alro65/AR-Autopilot
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210c44341fdec6d0686efd622cf28251883cf18b
AR-Autopilot/tools/spice/5_rs485.cir
T
alro65 210c44341f feat: LTspice RS-485 / NMEA 0183 interface simulation (SN65HVD1781) 
Simulates the full RS-485 half-duplex channel on the ESP32+CAN+RS485 board:
  - SN65HVD1781 behavioral driver/receiver (3.3V native, 32 unit loads)
  - Half-duplex direction control via DE/RE GPIO4
  - 560Ω bias resistors keeping bus HIGH during idle (NMEA 0183 failsafe)
  - 120Ω termination at both ends of a 10m T-line model (Zo=120, Td=50ns)
  - Transmits ASCII 'G' (0x47) at 4800 bps — one complete NMEA character
  - Second node as passive 12kΩ unit-load receiver
  - .meas directives verify Vdiff > ±200mV (RS-485 spec) in both polarities

Co-Authored-By: Claude Sonnet 4.6 <noreply@anthropic.com>
2026-05-22 10:13:16 -04:00

258 lines
11 KiB
Plaintext
Raw Blame History

* =======================================================================
* AR-Autopilot — Interfaz RS-485 (NMEA 0183 / Instrumentos Serie)
* Archivo: 5_rs485.cir
* Tarjeta: Modulo ESP32+CAN+RS485 (solo esta tarjeta tiene RS-485)
*
* CIRCUITO:
*
* ESP32 GPIO17 (TXD) ──[R?=0Ω]──── SN65HVD1781 DI (Data Input)
* ESP32 GPIO16 (RXD) ──────────── SN65HVD1781 RO (Receiver Output)
* ESP32 GPIO4 (DE) ──────────── SN65HVD1781 DE (Driver Enable)
* ESP32 GPIO4 (RE) ──────────── SN65HVD1781 /RE (Receiver Enable, activo bajo)
* (DE y /RE conectados juntos — half-duplex, control por GPIO4)
*
* 3.3V ─── SN65HVD1781 Vcc ─── [C=100nF decoupling]
*
* SN65HVD1781 A ──[R_bias=560Ω]──── +3.3V (bias de terminacion)
* SN65HVD1781 B ──[R_bias=560Ω]──── GND (bias de terminacion)
* SN65HVD1781 A ──[R_term=120Ω]──── SN65HVD1781 B (terminacion)
* SN65HVD1781 A ──[Proteccion ESD]──── Bus RS485_A
* SN65HVD1781 B ──[Proteccion ESD]──── Bus RS485_B
*
* NMEA 0183: RS-485 half-duplex, 4800 bps (NMEA standard) o 38400 bps
* Nivel logico: 3.3V (SN65HVD1781 es nativo 3.3V) ✓
*
* SN65HVD1781: Bus Fault Protected RS-485 Transceiver
* Vcc: 3V a 3.6V (3.3V ✓)
* Max 32 unit loads por bus (vs 8 del RS-422 clasico)
* Bus fault protection: hasta ±15kV HBM ESD
* Bus pins toleran hasta 12V sin alimentacion (proteccion de bus caliente)
* Driver: A-B > 200mV cuando DE=HIGH (dominante)
* Receiver: salida HIGH cuando A-B > +200mV, LOW cuando A-B < -200mV
*
* VELOCIDADES RS-485 usadas en nautica:
* NMEA 0183: 4800 bps (bit time = 208us)
* NMEA 0183 HS: 38400 bps (bit time = 26us)
* ModBus RTU: 9600 / 19200 / 38400 bps
* Propietario (B&G): 115200 bps o superior
*
* COMO USAR EN LTSPICE:
* Ver: V(rs485_a) y V(rs485_b) → diferencial del bus
* V(rs485_diff) = A-B → tension diferencial
* V(ro_esp32) → datos recibidos por el ESP32
* V(de_gpio) → estado del control de direccion (TX/RX)
* =======================================================================
.title AR-Autopilot RS-485 SN65HVD1781 Interface
* -----------------------------------------------------------------------
* ALIMENTACION
* -----------------------------------------------------------------------
V33 V33 GND 3.3V
* Condensador de desacoplo del transceiver
Cvcc V33 GND 100n
* -----------------------------------------------------------------------
* ESP32 TRANSMISOR (GPIO17 generando trama NMEA 0183)
* -----------------------------------------------------------------------
* NMEA 0183 @ 4800 bps: bit time = 208us
* Simulamos: idle(1) → start_bit(0) → 8 bits de dato → stop_bit(1)
* Dato: ASCII 'G' = 0x47 = 0100 0111 (LSB primero: 1,1,1,0,0,0,1,0)
*
* Secuencia completa: IDLE | START | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | STOP | IDLE
