Rancang Bangun Simulator Pembangkit... (Rommy Hartono et al)

19

RANCANG BANGUN SIMULATOR PEMBANGKIT DATA

ATTITUDE CONTROL SYSTEM (ACS) STREAM

Rommy Hartono1, Deddy El Amin, Rakhmad Yatim

Pusat Teknologi Satelit

Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

Jl. Cagak Satelit Km. 4, Bogor 16310 Indonesia

e-mail: rommyhartono@ymail.com

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 dengan muatan yang akan 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

Berita Dirgantara Vol. 18 No. 1 Juni 2017:19-28

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.

Gambar 2-1: Blok diagram rancang bangun simulator pembangkit data ACS Stream

Rancang Bangun Simulator Pembangkit... (Rommy Hartono et al)

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).

Berita Dirgantara Vol. 18 No. 1 Juni 2017:19-28

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.

Gambar 3-3: Flowchart perancangan GUI

Rancang Bangun Simulator Pembangkit... (Rommy Hartono et al)

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

Berita Dirgantara Vol. 18 No. 1 Juni 2017:19-28

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.

Rancang Bangun Simulator Pembangkit... (Rommy Hartono et al)

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

Berita Dirgantara Vol. 18 No. 1 Juni 2017:19-28

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)

Gambar 4-3: Hasil simulasi pembangkit data ACS

Rancang Bangun Simulator Pembangkit... (Rommy Hartono et al)

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)

Gambar 4-4 : Pengujian GUI stream data ACS

Berita Dirgantara Vol. 18 No. 1 Juni 2017:19-28

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.