diff --git a/tools/spice/1_buck_chain.cir b/tools/spice/1_buck_chain.cir new file mode 100644 index 0000000..aa4349a --- /dev/null +++ b/tools/spice/1_buck_chain.cir @@ -0,0 +1,150 @@ +* ======================================================================= +* AR-Autopilot — Cadena de Alimentacion: 12V → 5V → 3.3V +* Archivo: 1_buck_chain.cir +* Tarjetas: Modulo ESP32+CAN+RS485 / Modulo ESP32+CAN (nodo compacto) +* +* COMO USAR EN LTSPICE: +* File → Open → seleccionar este .cir +* Run (boton Play) → ya configurado para .tran 50ms +* Probes utiles: +* V(v5v) → tension 5V de salida +* V(v33) → tension 3.3V de salida +* I(Rload5) → corriente consumida a 5V +* I(Rload33)→ corriente consumida a 3.3V +* +* MODELO: Average behavioural (no switching). Captura correctamente: +* - Tension DC de salida (verificacion de Rfb) +* - Rampa de arranque (soft-start ~2ms) +* - Respuesta a escalon de carga +* - Rizado de salida (via ESR del condensador) +* ======================================================================= + +.title AR-Autopilot Buck Chain 12V-5V-3V3 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* PROTECCION DE ENTRADA 12V +* ----------------------------------------------------------------------- +* Fusible 1812L125_16DR: 1.25A / 16V — modelado como resistencia serie +* (en SPICE el fusible no se funde, pero RSer=0.1 Ohm representa la caida) +* TVS SM6T24A: Vclamp=24V, absorbe load dump marino (hasta 45V transitorio) +* Para simular el TVS activo, cambiar Vin a PULSE(12 45 10m 1u 1u 1m 100m) + +Vin VIN_RAW GND PULSE(0 12 0 500u 500u 200m 500m) +Rfuse VIN_RAW VIN_FUSED 0.1 +* Catodo Anodo modelo +DTVS VIN_FUSED GND DTVS_SM6T24A + +.model DTVS_SM6T24A D(Ron=0.05 Vfwd=24 epsilon=0.5 Ilimit=25) + +* ----------------------------------------------------------------------- +* ETAPA 1: Buck 12V → 5V (MP2338, L=6.8uH, Cout=44uF) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Calculo Vfb: Vout = 0.8V * (1 + R47/R45) = 0.8*(1+52.3k/10k) = 4.984V ≈ 5V +* Frecuencia de conmutacion: 1.4 MHz +* Corriente ripple inductor: dIL = Vout*(1-D)/(L*Fsw) +* = 5*(1-5/12)/(6.8u*1.4M) = 0.306A pp +* Condensadores de salida: 2x EMK212BBJ226MGT = 2x22uF = 44uF +* ESR tipico a 1MHz: ~10mOhm por condensador → 5mOhm en paralelo + +* Fuente behavioural — modelo promedio del buck MP2338 +* La rampa de 2ms emula el soft-start interno del IC +Ebuck1 V5V_IDEAL GND VALUE={ ++ IF( V(VIN_FUSED) > 4.5, ++ MIN(5.0 , V(VIN_FUSED) * (1 - EXP(-TIME/0.002)) * (5.0/12.0) * (12.0/V(VIN_FUSED)) ), ++ 0 ) } + +* Resistencia de salida interna (modela perdidas del buck: DCR+RDS_on) +Rbuck1 V5V_IDEAL V5V_SW 0.05 + +* Inductor de salida real: L2 = DRA74-6R8-R (6.8uH, DCR=51mOhm) +L1 V5V_SW V5V 6.8u +.ic V(V5V)=0 + +* Resistencia serie del inductor (DCR) +RL1 V5V_SW V5V_AFTER_L 0.051 +* (el inductor ya incluye series resistance internamente, pero LTspice +* permite separarlo para mejor visualizacion) + +* Condensadores de salida — 2x 22uF en paralelo +* ESR de EMK212BBJ226MGT a 1MHz: ~10mOhm. En paralelo = 5mOhm +Cout1a V5V GND 22u IC=0 +.param ESR_emk=0.01 +Resr1a V5V COUT1A_NODE 0.01 +Cout1b COUT1A_NODE GND 22u IC=0 + +* Resistencias de feedback (para referencia — no afectan el modelo behavioural) +* pero verifican el calculo: Vout = 0.8*(1+R47/R45) +R47 V5V VFB1 52.3k +R45 VFB1 GND 10k +* Vfb1 deberia estar en ~0.8V cuando Vout=5V: +* Vfb1 = 5V * R45/(R47+R45) = 5 * 10k/62.3k = 0.803V ✓ + +* Carga de prueba a 5V +* ESP32 DevKit + MCP2562T + SN65HVD1781 ≈ 200mA total +* 5V / 200mA = 25 Ohm (carga nominal) +* Para simular escalon de carga: PULSE(25 12.5 10m 1u 1u 5m 50m) +Rload5 V5V GND 25 +* Condensador de bypass junto al conector +Cbypass5 V5V GND 100n + + +* ----------------------------------------------------------------------- +* ETAPA 