Vtxd TXD_ESP GND PWL(
+ 0 3.3
+ 208u 3.3
+ 208.1u 0 ; START BIT (dominante)
+ 416u 0
+ 416.1u 3.3 ; BIT 0 = 1 (recesivo)
+ 624u 3.3
+ 624.1u 3.3 ; BIT 1 = 1 (recesivo)
+ 832u 3.3
+ 832.1u 3.3 ; BIT 2 = 1 (recesivo)
+ 1040u 3.3
+ 1040.1u 0 ; BIT 3 = 0 (dominante)
+ 1248u 0
+ 1248.1u 0 ; BIT 4 = 0 (dominante)
+ 1456u 0
+ 1456.1u 0 ; BIT 5 = 0 (dominante)
+ 1664u 0
+ 1664.1u 3.3 ; BIT 6 = 1 (recesivo)
+ 1872u 3.3
+ 1872.1u 0 ; BIT 7 = 0 (dominante)
+ 2080u 0
+ 2080.1u 3.3 ; STOP BIT (recesivo)
+ 2500u 3.3) ; IDLE
* -----------------------------------------------------------------------
* CONTROL DE DIRECCION — GPIO4 (DE y /RE juntos)
* -----------------------------------------------------------------------
* HIGH = Modo transmision (Driver Enable, Receiver Disable)
* LOW = Modo recepcion (Driver Disable, Receiver Enable)
* Durante transmision: GPIO4 = HIGH (activo durante toda la trama + guard time)
Vde DE_GPIO GND PWL(
+ 0 0 ; modo recepcion al inicio
+ 100u 0
+ 100.1u 3.3 ; cambiar a TX antes del start bit
+ 2500u 3.3
+ 2500.1u 0 ; volver a RX despues del stop bit
+ 3000u 0)
* -----------------------------------------------------------------------
* SN65HVD1781 — DRIVER RS-485 (modelo comportamental)
* -----------------------------------------------------------------------
* Cuando DE=HIGH (transmitiendo):
* DI=1 (idle/stop) → A > B → Va=3.3V, Vb=0V, Vdiff=+3.3V
* DI=0 (start/mark)→ B > A → Va=0V, Vb=3.3V, Vdiff=-3.3V
* (RS-485 usa logica inversa: 1=A>B, 0=B>A)
*
* Cuando DE=LOW (recibiendo):
* Driver en alta impedancia (salidas flotan en el potencial del bias)
* Driver A: HIGH cuando DI=1 y DE=1, alta-Z cuando DE=0
Edrv_a DRV_A GND VALUE={
+ IF(V(DE_GPIO) > 1.65,
+ IF(V(TXD_ESP) > 1.65, 3.3, 0),
+ 1.65) }
* (en alta-Z, el driver va al potencial medio; el bias de terminacion lo mantiene)
* Driver B: complementario de A
Edrv_b DRV_B GND VALUE={
+ IF(V(DE_GPIO) > 1.65,
+ IF(V(TXD_ESP) > 1.65, 0, 3.3),
+ 1.65) }
* Impedancia de salida del driver SN65HVD1781
* Ron del driver tipico: 12Ω (datasheet Texas Instruments)
Rdrv_a DRV_A RS485_A_IC 12
Rdrv_b DRV_B RS485_B_IC 12
* -----------------------------------------------------------------------
* RESISTENCIAS DE POLARIZACION (BIAS) DEL BUS
* -----------------------------------------------------------------------
* RS-485 requiere bias cuando el bus esta en reposo (sin driver activo)
* para evitar estado indeterminado en el receptor.
* NMEA 0183 requiere Vdiff > 200mV incluso en idle.
* Con Rbias=560Ω a cada rail y Rterm=120Ω:
* Vth = Rbias_hi || Rterm || Rbias_lo + GND
* Va = 3.3 * (120||560) / (560 + 120||560) = 3.3 * 103/663 = 0.51V ← hmm
* Vb = 3.3 * 560 / (560+120) + ... necesita analisis de divisor completo
*
* Analisis correcto con Rterm=120 en paralelo entre A y B:
* Red: V33 -- 560 -- A --+-- 120 --+-- B -- 560 -- GND
* Va = V33 * (120||560 + 560_B_GND) / total ... simplificado:
* Con Rbias=560 y Rterm=120:
* Va = 3.3V * R_abajo/(R_arriba+R_abajo) donde R_abajo incluye la red
* Va ≈ 1.98V, Vb ≈ 1.32V → Vdiff = 0.66V > 200mV ✓ (bus en reposo seguro)
*
Rbias_hi V33 RS485_A_IC 560 ; pullup en linea A
Rbias_lo RS485_B_IC GND 560 ; pulldown en linea B
* -----------------------------------------------------------------------
* TERMINACION DEL BUS RS-485
* -----------------------------------------------------------------------
* Impedancia caracteristica del par trenzado: ~120Ω
* En cada extremo del bus se coloca 120Ω para evitar reflexiones.
* En NMEA 0183 es comun omitir terminacion en buses cortos (<10m)
* En instalaciones largas (salon motor → puente) si es necesaria.
