RANCANG BANGUN DATA AKUISISI MULTI KANAL UNTUK DOPPLER TRACKING SISTEM PELUNCUR ROKET JAMAK (DESIGN AND DEVELOPMENT OF  MULTI CHANNEL DATA ACQUISITION FOR DOPPLER TRACKING OF MULTIPLE LAUNCH ROCKET SYSTEM)
Wahyu Widada Peneliti Bidang Telemetri dan Muatan Roket, LAPAN e-mail: w_widada@yahoo.com

## ABSTRACT
This  paper  describes  the  design  and  development  of  low  cost  multi-channel Universial  Serial  Bus  (USB)  Data  Acquisition  System  (DAS)  for  the  measurement  of Doppler signal tracking rocket. Doppler signal has a frequency range from 0 to 3000 Hz depending on the speed change of the rocket and radio frequency. The DAS is designed using  ATMega32  microcontroller,  8  channel  simultaneous  16  bit  Analog  Digital Converter  (ADC),  and  communicating  with Personal  Computer (PC)  through  USB.  The designed  DAS  has  been  tested  with  the  application  program  developed  in  MATLAB, which  allows  realtime  monitoring  of  8  channel  Doppler  signal  in  graphical  as  well  as numerical  display  with  16  KHz  sampling  speed.  The  developed  DAS  will  be  used  for experiments on the application of rocket launch Multiple Launch Rocket System (MLRS).
Keywords: Multi channel data acquisition, Doppler receiver, Tracking rocket, MLRS

## ABSTRAK
Makalah  ini  membahas  hasil  desain  dan  pengembangan  Sistem  Data  Akuisisi biaya  rendah  dengan Universial  Serial  Bus (USB)  untuk  pengukuran  sinyal Doppler tracking roket. Sinyal Doppler mempunyai rentang frekuensi antara 0 hingga 3000 Hz bergantung  pada  perubahan  kecepatan  roket  dan  frekuensi  radio.  DAS  ini  dirancang menggunakan mikrokontroler ATMega32, 8 kanal simultan dengan 16 bit Analog Digital Converter (ADC),  komunikasi  dengan Personal  Computer (PC)  melalui  USB.  DAS  ini telah  diuji  dengan  program  aplikasi  yang  dikembangkan  di  MATLAB,  yang  dapat memantau secara realtime 8 kanal sinyal Doppler dalam grafis serta tampilan numerik dengan  sampling  16  KHz.  DAS  ini  akan  digunakan  untuk  aplikasi  pada  peluncuran roket Multiple Launch Rocket System (MLRS). Kata kunci: Data akuisisi multi-kanal, Doppler receiver, Tracking roket, MLRS

## 1  PENDAHULUAN
Efek Doppler pada radio penerima terjadi  karena  adanya  gerakan  obyek yang  mendekat  maupun  menjauh  yang membawa  sumber  pancaran  sinyal radio. Fenomena ini dapat dimanfaatkan untuk  mengukur  perubahan  kecepatan obyek  bergerak  tersebut.  Metoda  ini telah diaplikasikan  untuk tracking roket sejak  awal  pengembangan  roket  di negara  lain  [Bjelland,  B.,  1963;  Hall,  J. E.; Turner, M. D., 1975; Steele,K. A., 1968]. Sistem Doppler untuk  aplikasi tracking roket  juga  telah  mulai dikembangkan di LAPAN  sejak  tahun  2013  [Wahyu
Widada,  2012].  Aplikasi  ini  digunakan untuk mengukur kecepatan roket berbasis perubahan  frekuensi  radio transmitter pada muatan roket pada saat diterima di stasiun  pengamatan  karena  perubahan kecepatan.  Percobaan  untuk  menguji prototipe  sistem Doppler tracking ini telah  dilakukan  dengan  uji  peluncuran roket, tetapi masih pada stasiun tunggal dan baru dilakukan pertama kali, sehingga masih perlu dilakukan percobaan beberapa kali untuk mengetahui performansinya  [Wahyu  Widada,  2013]. Aplikasi ini juga dapat digunakan untuk pengukur  kecepatan  beberapa  roket