2: Buck 5V → 3.3V (MP2338, L=4.7uH, Cout=44uF) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Calculo Vfb: Vout = 0.8V * (1 + R44/R42) = 0.8*(1+31.6k/10k) = 3.328V ≈ 3.3V +* Corriente ripple: dIL = 3.3*(1-3.3/5)/(4.7u*1.4M) = 0.171A pp + +Ebuck2 V33_IDEAL GND VALUE={ ++ IF( V(V5V) > 3.5, ++ MIN(3.3 , V(V5V) * (1 - EXP(-(TIME-0.001)/0.002)) * (3.3/5.0) * (5.0/V(V5V)) ), ++ 0 ) } + +Rbuck2 V33_IDEAL V33_SW 0.04 + +* Inductor: L3 = NRS5010T4R7NMGF (4.7uH, DCR=28mOhm, Isat=4.8A) +L2 V33_SW V33 4.7u +.ic V(V33)=0 + +* Condensadores de salida — 2x 22uF +Cout2a V33 GND 22u IC=0 +Cout2b V33 GND 22u IC=0 + +* Resistencias de feedback +* Vout = 0.8*(1+R44/R42) = 0.8*(1+31.6k/10k) = 3.328V +R44 V33 VFB2 31.6k +R42 VFB2 GND 10k + +* Carga de prueba a 3.3V +* ESP32 activo consumo tipico: 80mA @ 3.3V → 41 Ohm +* Picos en TX WiFi: 350mA → 9.4 Ohm +* Carga nominal para prueba: +Rload33 V33 GND 41 +Cbypass33 V33 GND 100n + + +* ----------------------------------------------------------------------- +* DIRECTIVAS DE SIMULACION +* ----------------------------------------------------------------------- +* Analisis transitorio: 50ms total, paso maximo 1us +* Permite ver: +* - Rampa de arranque (0-5ms) +* - Estado estable (10-50ms) +* - Rizado de salida (zoom a estado estable) +.tran 0 50m 0 1u + +* Opciones de convergencia para fuentes behaviorales +.options reltol=0.001 abstol=1n vntol=1m + +* ----------------------------------------------------------------------- +* VALORES ESPERADOS (verificar con probes) +* ----------------------------------------------------------------------- +* V(v5v) en estado estable: 4.95V - 5.05V (tolerancia ±1% del MP2338) +* V(v33) en estado estable: 3.267V - 3.333V +* V(vfb1) en estado estable: ~0.803V +* V(vfb2) en estado estable: ~0.797V +* I(Rload5) en estado estable: ~200mA +* I(Rload33) en estado estable: ~80mA +* Tiempo de arranque (10%-90%): ~2-4ms por etapa + +.backanno +.end diff --git a/tools/spice/2_output_stage.cir b/tools/spice/2_output_stage.cir new file mode 100644 index 0000000..e9b794d --- /dev/null +++ b/tools/spice/2_output_stage.cir @@ -0,0 +1,175 @@ +* ======================================================================= +* AR-Autopilot — Etapa de Salida Digital Aislada +* Archivo: 2_output_stage.cir +* Tarjeta: Modulo ESP32+CAN+RS485 (Ports Layout — OUT1 a OUT10) +* +* CIRCUITO (un canal, identico x10): +* +* ESP32 GPIO ──[R=332Ω]──▶|──[PC817 LED]──── GND +* optocoupler +* VCC_OUT ──[R_pull=10kΩ]──┬── MOSFET Gate (IRLML6344) +* │ +* PC817 Collector ───────────┘ +* PC817 Emitter ──────────────── GND +* +* MOSFET Drain ──[Load]──── V_LOAD+ (12V o 5V externo) +* MOSFET Source ──────────── GND +* Diodo SS14 ──────────── Drain a V_LOAD+ (flyback para cargas inductivas) +* +* LOGICA: +* GPIO HIGH (3.3V) → PC817 ON → Gate LOW → MOSFET OFF → OUT=0V (abierto) +* GPIO LOW (0V) → PC817 OFF → Gate HIGH (pull-up 10k) → MOSFET ON → OUT=V_LOAD +* +* COMO USAR EN LTSPICE: +* File → Open → 2_output_stage.cir +* Ver: V(out1) para tension de salida +* I(Rload_out) para corriente en la carga +* V(gate_q1) para tension de gate del MOSFET +* I(Dled) para corriente en el LED del optocoupler +* ======================================================================= + +.title AR-Autopilot Output Stage PC817 + IRLML6344 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* FUENTES DE ALIMENTACION +* ----------------------------------------------------------------------- +V33 V33 GND 3.3V ; Alimentacion ESP32 (3.3V) +VLOAD VLOAD GND 12V ; Carga externa (puede ser 5V o 12V) +VGND GND 0 0V + +* ----------------------------------------------------------------------- +* SENAL DEL GPIO (simula conmutacion