antarmuka serial RS422, perancangan desain simulator menggunakan software Proteus7, dan perancangan skematik dan layout PCB menggunakan software Eagle. Data yang dihasilkan mikrokontroller berupa data streaming secara continue dari format data yang telah ditentukan yang akan di teruskan ke Payload Data Handling (PDH) berbasis Field Programmable Gate Array (FPGA) melalui antarmuka serial RS422. Dari hasil pengujian di dapatkan simulator pembangkit data ACS mampu mentransmit data secara terus menerus sebanyak 248 byte secara continue dengan delay waktu 500ms.
1 PENDAHULUAN
Dalam rangka kemandirian penguasaan teknologi satelit kususnya di Indonesia, Pusat Teknologi Satelit sampai saat ini masih terus melakukan penelitian dan pengembangan di setiap perangkat pendukung satelit yang dibawanya, mulai dari payload satelit, spacecraft bus dan ground station. Khusus untuk payload satelit, penguasaan teknologi yang dikembangkan berhubung-an dengberhubung-an muatberhubung-an yberhubung-ang akberhubung-an dibawa oleh satelit dengan misi satelit. Contoh payload satelit adalah kamera optik, video analog, Receiver Automatic Identification System (AIS), Automatic
Packet Reporting System (APRS),
bolometer, Synthetic Aperture Radar (SAR). Untuk menata agar data-data dari muatan satelit tersebut dapat dibawa oleh sistem transmisi dengan runtun dan efisien maka dibutuhkan PDH
(payload data handling), setelah itu data keluaran dari PDH akan ditransmisikan ke stasiun bumi mengunakan transmitter yang ada pada satelit (Laporan kegiatan bidang muatan satelit, 2015).
Data keluaran PDH ini masuk kedalam sistem transmitter. Untuk mentransmisikan data dari satelit ke stasiun bumi dibutuhkan Forward Error Control (FEC) yang efisien dan tepat agar mampu mengkoreksi kesalahan informasi yang terjadi di kanal propagasi, untuk itu dibutuhkan sistem modulasi sinyal yang sesuai dengan kapasitas bandwith yang tersedia dan level frekuensi cariernya. Terakhir sinyal dikuatkan mengunakan amplifier, multifier dan di-filter agar tidak terjadi interferesensi dengan sistem komunikasi yang lain.
Payload yang dibawa oleh satelit memuat data yang cukup banyak jenis dan kapasitasnya. Agar semua data
20
muatan tersebut dapat dibawa oleh transmitter yang memiliki keterbatasan bandwith dan keterbatasan durasi kontak antara satelit dan ground station maka dibutuhkan PDH yang andal yang dapat me manage semua data yang dihasilkan oleh muatan satelit agar dapat diterima seluruhnya oleh ground station. PDH yang dihasilkan mengikuti standar Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) yang disesuaikan dengan tiap data muatan satelit, kapasitas bandwith dan datarate transmitter muatan satelit (Laporan kegiatan bidang muatan satelit, 2015).
Alasan pemilihan pembuatan simulator pembangkit data ACS stream dikarenakan simulator data ACS sangat dibutuhkan oleh semua paket pada setiap muatan satelit yang menunjukkan posisi dan waktu dari semua sensor yang ada di satelit, dan sangat dibutuhkan untuk time stamp pada paket PDH. Batasan dari penelitian ini adalah bahwa perancangan, pembuatan, dan pengujian rancang bangun simulator data pembangkit data ACS melalui streaming data secara continue hasil-hasil data
yang diperoleh dari sensor yang ada pada satelit seperti system time, spacecraft mode, sensor star tracker, gyro, reaction wheel, sun sensor, dan lainnya. Tujuan dari rancang bangun simulator pembangkit data Attitude Control System (ACS) agar data muatan satelit dapat di-generate menggunakan microcontroller tanpa menggunakan perangkat aslinya sehingga lebih mudah pada saat proses pengujian dan pengetestan PDH berbasis FPGA.