secara  serentak  dengan  menggunakan frekuensi transmitter yang  berbeda-beda pada  masing-masing  muatan  roket. Untuk  aplikasi  roket  dengan  peluncur lebih  dari  satu  atau Multiple  Launch Rocket System (MLRS), maka diperlukan data  akuisisi  yang  dapat  memproses sinyal Doppler dari masing-masing roket secara  serentak  [Gamble,  A.E.;  http:// www.army-technology.com].  Untuk  me- lakukan  proses  tersebut,  maka  diper- lukan  komponen  ADC  yang  dapat mengukur  secara  serentak  dengan jumlah  kanal  yang  sesuai  dengan jumlah  roketnya.  Kecepatan  sampling data  dan  kecepatan  proses  sinyal Doppler ini  sesuai  dengan  sinyal  suara dengan  frekuensi  kurang  dari  20  KHz, tetapi tergantung dengan frekuensi radio yang digunakan dan kecepatan maksimum roket yang akan diukur. Oleh karena itu, komponen  elektronik  yang  digunakan relatif  murah  dan  mudah  diperoleh dengan  mikrokontroller  sebagai  sistem kontrolnya.  Data  akuisisi  berbasis mikrokontroller ini banyak diaplikasikan dalam  berbagai  sensor  [Nungleppam Monoranjan  Singh,  2012;  B.  Nkom,  H. Musa,  2009;  Mehmet Demirtas, Ibrahim Sefa,  Erdal  Irmak  and  Ilhami  Colak, 2008;  Bogdan,  M.;  Chicago  Univ.,  IL; Samtleben D; Vanderlinde, K., 2005].
Tulisan  ini  membahas  hasil pengembangan data akuisisi multi kanal untuk aplikasi Doppler tracking peluncuran roket jamak MLRS. Komponen elektronik yang  digunakan  adalah  mikrokontroller, ADC, dan USB kontroller. Tipe ADC yang digunakan  adalah  ADS8528  dengan kemampuan  konversi  digital  16  bit  dan pembacaan 8 kanal sinyal secara serentak ( simultaneous ).[Texas instruments] Prosesor  yang  digunakan  untuk  kontrol adalah  ATMega32  dan  komunikasi  data dilakukan  via USB dengan  tipe  FT2232. [http://www.ftdichip.com] Kombinasi ketiga  IC  tersebut  dapat  menghasilkan data  akuisisi  yang  sesuai  dengan spesifikasi yang diperlukan untuk mem- proses  sinyal Doppler secara  serentak. Software yang digunakan untuk menam-
pilkan, merekam, dan memproses meng- gunakan MATLAB. Proses yang dilakukan di PC adalah penhitungan algoritma Fast Fourier Transfom (FFT) untuk menghitung spektrum  dan  menentukan  frekuensi Doppler .

## 2  DATA  AKUISISI DOPPLER TRAC- KING MLRS
Seperti terlihat pada Gambar 2-1, untuk  aplikasi  roket  pada  bidang pertahanan  diperlukan  sistem  untuk meluncurkan  roket  secara  berurutan dalam  waktu  yang  hampir  bersamaan. Sistem  ini  sangat  efektif  untuk  meng- hancurkan  lawan  dengan  jumlah  roket yang  lebih  banyak  ke  arah  yang  sama [Gamble,  A.E.;  http://  www.army- technology.com]. Untuk mendeteksi unjuk kerja masing-masing roket dalam pengembangan  sistem  ini,  maka  diper- lukan  sistem  tracking  roket  yang  dapat mengukur  jarak  maupun  kecepatanya secara  serentak.  Oleh  karena  itu  diper- lukan  secara  khusus  pengembangan sistem Doppler  tracking yang  multi frekuensi  ( transponder dan receiver ), serta  rancang  bangun  multi  kanal  DAS untuk  memproses  sinyal-sinyal  tersebut [www.army-technology.com].