tipica) +* ----------------------------------------------------------------------- +* PULSE(Vbajo Valto Tdelay Trise Tfall Ton Tperiod) +* Periodo 100ms: 50ms GPIO HIGH (salida OFF), 50ms GPIO LOW (salida ON) +Vgpio GPIO GND PULSE(3.3 0 5m 1u 1u 50m 100m) + +* ----------------------------------------------------------------------- +* RESISTENCIA DE DRIVE DEL LED (R9=332Ω en tu esquematico) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Corriente LED: I = (V33 - Vf_LED) / R_drive = (3.3 - 1.2) / 332 = 6.3mA +* Rango IF del PC817: 1mA - 50mA → 6.3mA CORRECTO ✓ +* Potencia en R9: P = I² * R = 0.0063² * 332 = 13.2mW (muy bajo) ✓ +Rdrive GPIO ANODE_LED 332 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* PC817 OPTOCOUPLER (modelo behavioural) +* ----------------------------------------------------------------------- +* CTR tipico del PC817: 50% a 100% (usamos 100% para analisis de peor caso) +* Vf del LED: ~1.2V a IF=6.3mA +* Vceo(sat) del transistor de salida: ~0.1V a Ic=1mA +* +* Lado LED (diodo) +Dled ANODE_LED CATHODE_LED DLED_PC817 +.model DLED_PC817 D(Is=1e-12 N=1.8 Rs=5 Cjo=10p Vj=0.9) +Rcathode CATHODE_LED GND 1 ; resistencia de retorno (cableado) + +* Lado transistor (modelado como VCCS proporcional a corriente LED) +* Gcollector: corriente de colector = CTR * corriente LED +* CTR = 100% minimo garantizado a IF=5mA +Gcoll COLLECTOR EMITTER VALUE={MAX(0, 1.0 * I(Dled))} +Remit EMITTER GND 0.1 ; Vce_sat ~ 0.1V a Ic<5mA + +* ----------------------------------------------------------------------- +* PULL-UP DE GATE (R15=10kΩ en tu esquematico) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Cuando PC817 OFF: Gate se carga a 3.3V via este resistor → MOSFET ON +* Cuando PC817 ON: Gate se descarga a GND via Gcoll → MOSFET OFF +Rpullup V33 COLLECTOR 10k +Cgate GATE_Q1 GND 100p ; capacidad de gate del IRLML6344 + +* Nodo de gate (union de colector PC817 y gate MOSFET) +.connect COLLECTOR GATE_Q1 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* MOSFET IRLML6344TRPBF (N-channel, 20V, 5A, VGS(th)=0.5-1V) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Parametros clave: +* VDS_max = 20V +* ID_max = 5A (limitado por PCB/disipacion en practica a ~2A) +* VGS(th) = 0.5V min, 1V max → enciende bien con 3.3V de gate ✓ +* RDS(on) = 27mΩ @ VGS=4.5V (con 3.3V de gate: ~45mΩ aprox) +* Qg = 3.8nC → tiempo de conmutacion muy rapido +* +* Modelo SPICE del IRLML6344 (parametros extraidos de datasheet IR) +.model IRLML6344 NMOS( ++ Level=3 ++ VTO=0.75 ++ KP=6.0 ++ LAMBDA=0.01 ++ RD=0.01 ++ RS=0.01 ++ RG=1.0 ++ CGS=500p ++ CGD=100p ++ CBD=200p ++ IS=1e-14 ++ PB=0.8 ++ CGSO=1.5e-10 ++ CGDO=3e-11) + +M1 DRAIN_Q1 GATE_Q1 GND GND IRLML6344 W=1 L=1 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* DIODO FLYBACK SS14-E3_61T (Schottky 1A, 40V) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Protege el MOSFET de picos inductivos cuando carga es inductiva +* Vf = 0.34V @ 1A (Schottky → caida baja, rapido) +.model SS14 D(Is=2e-8 N=1.05 Rs=0.04 Cjo=150p Vj=0.35 M=0.5 BV=40) +Dflyback DRAIN_Q1 VLOAD SS14 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* CARGA DE PRUEBA +* ----------------------------------------------------------------------- +* Ejemplo 1: Carga resistiva pura (LED de senalizacion, rele pequeno) +Rload_out VLOAD DRAIN_Q1 120 ; 12V / 120Ω = 100mA (ej: LED + rele) + +* Ejemplo 2: Carga inductiva (rele, valvula solenoide) — descomentar para probar +* Descomenta las dos lineas siguientes y comenta Rload_out de arriba: +* Rcoil VLOAD DRAIN_Q1 80 ; 12V / 80Ω = 150mA bobina de rele +* Lcoil DRAIN_Q1 DRAIN_Q1b 10m ; 10mH inductancia tipica de rele +* Rload_out DRAIN_Q1b GND 0.1 ; dummy para cerrar el nodo + +* ----------------------------------------------------------------------- +* MEDICION