2 METODOLOGI
Metodologi yang digunakan dalam rancang bangun simulator pembangkit data ACS stream adalah perancangan sistem hardware dan perancangan elektronik beserta firmware mikrokontroler. Rancangan hardware meliputi pemilihan komponen elektronika beserta pembuatan papan Printed Circuit Board (PCB), sedangkan rancangan firmware mikro-kontroler menggunakan mikrokonroler ATMega 32 dengan ICMAX 491 untuk interface serial dengan PC. Diagram blok sistem rancang bangun ini di tunjukkan pada Gambar 2-1.
21 3 PROSES PERANCANGAN DAN
PEMBUATAN SIMULATOR PEM-BANGKIT DATA ACS STREAM 3.1 Perancangan Hardware
Perancangan hardware meliputi
pemilihan komponen elektronika,
pembuatan schematic dan layout board yang akan di gunakan di dalam rancang bangun ini. Untuk mempermudah
dalam perancangan pembuatan
schematic dan layoutboard PCB
menggunakan softwareEAGLE (Easily
Applicable Graphical Layout Editor), software ini banyak di gunakan sebagai alat bantu untuk mendesain skema rangkaian elektronika dan PCB (http:// www.cadsoftusa.com, 2015). Diagram alir perancangan hardware dapat dilihat pada Gambar 3-1.
3.2 Perancangan Firmware Mikro-kontroler
Gambar 3-1: FlowChart perancangan Hardware Perancangan dilakukan mengguna-kan mikrokontroler ATMega 32A type PU dengan memiliki 40 pin I/O, two8-bit
timer/counter, one 16-bit timer/counter,
10 bit ADC, beroperasi pada tegangan 4.5 – 5.5 V, dan programmable serial UART (National Semiconductor Corporation, 2000). Perancangan firmware mengguna-kan bahasa Basic Compiler (BASCOM)
dikarenakan mudah di kembangkan dengan library pendukung yang cukup
banyak(http://www.mcselec.com,2016).
Perancangan mikrokontroler mencakup komunikasi serial dengan PC via RS-422 dengan di dukung oleh IC MAX 491 yg terdapat pada papan PCB.Diagram alir
perancangan mikrokontroler dapat
dilihat pada Gambar 3-2.
Inisialisasi Variable 1. Set Microkontroler
2. Set Baud Rate 3. Set Crystal
Inisialisasi dan set Value for all
Constanta
Set Timer0 Mikrokontroler Set Prescale Set UART Transmit ACS Stream Total 248 byte Checksum Delay (1 second) Loop Program Mulai
Gambar 3-2: Flowchart perancangan firmware mikrokontroler
Dimulai dengan inisialisasi
variable, setting mikrokontroler yang akan di gunakan, baudrate untuk komunikasi dengan PC secara serial, pemilihan crystal pada mikrokontroler.
crystal ini merupakan frekuensi kerja
pada mikrokontroler, biasanya frekuensi
crystal standar dari type AVR ialah 8Mhz
(http://www.alldatasheet.com,2016). Proses selanjutnya ialah meng-konfigurasi timer pada mikrokntroler, dalam hal ini timer yang di gunakan adalah timer0, dikarenakan timer jenis ini memiliki 8 bit atau maksimal jumlah cacahnya sebanyak 256 kali (Atmel, 2007).
22
Hal yang terakhir ialah mengaktifkan komunikasi serial dengan memanfaatkan port Tx pada mikrokontroler.
Tabel 3-1 menunjukan isi dari data ACS yang nantinya akan dipaketkan kedalam PDH. Untuk pembuatan breadboard model PDH menggunakan FPGA, data input dari berbagai muatan satelit yang salah satunya adalah ACS dibangkitkan sendiri menggunakan microcontroller kemudian data ACS akan dihubungkan menggunakan interface LVDS kedalam FPGA. Adapun data ACS yang akan dibangkitkan menggunakan microcontroller (Tabel 3-1).
3.3 Perancangan Perangkat Lunak (GUI)
Perancangan GUI menggunakan
bahasa pemograman Borland
Delphi7.GUI ini menampilkan data hasil streaming dari mikrokontroler.Data yang
di hasilkan ialah data berupa Hexa, dan dikonversi menjadi string.Data logger berbasis text untuk menyimpan data hasil dari streaming simulator ACS.