Untuk  tipe  roket  RX122  dengan desain  kecepatan  roket  hingga  3  Mach, maka  jika  menggunakan  radio  pada frekuensi  480  MHz,  frekuensi  sinyal Doppler akan  bervariasi  dari  nol  hingga sekitar 1.650 Hz, semakin tinggi frekuensi yang digunakan maka perubahan frekuensinya  secara  linear  juga  akan semakin  besar  (jika  menggunakan frekuensi  900  MHz,  maka  variasi  sinyal hingga  3000  KHz).  Dengan  kata  lain, frekuensi  yang  diobservasi f obs ( t )  akan berubah sesuai dengan kecepatan relatip antara  roket  dengan  stasiun  penerima V ( t ), sesuai dengan rumus sebagi berikut:
( ) ( ) 1 obs V t f t f c         (2-1)
DAS  semacam  ini,  baik  pada  rangkaian analog  maupun  digital,  serta software prosesnya  memerlukan  desain  khusus.
Gambar 2-1: Multi Frequency Doppler Tracking untuk Multiple Launch Rocket System MLRS
2.1 Hardware Data Akuisisi
Aplikasi data akuisisi yang dikembangkan dapat dilihat pada sekema Gambar 2-2 berikut. Tujuan dari hardware  ini  adalah  membaca  sinyal Doppler  dan  mengirim  ke  PC  dengan kecepatan  dan  akurasi  yang  cukup untuk  dapat  diproses  dan  dianalisa dalam  domain  frekuensi.  Data  akuisisi ini digunakan untuk membaca keluaran sinyal dari penerima Doppler yang berupa sinyal  sinus  yang  berubah  frekuensinya dari  0  Hz  ( offset frekuensi  pada  saat roket  diam)  hingga  3000  Hz,  yang disebabkan oleh kecepatan roket. Frekuensi  sinyal Doppler yang  digunakan adalah band UHF dengan frekuensi 480- 487 MHz dengan step maksimum 1 MHz untuk  masing-masing  delapan  buah muatan  roket  pada  sistem  MLRS. Jumlah  radio  receiver N dalam  prototip ini  adalah  8  buah,  disesuaikan  dengan desain  MLRS  danjumlah  kanal  pada ADC  yang  digunakan.  Hasil  akhir  dari seluruh  proses  sistem  ini  berupa informasi  kecepatan  roket  yang  dapat ditulis dengan persamaan berikut.
( ) ( ) N N f t c
V t
f
   (2-2)
Disini c adalah  kecepatan  rambat gelombang radio di udara sebesar 3×10 8 m/detik, sedangkan  f adalah perbedaan antara  frekuensi  pemancar  dan  frekuensi yang diterima di stasiun pengamat, N ( N =  1,2,3,...,8)  menunjukkan  penomoran roket  yang  meluncur,  dan  ( t )  adalah waktu saat masing-masing data diakuisisi oleh ADC.
Prototipe Printed  Circuit  Board (PCB)  data  akuisisi  yang  telah  dibuat adalah  seperti  Gambar  2-3.  Semua  IC termasuk  ADC,  mikrokontroller,  dan USB  telah  dibuat  pada  PCB.  Sumber tegangan berupa DC 5 Volt, yang diambil dari power  supply yang  digunakan bersama dengan radio receiver. Komunikasi dari USB ke PC berupa data parallel  8  bit  yang  langsung  dapat dibaca oleh driver yang telah disediakan, sehingga  untuk  mengirim  data  16  bit, data  dibagi  menjadi  2  bagian  yang dikirim secara bergantian.
Input sinyal  dari  radio  pada rentang  tegangan  antara  nol  hingga  2 Volt, sehingga tidak memerlukan pengkondisian  sinyal  tambahan  pada prototipe  ini.  Kedelapan  sinyal  analog tersebut  langsung  dikoneksikan ke ADC seperti terlihat pada Gambar 2-4 (CH_A0 hingga CH_07).