DE POTENCIA (directivas .meas) +* ----------------------------------------------------------------------- +.meas TRAN Pdiss_R9 AVG {I(Rdrive)^2 * 332} FROM 60m TO 100m +.meas TRAN I_led_avg AVG {ABS(I(Dled))} FROM 60m TO 100m +.meas TRAN Vout_on AVG V(out1) FROM 60m TO 100m +.meas TRAN Vgs_on AVG V(gate_q1) FROM 60m TO 100m + +* ----------------------------------------------------------------------- +* NODO DE SALIDA +* ----------------------------------------------------------------------- +.net V(out1) VLOAD + +* ----------------------------------------------------------------------- +* DIRECTIVAS DE SIMULACION +* ----------------------------------------------------------------------- +.tran 0 120m 0 100n + +.options reltol=0.001 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* VALORES ESPERADOS +* ----------------------------------------------------------------------- +* Estado OFF (GPIO=3.3V, t=0 a 5ms): +* I(Dled) = 6.3mA → LED PC817 encendido → transistor ON → Gate = 0V +* V(gate_q1)= ~0V (pulled down by PC817 collector) +* V(out1) = VLOAD = 12V (MOSFET OFF, carga desconectada de GND) +* +* Estado ON (GPIO=0V, t=5ms a 55ms): +* I(Dled) = 0mA → LED apagado → transistor OFF → Gate pulled up +* V(gate_q1)= ~3.3V (pull-up activo) +* V(out1) = ~0.1V (MOSFET ON, RDS*Iload = 0.045*0.1 = 4.5mV) +* I(Rload_out) = 12V/120Ω = 100mA +* +* NOTA SOBRE LOGICA INVERSA: +* GPIO HIGH → Salida APAGADA +* GPIO LOW → Salida ENCENDIDA +* Esto es intencional — el firmware invierte la logica en software +* Ventaja: en reset/power-up (GPIO=flotante→pull-up interno=HIGH) las +* salidas estan APAGADAS por defecto → seguro ante fallo de firmware + +.backanno +.end diff --git a/tools/spice/3_analog_input.cir b/tools/spice/3_analog_input.cir new file mode 100644 index 0000000..68b3f2a --- /dev/null +++ b/tools/spice/3_analog_input.cir @@ -0,0 +1,191 @@ +* ======================================================================= +* AR-Autopilot — Entrada Analogica Universal (Acondicionamiento de Senal) +* Archivo: 3_analog_input.cir +* Tarjeta: Modulo ESP32+CAN+RS485 (Ports Layout — IN-RPM/BAT/WATER/OILP) +* +* CIRCUITO (un canal, identico para todos los sensores): +* +* SENSOR ──[Varistor]──┬──[R_high]──┬──[R_low]──[GND] +* │ │ +* proteccion [C_filt]──[GND] +* ESD/pico │ +* └─── ESP32 ADC (0-3.3V) +* +* El firmware define que senaliza cada puerto (RPM, tension bateria, +* temperatura, presion, nivel de agua, etc.) +* +* PARAMETROS CONFIGURABLES (cambiar segun sensor): +* .param Vsensor = tension maxima del sensor +* .param R_high = resistor superior del divisor +* .param R_low = resistor inferior del divisor +* .param C_filt = condensador de filtro anti-aliasing +* +* EJEMPLOS PRECONFIGURADOS (cambiar .param activo): +* Tension bateria 12V → ADC 3.3V: R_high=27k, R_low=15k +* RPM sensor Hall 0-12V: R_high=27k, R_low=15k (igual) +* Sensor NTC temperatura 100k: R_high=10k (pull-up), R_low=NTC +* Sensor resistivo aceite 10-180Ω:R_high=10k pull-up a 3.3V +* +* COMO USAR EN LTSPICE: +* File → Open → 3_analog_input.cir +* Ver: V(adc_input) → tension que llega al ADC del ESP32 +* I(Rvaristor) → corriente en caso de pico de tension +* V(sensor_raw) → tension del sensor antes del divisor +* ======================================================================= + +.title AR-Autopilot Analog Input Conditioning + +* ----------------------------------------------------------------------- +* PARAMETROS DEL DIVISOR (modificar segun sensor) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Configuracion activa: Tension de bateria 12V → ADC 3.3V +* Vout = Vin * R_low / (R_high + R_low) +* 3.3V = 12V * R_low / (R_high + R_low) +* R_low/(R_high+R_low) = 0.275 +* Con R_low=15k: R_high = 15k*(1/0.275 - 1) = 15k*2.636 = 39.5k → usar 39.2k +* +* VALORES EN TU ESQUEMATICO (segun imagen): +* IN-BAT: R35=10K (R_high?), R34=15K (R_low?) → Vmax = 3.3*(10+15)/15 = 5.5V +* IN-OILP: R33=10K, R32=15K → igual configuracion +* IN-WATER: R31=10K, R30=15K → igual +* IN-RPM: R41=100K, R40=27K → Vmax = 3.3*(100+27)/27 = 15.5V (para RPM de 12V ok) +* +* NOTA: Revisar R35/R34 si el sensor es bateria 12V — el divisor da Vmax=5.5V +* que excede el rango del ADC (3.3V). Posible ajuste: R35=27k para dar 3.3V @ 12V exacto. + +.param Rhi = 27k ; Resistor superior del divisor +.param Rlo = 15k ; Resistor inferior del divisor +.param Cfilt = 10n ; Condensador de filtro anti-aliasing +.param Varistor_Vc = 5.5 ; Tension de conduccion del varistor (VA0083Y104KCAT) + +* ----------------------------------------------------------------------- +* ALIMENTACION +* ----------------------------------------------------------------------- +V33 V33 GND 3.3V + +* ----------------------------------------------------------------------- +* FUENTE DE SENSOR (simula distintos tipos de senal) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Caso 1: Tension bateria con ruido (12V DC + rizado de alternador + picos) +* El PULSE simula un arranque del motor: pico de 14.4V (alternador cargando) +Vsensor SENSOR_RAW GND PWL( ++ 0 12.0 ++ 5m 12.0 ++ 6m 14.4 ++ 50m 14.4 ++ 51m 12.6 ++ 100m 12.6 ++ 101m 28.0 ++ 102m 12.6 ++ 200m 12.6) +* En t=101ms se simula un pico de 28V (load dump / alternador desconectado) +* El varistor debe absorber este pico antes de que llegue al divisor + +* Caso 2 (alternativa — descomentar para RPM sensor Hall): +* Vsensor SENSOR_RAW GND PULSE(0 12 0 1u 1u 2m 4m) ; 250 Hz = 7500 RPM (8 pulsos/vuelta) + +* ----------------------------------------------------------------------- +* PROTECCION ESD / SOBRETENSION (Varistor VA0083Y104KCAT) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Varistor Metal-Oxide: Vc = 5.5V tipico (no es el valor correcto para 12V!) +* ATENCION: El varistor en tu esquematico (VA0083Y104K0AT) tiene: +* 104 = 10 * 10^4 pF = capacidad (no la tension) +* Para proteccion de 12V se necesita Vc > 14V (tension de alternador) +* Recomendacion: usar varistor de 18V (ej: GNR14D181K) para entradas 12V +* O un TVS de 15V unidireccional (P6KE15A) +* +* Modelo simplificado del varistor como diodo zener: +Dvar1 SENSOR_RAW GND DVAR +Dvar2 GND SENSOR_RAW DVAR_REV +.model DVAR D(BV=18 IBV=1m Rs=1 Cjo=500p) +.model DVAR_REV D(BV=0.6 Rs=1) + +* Resistencia serie que limita la corriente pico en el varistor +Rvar SENSOR_RAW SENSOR_PROT 10 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* DIVISOR RESISTIVO (escala la tension al rango ADC 0-3.3V) +* ----------------------------------------------------------------------- +Rdiv_hi SENSOR_PROT ADC_PRE 27k +Rdiv_lo ADC_PRE GND 15k + +* Verificacion del divisor con los valores: +* Vout @ 12.0V = 12.0 * 15/(27+15) = 12.0 * 0.357 = 4.29V ← SUPERA 3.3V ADC! +* Vout @ 14.4V = 14.4 * 0.357 = 5.14V ← MUCHO MAS QUE 3.3V +* +* PROBLEMA DETECTADO: Con R_high=27k y R_low=15k, el ADC del ESP32 +* recibe 4.3V para una bateria de 12V — el ADC se daña a mas de 3.6V! +* SOLUCION RECOMENDADA (incluida como parametros alternativos): +* Para Vmax=14.4V (bateria cargada con alternador): R_high=100k, R_low=27k +* Vout @ 14.4V = 14.4 * 27/(100+27) = 14.4 * 0.213 = 3.06V ← OK ✓ +* Vout @ 12.0V = 12.0 * 0.213 = 2.55V → resolucion ADC: 12bit → 1.8mV/LSB ✓ +* → Esta es la configuracion de IN-RPM en tu esquema (R41=100k, R40=27k) ← BIEN DISEÑADA + +* ----------------------------------------------------------------------- +* FILTRO ANTI-ALIASING RC (condensador de filtro) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Frecuencia de corte: fc = 1 / (2*pi*R_parallel*C) +* R_parallel = R_high||R_low = 27k||15k = 9.86k +* Con C=10nF: fc = 1/(2*pi*9.86k*10n) = 1.61 kHz +* → Filtra ruido electrico del motor (>10kHz) y EMI +* → No atenua RPM hasta 1600 rpm (con 1 pulso/vuelta) +* → Para mas velocidad o mas precision: reducir a C=3.3nF → fc=4.87kHz + +Cfilt ADC_PRE GND 10n + +* ----------------------------------------------------------------------- +* IMPEDANCIA DE ENTRADA DEL ADC ESP32 (modelo simplificado) +* ----------------------------------------------------------------------- +* El ADC del ESP32 tiene Rin ~1MΩ y Csample ~2pF durante la conversion +* En practica: el SAR ADC del ESP32 necesita que la fuente se estabilice +* antes de samplear (< 100us) +Radc ADC_PRE ADC_INPUT 0 +Cadc_sample ADC_INPUT GND 2p + +* Clamp de proteccion integrado en el ESP32 (GPIO tiene diodos a VCC y GND) +Dclamp_hi ADC_INPUT V33 DCLAMP +Dclamp_lo GND ADC_INPUT DCLAMP +.model DCLAMP D(Is=1e-14 N=1 Rs=100 BV=3.9 IBV=1m) + +* ----------------------------------------------------------------------- +* MEDICIONES AUTOMATICAS +* ----------------------------------------------------------------------- +* Tension maxima en el ADC (no debe superar 3.3V) +.meas TRAN Vadc_max MAX V(adc_input) FROM 0 TO 200m +* Tension en estado estable (bateria 12V) +.meas TRAN Vadc_12v AVG V(adc_input) FROM 10m TO 50m +* Tension durante carga del alternador (14.4V) +.meas TRAN Vadc_14v AVG V(adc_input) FROM 60m TO 100m +* Tension durante pico load dump (deberia estar clampada) +.meas TRAN Vadc_peak MAX V(adc_input) FROM 100m TO 110m + +* ----------------------------------------------------------------------- +* DIRECTIVAS DE SIMULACION +* ----------------------------------------------------------------------- +.tran 0 200m 0 100n + +.options reltol=0.001 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* NOTAS DE DISENO Y REVISION +* ----------------------------------------------------------------------- +* [OK] IN-RPM (R41=100k, R40=27k): division correcta para 0-15V → 0-3.2V ✓ +* [OK] Filtro RC 10nF con 100k||27k: fc=584Hz, adecuado para RPM ✓ +* [REVISAR] IN-BAT/WATER/OILP (R=10k+15k): division da 4.3V a 12V ← EXCEDE ADC +* Opcion A: Cambiar R_high de 10k a 33k → 3.3V @ 12V exacto +* (Rhi=33k, Rlo=15k) → Vout=12*15/48=3.75V... sigue alto +* Opcion B: Cambiar a (R_high=56k, R_low=22k) → 12*22/78=3.38V ≈ ok +* Opcion C: Usar R_high=100k, R_low=39k → 12*39/139=3.36V ← recomendado +* Permite medir hasta 14.8V (bateria cargada): 14.8*39/139=4.15V +* → Necesita diodo clamp adicional o escalar para max 14V +* +* [RECOMENDACION FINAL para entradas de 12V marino]: +* R_high = 100k, R_low = 27k (igual que IN-RPM) +* Vout @ 12V = 3.06V (82% del fondo de escala ADC) +* Vout @ 14.4V (alternador) = 3.06V... espera: +* 14.4 * 27/127 = 3.06V ← perfecto, justo en el limite +* 14.8 * 27/127 = 3.15V ← ok ✓ +* 16.0 * 27/127 = 3.40V ← ligeramente fuera, clamp lo protege ✓ + +.backanno +.end diff --git a/tools/spice/4_nmea2000_can.cir b/tools/spice/4_nmea2000_can.cir new file mode 100644 index 0000000..34bd582 --- /dev/null +++ b/tools/spice/4_nmea2000_can.cir @@ -0,0 +1,216 @@ +* ======================================================================= +* AR-Autopilot — Interfaz NMEA 2000 / CAN Bus +* Archivo: 4_nmea2000_can.cir +* Tarjetas: Ambas (Modulo ESP32+CAN+RS485 y Modulo compacto) +* +* CIRCUITO: +* +* ESP32 GPIO23 (TXD) ──── MCP2562T TXD ───┐ +* ESP32 GPIO21 (RXD) ──── MCP2562T RXD ───┤ +* 3.3V ────────────────── MCP2562T VIO ───┤ (nivel logico 3.3V) +* 3.3V ────────────────── MCP2562T VDD ───┤ (alimentacion) +* GND ─────────────────── MCP2562T GND ───┤ +* GND/3.3V ────────────── MCP2562T STBY ──┤ (0=activo, 1=standby) +* │ +* MCP2562T CANH ──[R24=120Ω/2]──┬── CANH BUS (NMEA2000) +* MCP2562T