Program dimulai dengan inisialisasi varibel, setting com, baudrate yang akan digunakan.Diagram alir perancangan pembacaan simulator pembangkit data ACS dapat dilihat pada gambar3-3.
Tabel 3-1: ACS DATA (LAPORAN KEGIATAN BIDANG MUATAN SATELIT, 2015)
Parameter/Format Description
Unsigned integer Spacecraft mode, attitude mode, system time, ACS time, time STS Bit Float vector angular velocity, Quartenion attitude satellite, sun vector.
23 3.4 Implementasi Perancangan
Sistem rancang bangun ini terdiri dari 3 perancangan yaitu, perancangan
hardware, perancangan firmware
mikro-kontroler, dan perancangan GUI. Peran-cangan hardware yang di implementasikan pada rancang bangun ini menggunakan
software EAGLE untuk schematic dan layout board. Hasil perancangan hardware
dapat dilihat pada Gambar 3-4.
Spesifikasi untuk perancangan mikrokontroler beroperasi pada tegangan 5V yang berasal dari IC regulator 7805, DCCurrent 60mA, baudrate 9600, clock speed 8Mhz, timer 0 = 131, dan prescale = 64, Vin=7-15V dan menggunakan RS 422 untuk komunikasi serial. Berikut adalahkonfigurasi I/O connector USB-RS422.
Untuk mempermudah dalam perencanaan firmware mikrokontroler dibutuhkan simulasi rangkaian mikro-kontroler I/O. Pada paper ini digunakan software PROTEUS. Software PROTEUS dapat mensimulasikan berbagai jenis mikroprosesor dan mikrokontroler, termasuk mikrokontroler keluarga AVR (Malik, 2003). Dengan menggunakan program simulasi perancangan rangkaian berbasis mikrokontroler dapat lebih mudah dilakukan serta mengurangi biaya produksi dan menghemat waktu. PROTEUS dilengkapi dengan program compiler, sehingga dapat meruning filekode sumber seperti assembly menjadi file Hex sehingga nantinya dapat digunakan pada mikrokontroler yang sebenarnya (Microcomputer System Design, 2000).
(a) (b)
Gambar3-4: (a) Hasil schematic (b) Hasil Layout board dengan menggunakan software EAGLE Tabel 3-2:Konfigurasi PIN USB-RS422
24
Gambar 3-5: Simulasi pembangkit data ACS menggunakan simulasi PROTEUS
Gambar 3-6: Program pembangkit data ACS menggunakan bahasa Basic Compiler Untuk desain pembangkit data
ACS dibutuhkan beberapa device diantaranya mikrokontroler ATMega32A, battery, capasitor, resistor, dan virtual terminal yang di hubungkan pada pin TXD mikrokontroler ke pin RXD virtual terminal yang berfungsi untuk simulasi komunikasi serial pada mikrokontroler seperti Gambar 3-5. Langkah selanjutnya adalah membuat program membangkit data ACS seperti pada Tabel 3-1 menggunakan software BASCOM yang nantinya diupload kedalam mikrokontroler atmega32.
Langkah selanjutnya adalah mem-buat program membangkit data ACS seperti pada Tabel 3-1 menggunakan
software Basic Compiler AVR, pemograman dengan bahasa basic sering digunakan untuk melakukan pemograman mikro-kontroler AVR, programam ini mudah digunakan dan mudah untuk membuat kompailer yang akan dimasukkan kedalam microkontroler, format file dari program ini adalah .bas dan dijadikan kompailer berupa .hex (Setiawan, 2011). Software yang nantinya di-upload ke dalam mikrokontroler ATmega32.
Perancangan GUI hanya menampil-kan data stream hasil dari mikrokontroler, dan mengkonversi data berupa Hexa ke dalam String. Setelah data terkonversi maka hasil data tersebut menunjukan data dari sensor yang ada pada satelit.
25 Gambar 3-7: Implementasi hasil GUI
Untuk menjalankan GUI ini membutuhkan spesifikasi komputer yang menggunakan Intel core I5, 3.10 Ghz, dan RAM 4GB. Berikut adalah implementasi perancangan GUI untuk rancang bangun simulator pembangkit data ACS Stream.