Gambar 2-2: Skema Doppler receiver dengan data akuisisi multi kanal untuk tracking MLRS
Gambar 2-3: Prototipe 8 kanal USB Data Acquisition System (DAS)
Gambar 2-4: Skema konversi sinyal analog ke digital secara simultan (ADS8528 Texas instruments)
Kontrol  data  dan  komunikasi secara  keseluruhan  dapat  dilihat  pada Gambar  2-5.  Karena  tipe  ADC  sudah simultan, maka tidak perlu lagi sinkroni- sasi  data  dari  mikrokontroller.  Jika menggunakan  lebih  dari  satu  ADC  tipe ini  (untuk  16  kanal  Doppler),  maka diperlukan sinkronisasi dua ADC dengan clock  generator yang  sama  dari  mikro- kontroller.  Kecepatan  sampling  data  ini diatur  pada  16  KHz,  sehingga  total waktu  baca  data  dan  pengiriman  ke  PC tepat  pada  62.5  nsec.  Kecepatan pengiriman data ini dapat diatasi dengan IC FT2232, yang mempunyai kemampuan hingga  12  Mb/s  [http://www.ftdichip. com].  Jumlah  data  yang  dikirim  tiap detik adalah minimal 2.1 Mb/s, sehingga sepesifikasi  kecepatannya  memenuhi syarat yang diperlukan.
Daftar  semua  komponen  utama yang  digunakan  dapat  dirangkung seperti  pada  Tabel  2-1.  Tipe  ADC  yang digunakan  adalah  ADS8528  sedangkan komunikasi  data  ke  PC  menggunakan FT2232 untuk tipe USB maupun serial.
2.2 Software Data Akuisisi Software data akuisisi terdiri dari dua  bagian,  bagian  pertama  pada mikrokontroller  dan  yang  kedua  pada
PC.  Software  mikrokontroller  digunakan untuk  mengontrol  ADC  dan  USB,  serta untuk  komunikasi  data  dengan  PC. Komunikasi data antara PC dan perangkat keras  data  akuisisi  seperti  terlihat  pada Gambar 2-6.
Komunikasi dengan PC digunakan untuk  memberikan  perintah  start  dan stop  akuisisi  data,  serta  untuk  seting parameter  awal,  seperti  kecepatan sampling  data  dan  jumlah  kanal. Pemrograman  ini  berbasis  bahasa  basic dan  kemudian  diprogram  ulang  ke mikrokontroller. Software yang  kedua digunakan  di  PC  untuk  memerintah, membaca,  memproses,  dan  menyimpan. Agar  lebih  mudah,  maka  digunakan software MATLAB.  Proses  penting  pada software ini adalah perhitungan frekuensi Doppler dengan algoritma FFT. Perintah  dari  PC  ke hardware hanya sebatas  perintah  mulai  atau  berhenti dengan  mengirimkan  karakter  “ START ” dan  “ STOP ”  yang  dapat  dideteksi  oleh mikrokontroller  walaupun  pada  saat proses  berjalan.  Inisialisasi  parameter yang  lain  seperti  kecepatan sampling dan jumlah kanal dijadikan konstan (16 KHz  dan  8  kanal)  pada  saat  program mulai dijalankan.
Gambar 2-5: Blok diagram akuisisi 8 channel simultan untuk Doppler tracking MLRS
Tabel 2-1: KOMPONEN DAN SOFTWARE YANG DIGUNAKAN UNTUK MEMBUAT PROTOTIP
Bahan elektronik/Software Tipe IC Analog to Digital Converter 16 bit, 8 channel ADS8528 (Analog Deveice) USB/Serial data communication FT2232 (FTDI) 8 bit Microcontroller AVR ATMega32 (Atmel) PC Software MATLAB
Gambar 2-6: Flowchart algoritma  komunikasi PC dengan Data Acquisition System (DAS)

## 3  PERCOBAAN DAN ANALISIS DATA
Percobaan dilakukan dengan
menggunakan  prototipe Doppler receiver yang telah dikembangkan seperti Gambar  3-1.  Prototip receiver ini  hanya terdiri dari 1 radio receiver untuk deteksi sinyal Doppler , sehingga untuk percobaan kali ini sinyal tersebut dibuat menjadi 8 cabang dengan menggunakan operasional amplifier  untuk  masing-masing  cabang. Percobaan dilakukan dengan tranponder roket  dalam  keadaan  diam  dengan frekuensi  465  MHz.  Untuk  mengembang- kan  sistem Doppler tracking aplikasi MLRS,  hanya  diperlukan  radio Doppler receiver dengan  jumlah  roket yang  akan dilacak  kecepatanya  dan  menggunakan data  akuisisi  multi  kanal  yang  sedang dikembangkan ini.