CANL ──[R24=120Ω/2]──┴── CANL BUS (NMEA2000) +* │ +* [SP0502BAHTG] (proteccion ESD) +* │ +* RELAY K1/K2 ── selecciona si es nodo terminal +* +* NMEA 2000 = CAN 2.0B a 250 kbps, maximo 50 nodos, longitud max 200m +* +* COMO USAR EN LTSPICE: +* Ver: V(canh) y V(canl) → formas de onda diferencial del bus CAN +* V(can_diff) = V(canh)-V(canl) → tension diferencial +* V(rxd_esp32) → senal recibida por el ESP32 +* ======================================================================= + +.title AR-Autopilot NMEA2000 CAN Interface MCP2562T + +* ----------------------------------------------------------------------- +* ALIMENTACION +* ----------------------------------------------------------------------- +V33 V33 GND 3.3V + +* ----------------------------------------------------------------------- +* ESP32 TRANSMISOR (GPIO23 generando tramas CAN) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Simulamos 3 bits CAN: dominante(0) y recesivo(1) +* CAN 250kbps → bit time = 4us +* Secuencia: idle(1) → start_bit(0) → data(1,0,1) → idle(1) +Vtxd TXD_ESP GND PWL( ++ 0 3.3 ++ 4u 3.3 ++ 4.1u 0 ++ 8u 0 ++ 8.1u 3.3 ++ 12u 3.3 ++ 12.1u 0 ++ 16u 0 ++ 16.1u 3.3 ++ 20u 3.3 ++ 20.1u 3.3 ++ 40u 3.3) + +* ----------------------------------------------------------------------- +* MCP2562T-E_MF — CAN FD TRANSCEIVER (modelo comportamental) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Especificaciones clave: +* VIO: 1.8V a 5.5V (compatible 3.3V del ESP32) ✓ +* VDD: 5V (puede usar 3.3V con limitaciones de velocidad) +* CANH dominant: VDD - 1.2V (con VDD=3.3V: CANH=2.1V) +* CANL dominant: 0.9V +* CANH recessive: VDD/2 = 1.65V (bus flotante en recesivo) +* Velocidad: hasta 8 Mbps (CAN FD) — usamos 250kbps para NMEA2000 +* +* MODO DOMINANTE (TXD=0): CANH=3.5V, CANL=1.5V, Vdiff=2.0V +* MODO RECESIVO (TXD=1): CANH=CANL=2.5V, Vdiff=0V +* +* Fuentes behaviorales que modelan el driver de salida: + +* CANH driver: en dominante sube a ~3.5V, en recesivo va a 2.5V (resistencia de pullup) +Ecanh CANH_DRV GND VALUE={ ++ IF(V(TXD_ESP) < 1.65, ++ 3.5, ++ 2.5) } + +* CANL driver: en dominante baja a ~1.5V, en recesivo va a 2.5V +Ecanl CANL_DRV GND VALUE={ ++ IF(V(TXD_ESP) < 1.65, ++ 1.5, ++ 2.5) } + +* Resistencia de salida del driver (impedancia de salida del transceptor) +Rout_h CANH_DRV CANH_IC 50 +Rout_l CANL_DRV CANL_IC 50 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* CONDENSADORES DE DESACOPLO (C18=4.7uF, C20=100nF, C21=4.7uF en tu esquema) +* ----------------------------------------------------------------------- +C18 V33 GND 4.7u +C20 V33 GND 100n +C21 V33 GND 4.7u + +* ----------------------------------------------------------------------- +* PROTECCION ESD — SP0502BAHTG (Dual Rail-to-Rail ESD) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Dos diodos TVS de baja capacidad en cada linea CAN +* Vclamping tipico: 9V a 1A, capacidad: 0.5pF (no afecta senal CAN) ✓ +.model SP0502 D(BV=6 IBV=1m Rs=0.5 Cjo=0.5p Vj=0.5) + +Desd_h1 CANH_IC GND SP0502 ; CANH a GND +Desd_h2 V33 CANH_IC SP0502 ; CANH a VCC +Desd_l1 CANL_IC GND SP0502 ; CANL a GND +Desd_l2 V33 CANL_IC SP0502 ; CANL a VCC + +* ----------------------------------------------------------------------- +* FILTRO DE MODO COMUN (C19=10nF en tu esquema) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Filtro entre lineas CAN: reduce EMI de modo comun +* (En tu esquema aparece C19=10nF entre las dos lineas o a GND) +Ccm CANH_IC CANL_IC 10n + +* ----------------------------------------------------------------------- +* TERMINACION DEL BUS — R24=120Ω con RELAY K1/K2 +* ----------------------------------------------------------------------- +* La terminacion de 120Ω se activa cuando el nodo es el EXTREMO del bus. +* En tu esquema usas un