APLIKASI MICROKONTROLLER UNTUK DETEKSI FREKUENSI DOPPLER RADIO TRACKING

Transkripsi

1 APLIKASI MICOKONTOLLE UNTUK DETEKSI FEKUENSI DOPPLE ADIO TACKING Wahyu Widada Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Pusat Teknologi oket Jalan aya LAPAN umpin Bogor Indonesia w_widada@yahoo.com ABSTAK Tulisan ini membahas hasil pengembangan deteksi frekuensi sinyal Doppler untuk aplikasi roket dengan menggunakan microcontroller. Sinyal pada sistem Doppler memiliki frekuensi hingga 3000 Hz yang berubah berdasarkan kecepatan roket terhadap radio frekuensi 465 MHz. AV microcontroller tipe Xmega digunakan untuk implementasi prototipe yang dikembangkan dengan cara mengukur lebar pulsa sinyal yang diterima. Hasil yang diperoleh menunjukkan akurasi sekitar 0.1 Hz untuk pengukuran sinyal frekuensi Doppler yang berbentuk sinus yang tertangkap radio penerima. Secara keseluruhan sistem Doppler mempunyai akurasi hingga 10 Hz atau 0.64 m/detik/hz. Hasil ini cukup akurat untuk deteksi percobaan peluncuran roket yang dikembangkan di LAPAN. Kata kunci : Microcontroller, frekuensi Doppler, peluncuran roket, radio tracking. PENDAHULUAN Teknologi roket sedang berkembang dengan pesat dengan dibentuknya konsorsium nasional sejak beberapa tahun terakhir. Untuk meningkatkan performa motor roket, maka uji statik dan uji terbang rutin dilakukan. Uji statik untuk mengetahui kekuatan daya dorong dan kekuatan bahan struktur roket, sedangkan uji terbang untuk uji daya dorong dan performa aerodinamis terbang. Pada uji terbang sangat memerlukan sistem untuk deteksi lintasan roket dengan mengukur kecepatan maupun jarak posisi selama terbang. Sistem Doppler tracking telah dikembangkan mulai tahun 2013 untuk mengukur kecepatan roket secara langsung dari efek Doppler radio pada muatan roket. Sistem ini mendeteksi perubahan frekuensi sinyal radio yang diterima di stasiun pengamat. Perubahan ini disebabkan oleh kecepatan roket yang bergerak kearah menjauh dari posisi titik luncur. Frekuensi radio yang digunakan dalam pengembangan dan percobaan adalah 465 MHz, pada frekuensi tersebut akan bergeser sekitar 3000 Hz pada kecepatan sampai 3 Mach. Sinyal Doppler yang diterima berbentuk sinyal sinus, sehingga dengan mendeteksi perubahan frekuensi sinyal tersebut, maka perubahan kecepatan roket dapat dihitung. Untuk mengehitung perubahan frekuensi terserbut diperlukan prosesor untuk membaca dan menghitung frekuensinya [Cote 1988]. Salah satu cara paling murah dan cepat adalah dengan menghitung lebar sinyal Doppler yang telah dirubah dalam bentuk sinyal pulsa [Caprihan 1982, Kedem 1986]. Tulisan ini membahas aplikasi microcontroller untuk deteksi perubahan frekuensi sinyal Doppler. Jenis microcontroller yang digunakan adalah tipe AV dari Atmel. Perangkat keras ini berharga murah, sehingga optimal untuk sistem multi-receiver sistem Doppler yang akan dikembangkan tahun berikutnya. DETEKSI FEKUENSI DOPPLE Doppler sinyal prosesor digunakan untuk deteksi frekuensi sinyal Doppler seperti terlihat pada gambar 1 berikut. Prosesor ini merupakan bagian untuk menghitung perubahan frekuensi sinyal yang diterima oleh radio penerima Gambar 1. Sistem Doppler tracking kecepatan roket. Keluaran dari prosesor ini berupa perubahan frekuensi dan kecepatan roket dalam satuan m/detik. Kecepatan roket ini dapat dihitung dari perubahan frekuensi radio yang diterima di stasiun pengamat yang dapat ditulis dengan persamaan berikut. SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 E 65