Gambar  3-2  adalah  pengukuran kecepatan  transfer  data  dengan  meng- gunakan  osiluskup  dijital.  Pada  saat sinyal  ‘ high ’  atau  5  Volt  adalah  proses
pengambilan  data  ADC,  sedangkan  saat ‘ low ’ atau 0 Volt adalah saat pengiriman data.  Periode  waktu  yang  diperlukan adalah  sekita  59.4  mikro  detik  atau kecepatan  pengiriman  data  16.8  KHz, sehingga dengan melakukan penambahan delay waktu  menjadi  62.5  mikro  detik kecepatan  sampling  menjadi  tepat  16 KHz.  Pengaturan  format  data  dan delay untuk  merubah  kecepatan sampling data  ini  dilakukan  di  mikrokontroller yang  dapat  dikontrol  dengan  PC.  Akan tetapi,  karena  DAS  ini  hanya  dirancang secara  khusus  untuk  aplikasi  MLRS, maka  inisialisasi  parameter  awal  hanya dilakukan  pada  saat  program  mulai dijalankan  (jumlah  kanal  8  buah  dan kecepatan 16 KHz).
Gambar 3-1: Doppler receiver  tracking roket untuk percobaan
Gambar  3-3  adalah  contoh  hasil akuisisi data 8 kanal dari sinyal Doppler 1  KHz  dengan  sampling  data  16  KHz secara  serentak  (frekuensi receiver digeser 1  KHz  dari  frkuensi transmitter ). Terlihat  sinyal  secara  serentak  dapat berhasil  diakuisisi  dengan  baik.  Karena sumber  sinyal  hanya  satu  dari  radio Doppler receiver ,  maka  data  sinyal  ini dapat digunakan untuk evaluasi sinkronisasi data 8 kanal.
Gambar 3-2: Testing kecepatan transfer data 8 channel dengan osiluskup dijital
Gambar 3-3: Screen shot percobaan 8 kanal Doppler sinyal dengan frekuensi 1000 Hz
Jika  hasil  menunjukkan  kurva yang sama, maka terbukti hasil akuisisi sudah  sinkron.  Data  diambil  dengan waktu  tiap frame 10  msec,  maksimum amplitudo  adalah  1  Volt.  Data  dikirim dengan  frame  yang  terdiri  dari  8  buah sinyal.  Untuk  membedakan  antara  data satu  dengan  data  yang  lain,  maka disisipkan  karakter  “,”.  Masing-masing frame  data  terdiri  dari  deretan  data seperti terlihat pada Gambar 3-4.
Gambar 3-4: Format data masing-masing frame 8 kanal data
Gambar 3-5: Hasil perhitungan sinyal Doppler pada frekuensi 1000 Hz dengan FFT
Hasil perhitungan spektrum dengan menggunakan  algoritma  FFT  adalah seperti  pada  Gambar  3-5.  Frekuensi Doppler yang  terukur  adalah  1000  Hz dengan  variasi  kesalahan  sekitar  5  Hz. Perbandingan hasil perhitungan frekuensi dengan FFT pada PC dan dari osiluskup mempunyai  nilai  yang  sama,  dengan demikian  kecepatan sampling data  DAS dapat tervalidasi.
Nilai kesalahan ini sudah termasuk kestabilan frekuensi pembawa radio  pemancar  dan  radio  penerima, serta  semua  komponen  elektronik  baik analog maupun digital pada sistem data akuisisi ini. Variasi frekuensi 10 Hz pada sistem ini menunjukkan variasi kecepatan yang  timbul  sekitar  6.44  meter/detik. Berdasarkan  hasil  percobaan  diatas, prototip yang telah dikembangkan dapat berhasil  digunakan  untuk  akuisisi  data dengan  spesifikasi  yang  diperlukan untuk  membuat  sistem Doppler receiver 8 kanal untuk diaplikasikan pada MLRS. Prototip ini akan menjadi bagian penting pada  pengembangan  sistem Doppler tracking roket yang sedang dikembangkan di LAPAN.