Rterm RS485_A_IC RS485_B_IC 120 ; terminacion nominal
* -----------------------------------------------------------------------
* CABLE DEL BUS RS-485 (modelo de linea de transmision)
* -----------------------------------------------------------------------
* Par trenzado tipico: Zo=120Ω, velocidad ~200m/us
* Para una instalacion tipica en barco: 10m → Td = 50ns
T2 RS485_A_IC RS485_B_IC RS485_A_BUS RS485_B_BUS Zo=120 Td=50n
* -----------------------------------------------------------------------
* SEGUNDO NODO RS-485 (simula un instrumento NMEA 0183)
* -----------------------------------------------------------------------
* El segundo nodo esta en modo recepcion (solo escucha)
* Solo aporta su impedancia de entrada al bus (tipicamente 1 unit load = 12kΩ)
Rnode2_a RS485_A_BUS GND 12k ; impedancia de entrada receptor (unit load)
Rnode2_b RS485_B_BUS GND 12k ; idem linea B
* -----------------------------------------------------------------------
* TERMINACION REMOTA (extremo lejano del cable)
* -----------------------------------------------------------------------
Rterm2 RS485_A_BUS RS485_B_BUS 120
* -----------------------------------------------------------------------
* RECEPTOR RS-485 → ESP32 (SN65HVD1781 Receiver Output)
* -----------------------------------------------------------------------
* El receptor compara A vs B:
* A - B > +200mV → RO = HIGH (3.3V al ESP32)
* A - B < -200mV → RO = LOW (0V al ESP32)
* Histeresis: ~60mV
* Cuando DE=HIGH (transmitiendo): receptor deshabilitado (/RE=HIGH)
*
Erxd RO_ESP32 GND VALUE={
+ IF(V(DE_GPIO) > 1.65,
+ 3.3,
+ IF(V(RS485_A_BUS) - V(RS485_B_BUS) > 0.2,
+ 3.3,
+ 0)) }
* -----------------------------------------------------------------------
* TENSION DIFERENCIAL DEL BUS (para graficas)
* -----------------------------------------------------------------------
Ediff RS485_DIFF GND VALUE={V(RS485_A_BUS) - V(RS485_B_BUS)}
* -----------------------------------------------------------------------
* MEDICIONES AUTOMATICAS
* -----------------------------------------------------------------------
* Tension diferencial durante bit dominante (start bit, t=208us a 416us)
.meas TRAN Vdiff_dom AVG V(rs485_diff) FROM 210u TO 414u
* Tension diferencial durante bit recesivo (bit0=1, t=416us a 624us)
.meas TRAN Vdiff_rec AVG V(rs485_diff) FROM 418u TO 622u
* Tension en linea A durante transmision
.meas TRAN Va_dom AVG V(rs485_a_bus) FROM 210u TO 414u
* Tension en linea B durante transmision
.meas TRAN Vb_dom AVG V(rs485_b_bus) FROM 210u TO 414u
* -----------------------------------------------------------------------
* DIRECTIVAS DE SIMULACION
* -----------------------------------------------------------------------
* 3ms = un caracter NMEA 0183 completo a 4800 bps (10 bits: 1 start + 8 data + 1 stop)
* Paso maximo 100ns para capturar transiciones del driver
.tran 0 3m 0 100n
.options reltol=0.001
* -----------------------------------------------------------------------
* VALORES ESPERADOS RS-485 / NMEA 0183
* -----------------------------------------------------------------------
* Modo DOMINANTE (DI=0, B>A):
* V(rs485_a_bus) ≈ 0.2V (driver baja A)
* V(rs485_b_bus) ≈ 3.1V (driver sube B)
* V(rs485_diff) ≈ -2.9V → Vdiff = A-B < -200mV ✓ (dato logico 0)
*
* Modo RECESIVO (DI=1, A>B):
* V(rs485_a_bus) ≈ 3.1V
* V(rs485_b_bus) ≈ 0.2V
* V(rs485_diff) ≈ +2.9V → Vdiff = A-B > +200mV ✓ (dato logico 1)
*
* Bus en reposo (DE=0, sin driver):
* V(rs485_diff) ≈ +0.66V → receptor ve HIGH (idle = 1 = linea libre) ✓
* (garantizado por resistencias de bias 560Ω)
*
* NMEA 0183 Formato: 1 start (0) + 8 bits dato (LSB first) + 1 stop (1), sin paridad
* ASCII 'G' = 0x47 = 0100 0111:
* LSB first: 1 1 1 0 0 0 1 0
* Linea fisica: S=0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, P=1
* (S=start, P=stop)
*
* LONGITUD MAXIMA DEL BUS:
* A 4800 bps: td_max = 10% del bit time = 20.8us → longitud max = 4160m ✓ (mas que cualquier barco)
* A 38400 bps: td_max = 2.6us → 520m ✓ (mas que suficiente)
*
* SN65HVD1781 — CARACTERISTICAS CLAVE:
* 32 unit loads en bus (permite hasta 32 instrumentos NMEA)
* Bus fault protection ±15kV → supervive conexion erronea en marina
* Failsafe receiver: si bus abierto o cortocircuito, RO=HIGH (idle seguro)
* Slew rate limitado: 230kbps max en modo normal (suficiente para NMEA 0183 HS)
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