4 HASIL PERANCANGAN, PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
Setelah proses perancangan dan perakitan selesai proses berikut yang harus dilakukan adalah proses pengujian. Proses pengujian dilakukan untuk memastikan rancang bangun simulator pembangkit data ACS telah sesuai dengan hasil yang diharapkan. Proses pengujian dilakukan berdasarkan dengan teori yang ada dengan hasil yang didapat dari rancang bangun simulator pembangkit data ACS. Pengujian ini kemudian di analisa apakah sesuai dengan teori yang ada atau tidak.
4.1 Pengujian Hardware
Perangkat keras merupakan komponen nyata dari sistem yang dirancang. Berbeda dengan perangkat lunak, kesalahan dalam merancang perangkat keras akan berpengaruh besar pada kemampuan sistem/hardware. Untuk itu diperlukan ketelitian dan kecermatan dalam membangun perangkat keras. Ketelitian dan kecermatan akan menghasilkan system yang berfungsi dengan baik serta memenuhi aspek tepat guna. Gambar 4-1 merupakan hasil akhir dari perancangan hardware,
dimana board ini akan digunakan untuk realisasi rancang bangun simulator pembangkit dataACS Stream.
Gambar 4-1: Hasil akhir PCB tampak depan dan tampak belakang
26
4.2 Pengukuran Catu Daya
Tujuan pengujian ini adalah untuk mengetahui kestabilan tegangan input alat ini dan mengetahui tegangan drop pada IC regulator yang digunakan. Prosedur pengujian ini adalah sebagai berikut, mengukur tegangan input IC regulator MC7805 dan tegangan output-nya. Hasil yang diharapkan yaitu kestabilan tegangan pada IC regulator MC7805 dan tegangan drop yang harus dicapai sekitar 2 volt yang sesuai dengan datasheet. Untuk pengukuran drop tegangan, input tegangan bervariasi dari 5 V sampai 12 V.
Analisa dari pengujian menunjukkan bahwa rangkaian regulator telah bekerja dengan baik. Hal ini terlihat pada saat diberi tegangan masukan sebesar 11,47 V, tegangan keluaran dari output IC
MC7805 menunjukkan tegangan stabil pada 5,12 V. Drop tegangan pada IC MC7805 juga bekerja sesuai dengan datasheet yaitu IC MC7805 yang memiliki tegangan drop sebesar 2 V. Hal tersebut dapat terlihat pada saat di beri masukan tegangan antara 5,14 V – 11,99 V drop tegangan terukur sebesar ±2 V, sehingga untuk mendapatkan tegangan sebesar 5 V pada keluaran dibutuhkan tegangan input minimal sebesar 7V 4.3 Pengujian Firmware Mikrokontroler
Data ACS yang dibangkitkan diantaranya adalah data unsign integer dan data Float. Ukuran dan panjang data dibangkitkan mengikuti Table 3-1. Hasil simulasi pembangkit data ACS seperti Gambar 4-3.
.
Gambar 4-2: Keterangan Dropout Tegangan (www.sparkfun.com, 2016)
27 Hasil data keluaran software
pembangkit data ACS sudah sesuai dengan format data ACS. Sebanyak 248 byte dihasilkan dengan menggunakan mikrokontroller ATMega32. Data ACS yang telah di-generate menggunakan mikrokontroler dengan total data 1 paket data ACS terdiri dari 248 byte = 1984 bits, Informasi data ACS ini, kedepannya akan ditransmisikan ke ground station mengikuti format data rekomendasi CCSDS. Satu frame data ACS berisikan 1984 bits, sebanyak 240 frame data ACS tersebut digabung kedalam satu source packet.
4.4 Pengujian GUI
Agar supaya hardware bisa ber-fungsi diperlukan software pendukung yang digunakan untuk mengirim/ menerima data melalui serialport. Pada saat mikrokontroler mengirimkan data maka secara otomatis akan diterima oleh GUI melalui ComPort. Pada GUI ini, komunikasi yang digunakan adalah satu arah. Artinya program aplikasi ini hanya dapat menerima data dari mikrokontroler saja (Wahana computer, 2009). Komponen utama pada form ini adalah ComPort. Pada Gambar 4-4 dapat dilihat bahwa GUI menerima data secara serial, data berasal dari mikrokontroler yang dikirim secara continue, dan diterjemahkan sesuai data rekomendasi CCSDS.