2 V f C (1) f Disini C adalah kecepatan rambat gelombang radio di udara sebesar m/detik 2, sedangkan f adalah perbedaan antara frekuensi pemancar dan frekuensi yang diterima di stasiun pengamat. Dari persamaan diatas, maka parameter yang mempengaruhi perubahan frekuensi adalah kecepatan roket (m/detik) dan nilai frekuensi pemancar radio transponder (Hz). Semakin tinggi frekuensi f yang digunakan, maka perubahan frekuensi f terhadap kecepatan juga semakin tinggi dan sensitif. Pada gambar 2 dibawah, perubahan frekuensi dihitung dari perbedaan frekuensi pada roket dan frekuensi yang diterima di radio stasiun pengamat. Sedangkan rangkaian skematik terlihat pada gambar 3 diatas. Pada skematik tersebut menggunakan LCD, tetapi untuk merekam dapat dihubungkan ke PC via USB-port untuk proses peyimpanan dan grafik. Gambar 4. PCB prototipe deteksi Doppler frekuensi. Prototipe PCB yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar 4 diats. Komponen yang digunakan relatif murah dan mudah didapat di dalam negeri. Sebelum sinyal diproses, maka sinyal Doppler yang berbentuk sinus dibuat menjadi sinyal kotak seperti terlihat pada gambar 5 dibawah. Gambar 2. Bagan deteksi Doppler frekuensi. Gambar 2 diatas menampilkan bagak elektronik sistem untuk deteksi frekuensi Doppler. Proses utama dilakukan oleh mikrokontroller. Gambar 5. Sinyal Doppler dirubah ke sinyal kotak. Gambar 3. Bagan skematik rangkaian deteksi Doppler. Gambar 6. Programming dengan menggunakan bahasa basic. SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 E 66

3 Software yang digunakan untuk pengembangan ini berbasis bahasa basic yang terlihat pada gambar 6 diatas. Software ini relatif mudah untuk dioperasikan dan untuk simulasi. Proses perhitungan frekuensi ini berdasarkan lebar pulsa, jika terjadi tambahan noise, maka sangat sulit untuk direduksi. Akan tetapi karena frekuensi yang dideteksi hanya bernilai tunggal, maka kemungkinan adanya kesalahan relatif kecil. Kecuali sinyal memang benar-benar tidak baik kualitasnya, yang disbabkan oleh komunikasi radio yang terganggu. Sedangkan metod yang lain adalah dengan cara menghitung spektrum frekuensi, yang menggunakan algoritma FFT (Fast Fourier Transform) [Scott 1987]. Pada perhitungan ini, frekuensi dihitung dengan cara menghitung jumlah pulsa dalam waktu tertentu, yaitu 0.1 detik. Jika ada pulsa dalam jumlah 200 dalam waktu tersebut, maka frekuensi sinyal adalah 2000 Hz. Algoritma teresebut dapat dilihat pada gambar 7 berikut. satu detik 10 data. Hal ini cukup cepat untuk mengukur perubahan kecepatan roket yang terbang selama kurang lebih 2 menit. Daftar komponen elektronik yang digunakan adalah seperti tabel 1 dibawah. IC untuk komunikasi USB menggunakan tipe FT2232 dari FTDI. Kecepatan transfer data yang digunakan adalah Kbps, walaupun maksimum kecepatan IC ini hingga 10 Mbps. Tabel 1. Daftar komponen elektronik. Komponen Mikrokontroller USB-Port Tipe AtMega32 FT2232 Percobaan yang akan dilakukan dengan menggunakansistem Doppler tracking yang telah dibuat prototipenya. HASIL PECOBAAN DAN PEMBAHASAN Proses pengujian ini dilakukan dengan menggunakan sinyal Doppler yang telah dibuat sperti terlihat pada gambar 8 dibawah. adio yang digunakan mempunyai lebar pita sinyal hingga 3 KHz, sehingga perubahan frekuensi yang dapat dideteksi sesuai dengan lebar ini. Sistem ini telah digunakan untuk uji peluncuran roket, tetapi proses perhitunganya menggunakan data akuisisi khusus, sehingga selain mahal juga tidak cocok untuk dikembangkan menjadi multiple Doppler receiver. Gambar 7. Alur algoritma. yang digunakan. Semakin cepat jeda yang digunakan, maka akan semakin akurat, tetapi kecepatan data semakin menurun. Sebaliknya semakin cepat jedanya, akurasi semakin menurun, tetapi kecepatan sampling data semakin meningkat. Dalam aplikasi ini, menggunakan waktu jeda 100 msec atau tidap Gambar 8. Prototipe Doppler receiver. Gambar 9 menunjukkan hasil pengukuran frekuensi sinyal Doppler. Terlihat frekuensi yang terukur adalah 1235 Hz. Terlihat frekuensi pada saat roket diam yang telah dicoba di laobratorium. Secara keseluruhan (radio, elektronik, dll) mempunyai kestabilan sekitar 10 Hz. Hasil ini cukup sensitif untuk aplikasi roket yang dapat SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 E 67