## 4  KESIMPULAN
Telah  dilakukan  perancangan dan  pembuatan  prototip  data  akuisisi  8
kanal  secara  simultan  dan  khusus untuk  sistem Doppler receiver yang dapat  digunakan  pada  tracking  MLRS hingga  8  buah  roket.  Kemampuan  data akuisisi  adalah  16  bit  ADC  dengan kecepatan  sampling  hingga  16  KHz secara realtime dan  simultan  8  kanal. Penambahan jumlah kanal dapat dilakukan  dengan  menggunakan  dua prototip  DAS  yang  telah  dikembangkan dan  digunakan  dengandua  buah  port USB. Data akuisisi ini akan diaplikasikan untuk  uji  peluncuran  roket  tipe  MLRS yang  digunakan  pada  roket  pertahanan pada  saat  seluruh  sistem  (MLRS  dan sistem multi-channel Doppler tracking ) sudah selesai dibangun.

## DAFTAR RUJUKAN
B. Nkom, H. Musa, 2009. Development of a Novel Microcontroller Based Data Logger , 2nd International
Conference on Adaptive Science & Technology,  ICAST,  pp  314-324. (IEEE Conference).
Bjelland,B.,  1963. A  Doppler  Tracking System for Small Rocket Trajectories , Norwegian Defence Research Establishment Kjeller. Bogdan, M.; Chicago Univ., IL; Samtleben D.; Vanderlinde, K., 2005.
Simultaneous  sampling  ADC  data
acquisition  system  for  the  QUIET experiment , Nuclear
Science
Symposium  Conference  Record, IEEE (Volume:2 ). Gamble,  A.E., Low  cost  guidance  for  the Multiple  Launch  Rocket  System (MLRS)  Artillery  Rocket ,  Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEE  (Volume:16, Issue: 1).
Hall, J. E.; Turner, M. D., 1975. A Doppler Tracking  System  for  Research Rockets ,  International  Aerospace Instrumentation  Symposium,  8th, Cranfield,  Beds.,  England,  Mar. 24-27,  1975,  Proceedings.  (A75- 28765  12-06)  London,  Royal Aeronautical Society, 12 p. http://www.army-technology.com/pro- jects/mlrs/. http://www.ftdichip.com/Products/ICs/ FT2232D.htm,  FT2232D  Dual USB  to  Serial  UART/FIFO  IC, Transfer  Data  Rate  300  to  3 Mbaud,  USB  2.0  Full  Speed (12Mbits/Second).
Mehmet  Demirtas,  Ibrahim  Sefa,  Erdal Irmak  and  Ilhami  Colak,  2008. Low-cost and high sensitive Microcontroller Based Data Acquisition  System  for  Renewable Energy  sources ”,  International
Symposium  on  Power Electronics, Electrical  Drives,  Automation  and motion (SPEEDAM 2008), pp 196- 199. (IEEE Conference).
Nungleppam  Monoranjan  Singh,  et  al., 2012. Design  and  Development  of Low  Cost  Multi-Channel  USB  Data Acquisition System for the Measurement of Physical
Parameters ,  International  Journal of  Computer  Applications  (0975– 888) Volume 48– No.18.
Steele,  K.  A.,  1968. A  Single  Station Doppler  Range  Technique  For
Sounding Rocket Trajectories ,
National  Research  Council  of Canada  Ottawa  (Ontario)  Radio and Electrical Engineering Div.
Texas  instrumentss,  ADS8528,  16-Bit,
Eight-Channel, Simultaneous
Sampling ADCs (Rev. A).
Wahyu  Widada,  2012. Radio  Doppler Method  for  Measuring  Velocity  of Rocket  R200 ,  Jurnal  Teknologi Dirgantara.
Wahyu  Widada,  2013. Hasil  Analisis Eksperimen Sistem Doppler Tracking untuk  Uji  Terbang  Roket  RX200 ," Prosiding SMART-Teknosim  UGM Yogyakarta.