(a)
(b)
28
Berdasarkan flowchart perancangan GUI dimana GUI akan mengeksekusi byte jika ada header berupa FF FF FF, maka didapat hasil pengujian yang menunjukkan bahwa proses penerimaan data streaming dari microkontroler secara continue, dapat di-generate melalui GUI, dimana value packet count selalu berubah–ubah, tergantung packet data yang dikirim mikrokontroler sebanyak 248 byte dengan delay 500ms.
4.5 Manfaat Rancang Bangun Simulator ACS data Stream
Dengan adanya modul simulator pembangkit data ACS Stream, maka semua sensor yang ada di satelit seperti satellite mode, star sensor, angular velocity, sun vector, magnetic field sensor, wheel speed, dapat dilihat dan di analisa sehingga para operator dapat me-maintance satelit, agar dapat memiliki life time yang sesuai dengan waktunya. Modul ini di aplikasikan pada stasiun bumi di Pusat Teknologi Satelit Rancabungur Bogor.
5 PENUTUP
Telah berhasil didesain dan diimplementasikan rancang bangun simulator pembangkit data ACS stream. Dimana perancangan hardware meng-gunakan software EAGLE, perancangan dan implementasi firmware mikrokontroler menggunkan simulasi PROTEUS, dan Basic Compiler sebagai bahasa program yang dipakai, dan perancangan GUI menggunakan bahasa Delphi. Berdasarkan hasil pengujian dan pengukuran rancang bangun simulator pembangkit data ACS menunjukan bahwa modul ini dapat digunakan untuk streaming data-data ACS, dimana data ACS tersebut menun-jukkan hasil-hasil data dari sensor yang ada di satelit. Realisasi modul ini telah dapat digunakan sesuai dengan rancangan yang telah dibuat dan dapat berfungsi dengan baik.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Drs. Abdul Rahman, M.Sc., selaku Kepala Pusat Teknologi Satelit Lapan, Bapak Iwan Faizal selaku Kepala Bidang Diseminasi, dan Bapak Abdul Karim sebagai Kepala Bidang Program dan Fasilitas, Bapak Widodo Slamet atas arahan, bimbingan, serta fasilitas yang diberikan sehingga karya tulis ilmiah ini dapat terselesaikan dengan baik.
DAFTAR RUJUKAN
Atmel, 2007. ATMega32/ATMega32L Micro-controller with 32K Bytes In-System Programmable Flash Datasheet.
http://www.cadsoftusa.com/eagle-pcb-design-software/schematic-editor/. Diakses Desember 2015. http://www.mcselec.com/?option=com_content &task=view&id=14&Itemid=41. Maret 2016. http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/ pdf/77378/ATMEL/ATMEGA32.html di akses january 2016. https://www.sparkfun.com/datasheets/Compo nents/LM7805.pdf. Maret 2016.
KOMPUTER, WAHANA. 2009. Panduan Aplikatif dan Solusi (PAS) "Aplikasi Cerdas Meng-gunakan DELPHI". Semarang: Wahana Komputer dan Yogyakarta: Penerbit Andi. Laporan Kegiatan Bidang Teknologi Muatan Satelit Pusat Teknologi Satelit, Tahun 2015. Malik, Moh. Ibnu, 2003. Belajar Mikrokontroler
Atmel AT89S8252. Yogyakarta: Penerbit Gava Media, 2003.
Microcomputer System Design, 2000. Introduction to Proteus VSM (Part I), Microcomputer.
National Semiconductor Corporation, 2000. Datasheet ATMega32. (online). (http:// pdf1.alldatasheet.com/datasheet.pdf/vie w/77388/ATMEL/ATMEGA32-16AI. html). Maret 2016.
Setiawan, Afrie, 2011. 20 APLIKASI MIKRO-KONTROLER ATMEGA 8535 & ATMEGA 16 MENGGUNAKAN BASCOM-AVR. Yogyakarta: Penerbit Andi.