relay (76740-3) para conmutar la terminacion. +* Esto es muy inteligente: permite cambiar la topologia sin resoldar. +* +* Estado K1/K2 = CERRADO (nodo terminal, terminacion activa): +Rterm CANH_BUS CANL_BUS 120 ; terminacion nominal NMEA2000 + +* Si K1/K2 = ABIERTO (nodo intermedio): +* Descomenta para simular sin terminacion (nodo medio del bus): +* Rterm_open CANH_BUS CANL_BUS 100Meg ; sin terminacion + +* ----------------------------------------------------------------------- +* CABLE DEL BUS NMEA 2000 (impedancia de linea 120Ω, longitud 5m tipica) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Modelo de linea de transmision (T-line) +* Impedancia caracteristica: 120Ω (especificacion NMEA 2000) +* Velocidad de propagacion: ~200 m/us para cable par trenzado +* Retardo para 5m: td = 5m / (200m/us) = 25ns + +T1 CANH_IC CANL_IC CANH_BUS CANL_BUS Zo=120 Td=25n + +* ----------------------------------------------------------------------- +* SEGUNDO NODO CAN EN EL BUS (simula otro instrumento NMEA2000) +* ----------------------------------------------------------------------- +* Generador de tramas del segundo nodo (simula un GPS o compass NMEA2000) +Vtxd2 TXD2 GND PWL( ++ 0 3.3 ++ 20u 3.3 ++ 20.1u 0 ++ 24u 0 ++ 24.1u 3.3 ++ 28u 3.3 ++ 28.1u 0 ++ 32u 0 ++ 32.1u 3.3 ++ 40u 3.3) + +Ecanh2 CANH2_DRV GND VALUE={IF(V(TXD2) < 1.65, 3.5, 2.5)} +Ecanl2 CANL2_DRV GND VALUE={IF(V(TXD2) < 1.65, 1.5, 2.5)} +Rout_h2 CANH2_DRV CANH_BUS 50 +Rout_l2 CANL2_DRV CANL_BUS 50 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* RECEPTOR (MCP2562T → ESP32 RXD) +* ----------------------------------------------------------------------- +* El receptor compara CANH-CANL: +* Vdiff > 0.9V → dominante → RXD = 0 (LOW al ESP32) +* Vdiff < 0.5V → recesivo → RXD = 1 (HIGH al ESP32) +* Histeresis: 200mV +Erxd RXD_ESP GND VALUE={ ++ IF(V(CANH_BUS) - V(CANL_BUS) > 0.9, ++ 0, ++ 3.3) } + +* ----------------------------------------------------------------------- +* ANALISIS DE TENSION DIFERENCIAL +* ----------------------------------------------------------------------- +* Tension diferencial del bus para visualizar en graficas: +Ediff CAN_DIFF GND VALUE={V(CANH_BUS) - V(CANL_BUS)} + +* ----------------------------------------------------------------------- +* MEDICIONES AUTOMATICAS +* ----------------------------------------------------------------------- +.meas TRAN Vdiff_dom MAX V(can_diff) FROM 5u TO 10u +.meas TRAN Vdiff_rec MIN V(can_diff) FROM 10u TO 15u +.meas TRAN Vcanh_dom AVG V(canh_bus) FROM 5u TO 9u +.meas TRAN Vcanl_dom AVG V(canl_bus) FROM 5u TO 9u + +* ----------------------------------------------------------------------- +* DIRECTIVAS DE SIMULACION +* ----------------------------------------------------------------------- +* 40us = 10 periodos de bit a 250kbps +.tran 0 40u 0 1n + +.options reltol=0.001 + +* ----------------------------------------------------------------------- +* VALORES ESPERADOS NMEA 2000 (CAN 2.0B a 250kbps) +* ----------------------------------------------------------------------- +* En modo DOMINANTE (bit=0): +* V(canh_bus) = 3.5V ± 0.5V ✓ (especificacion: 2.75V min) +* V(canl_bus) = 1.5V ± 0.5V ✓ (especificacion: 2.25V max) +* V(can_diff) = 2.0V ± 0.5V ✓ (especificacion: 1.5V min) +* +* En modo RECESIVO (bit=1): +* V(canh_bus) = V(canl_bus) = 2.5V (terminado con 120Ω) +* V(can_diff) = 0V ± 50mV +* +* LONGITUD MAXIMA DEL BUS: +* A 250kbps, td_max = 5% del bit time = 200ns +* Longitud max = 200ns * 200m/us = 40m (backbone) +* Stubs maximos: 0.3m (troncal principal) → Micro-C connectors +* +* IMPEDANCIA DE TERMINACION: +* 2 terminaciones de 120Ω en paralelo = 60Ω (carga del bus) +* Con VDD=3.3V: corriente de bus en dominante = 2V / 60Ω = 33mA (OK ✓) + +.backanno +.end