4 Frekuensi (Hz) SEMINA NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : ekayasa Teknologi Industri dan Informasi bergerak hingga kecepatan 1500 m/detik.pada frekuensi radio 430 Mhz, perubahan kecepatan hingga 3 Mach, maka perubahan frekuensi lebih dari 1200 Hz Samples Gambar 8. Data percobaan saat radio diam (1235 Hz). Untuk pengukuran frekuensi sinyal dengan frekuensi yang rendah, dapat menggunakan metoda yang lebih cocok dengan mirkokontroller tipe Xmega juga dari Atmel. Teknik ini secara umum adalah memberikan jumlah cacahan pada setiap pulsa yang masuk ke mikrokontroller. Berbeda dengan teknik diatas yang menghitung jumlah pulsa yang masuk dalam waktu tertentu. Even sistem dan timer / counter yang digunakan untuk mengukur waktu antara dua naik tepi, liihat Gambar 9. Hal ini memungkinkan timer / counter menggunakan menangkap untuk mengukur periode atau frekuensi sinyal langsung. Hasil capture akan waktu (T) dari timer / counter estart sebelumnya sampai acara occurrs. Ini dapat digunakan untuk menghitung frekuensi (f) dari sinyal yaitu f =1/T. Gambar 9. Contoh di mana periode diukur untuk sinyal eksternal dengan mikrokontroller Xmega. Teknik ini adalah yang terbaik untuk mengukur frekuensi input yang lebih rendah, tetapi resolusi akan berkurang jika masukan sinyal frekuensi eksternal meningkat. Sebagai contoh kasus di mana sinyal eksternal 1MHz. Jika timer / counter jam 32MHz digunakan, maka nilai hasil cacahan hanya menjadi bernilai 32. Maka hasilnya akan menjadi plus atau minus satu hitungan, atau ± 3%. Perocbaan berikutnya adalah dengan mengukur perubahan frekuensi Doppler, tetapi percobaan ini harus dilakukan pada saat uji peluncuran roket. Untuk melakukan hal tersebut, maka pada frekuensi radio di receiver yang dirubah-ubah. Prinsip ini sama dengan perocbaan Doppler yang bergerak, hanya saja disini frekuensi receiver yang dirubah-ubah. Gambar 10 dibawah adalah hasil percobaan pada saat receiver dirubahrubah frekuensinya. Terlihat frekuensi dapat dideteksi dengan kesalahan sekitar 10 Hz. Gambar 10. Contoh di mana periode diukur untuk sinyal eksternal dengan mikrokontroller Xmega. Dari hasil perocbaan diatas, maka dapat dilakukan dua buah teknik pengukuran lebar pulsa untuk sistem Doppler, yang pertama dengan mengukur jumlah pulsa yang terjadi pada waktu periode tertentu, dan dengan cara menghitung jumlah pulsa yang dapat dibuat dalam periode pulsa yang masuk. Kedua-duanya mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing. Secara umum jika lebar pulsa yang diukur lebih lambat, maka cara kedua lebih cocok untuk diterapkan. Oleh karena itu kombinasi metoda ini dapat diterapkan agar hasil pengukuran tetap akurat baik untuk frekuensi rendah maupun untuk frekuensi tinggi. Teknik dengan ADC (Analog to Digital Converter) dan FFT juga akan menjadi pertimbangan untuk pengukuran frekuensi Doppler secara lebih luas penggunaanya dalam berbagai aplikasi. SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 E 68

5 KESIMPULAN Telah dikembangkan prototipe pengukuran frekuensi sinyal Doppler untuk tracking kecepatan roket dengan menggunakan mikrokontroller. Komponen yang digunakan relatif murah, sehingga cocok untuk sistem dengan radio penerima yang berjumlah jamak. Akurasi frekuensi yang didapat hingga 10 Hz setara dengan kecepatan sekitan 0.64 meter/detik/hz. UCAPAN TEIMA KASIH Terimakasih yang sebesar-besarnya penulis sampaikan kepada Pustekroket LAPAN yang telah mendanai penelitian. DAFTA PUSTAKA Cote, G.L, "Comparison of zero crossing counter to FFT spectrum of ultrasound Doppler,"Biomedical Engineering, IEEE Transactions on (Volume:35, Issue: 6 ). A. Caprihan, J. G. Davis, E.. Greene, J. A. Loeppky and M. W. Eldridge, "Waveform analysis of doppler ultrasound signals by a microcomputer", IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. BME-29, pp Gonzalez and W. J. Koh, "Spectral analysis of Doppler ultrasonic flow signals by a personal computer", Comput. Biol. Med., vol. 13, no. 4, pp B. Kedem, "Spectral anslysis and discrimination by zero-crossings", Proc. IEEE, vol. 74, pp G. C. Scott, D. K. Bogen and E. Korostoff, "FFT performance in the presence of noise", IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. BME-34, pp SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 E 69