alro65
b82ed400bc
SPICE (6_bno085_imu.cir):
- BNO085 power supply with 10uF + 100nF decoupling on VDD
- Power-on reset RC circuit (R=10K, C=1uF, tau=10ms → deasserts at ~12ms)
- I2C Fast Mode 400kHz bus: 4.7K pull-ups, 50pF bus capacitance model
- Full I2C transaction: START + address 0x4A + R/W + BNO085 ACK + STOP
- INT pin (open-drain, 10K pull-up, 100Hz interrupt simulation)
- .meas directives: reset timing, SCL rise time, VDD stability
Simulator (esp32_sim.py):
- SimSnapshot.bno085_yaw_rate_dps field added
- _bno085_enabled / _bno085_noise_std_dps / _bno085_yaw_rate_dps state
- enable_bno085(noise_std_dps=0.02) public method
- disable_bno085() public method
- _run_physics: samples gyro at 50Hz with Gaussian noise model
- _run_outer_loop: uses BNO085 yaw rate for rot_ff_term when enabled
(replaces NMEA-derived ROT — lower latency ~4ms vs ~100-200ms)
Usage:
sim.enable_bno085() # activate gyro feed-forward
sim.enable_bno085(noise_std_dps=0.014) # with BNO085 spec noise
Co-Authored-By: Claude Sonnet 4.6 <noreply@anthropic.com>
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* AR-Autopilot — IMU BNO085: Alimentacion, Reset e I2C
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* Archivo: 6_bno085_imu.cir
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* Tarjeta: Modulo compacto ESP32+CAN (CIRCUITO GIRO)
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* CIRCUITO:
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* 3.3V ──[C=10uF + C=100nF]──── BNO085 VDD (alimentacion principal)
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* 3.3V ──[C=100nF]────────────── BNO085 VDDIO (nivel logico I2C = 3.3V)
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* 3.3V ──[R=10K]──── NRST (BNO085 RESET, activo bajo)
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* └── [C=1uF] ── GND → reset POR: NRST sube lento
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*
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* 3.3V ──[R=4.7K]──── SCL (I2C clock, 400 kHz Fast Mode)
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* 3.3V ──[R=4.7K]──── SDA (I2C data, open-drain)
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* 3.3V ──[R=10K] ──── INT (interrupcion data-ready, activo bajo OD)
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*
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* SA0 ── GND → direccion I2C = 0x4A
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* BOOT ── GND → modo operacion normal (no bootloader USB)
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* BNO085 (CEVA/Hillcrest BNO085):
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* Alimentacion: VDD = 3.3V, VDDIO = 1.8V a 3.3V
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* Corriente tipica: 6.5 mA (todos los sensores activos, 100 Hz)
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* Reset: NRST activo bajo, minimo 10 us, startup: 50 ms tipico
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* I2C: 100 kHz o 400 kHz (Fast Mode), max 1 MHz (Fast Mode Plus)
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* Reportes configurables: Rotation Vector, Gyroscope, Accelerometer...
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* Sensor Fusion DSP interno: 500 Hz internal fusion rate
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* Giroscopio: ruido ~0.014 deg/s RMS, bias < 1 deg/s
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* Magnetometro: compensacion hard/soft iron automatica
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* Rango de temperatura operacion: -40 a +85 C (marino OK)
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* REPORTES USADOS PARA EL AUTOPILOTO:
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* ARVR Stabilized Rotation Vector → Heading (0-360°) a 100 Hz
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* Gyroscope Calibrated → Yaw rate (°/s) a 250 Hz
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* Linear Acceleration → para deteccion de impactos
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* COMO USAR EN LTSPICE:
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* Ver: V(nrst) → curva de reset POR (debe superar 0.7×VDD = 2.31V en ~12ms)
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* V(vdd_bno) → tension de alimentacion BNO085 con decoupling
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* V(scl) → reloj I2C 400 kHz con tiempos de subida correctos
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* V(sda) → datos I2C con open-drain y pull-up
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* V(int_pin) → interrupcion data-ready
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.title AR-Autopilot BNO085 IMU Power, Reset and I2C Interface
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* ALIMENTACION 3.3V
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V33 V33 GND 3.3V
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* -----------------------------------------------------------------------
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* DESACOPLO DE ALIMENTACION BNO085
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* -----------------------------------------------------------------------
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* BNO085 datasheet recomienda: 10uF (bulk) + 100nF (HF) en VDD
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* y 100nF adicional en VDDIO, lo mas cerca posible del IC.
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* A 22mm del inductor L2 del buck: el ruido de switching es bajo
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* pero el decoupling sigue siendo critico para el magnetometro.
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Cbulk V33 VDD_BNO 10u ; capacitor bulk 10uF ceramico (X5R)
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Cdec1 VDD_BNO GND 100n ; 100nF ceramico junto al pin VDD del BNO085
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Cdec2 V33 GND 100n ; 100nF en VDDIO (misma tension 3.3V)
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* Inductancia del trace PCB entre condensador bulk y IC (~10mm de traza)
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* L_trace a 1.4MHz (MP2338): XL = 2*pi*1.4e6*1e-9 = 8.8mOhm → despreciable
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Rtrace V33 VDD_BNO 0.05 ; resistencia de traza PCB (~50mOhm para 10mm)
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* Consumo del BNO085 (todos sensores + fusion a 100Hz)
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Ibno085 VDD_BNO GND DC 6.5m ; 6.5 mA tipico (datasheet tabla 4.3)
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* -----------------------------------------------------------------------
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* CIRCUITO DE RESET (Power-On Reset)
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* -----------------------------------------------------------------------
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* NRST activo bajo: cuando VDD sube, NRST debe permanecer bajo
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* hasta que VDD este estable, luego sube lentamente via RC.
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* El BNO085 sale de reset cuando NRST > 0.7 * VDDIO = 2.31V
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* Con R=10K, C=1uF: τ = 10ms → NRST cruza 2.31V en ~12ms
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*
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* Simulamos encendido: VDD sube en 1ms (soft-start del buck converter)
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* Despues NRST sube lentamente → BNO085 en reset durante ~12ms ✓
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* Resistencia de pull-up del RESET
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Rrst V33 NRST_NODE 10k
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* Condensador de reset (define el tiempo de reset)
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Crst NRST_NODE GND 1u IC=0
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* Diodo de descarga rapida (para re-reset rapido si VDD cae)
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Drst GND NRST_NODE DRST_FAST
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.model DRST_FAST D(Is=1e-12 N=1 Rs=1 Cjo=5p)
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* Modelo del umbral de reset del BNO085 (schmitt trigger interno)
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* NRST < 2.31V → en reset; NRST > 2.31V → operativo
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Eres RESET_STATUS GND VALUE={IF(V(NRST_NODE) > 2.31, 3.3, 0)}
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* -----------------------------------------------------------------------
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* BUS I2C — RESISTENCIAS DE PULL-UP
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* -----------------------------------------------------------------------
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* Fast Mode (400 kHz): Rpullup maximo = Vcc/(3mA) = 3.3/0.003 = 1.1k
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* Rpullup minimo = (Vcc - Voh)/(bus cap × slew rate) ≈ 1k
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* Valor estandar: 4.7k (funciona bien hasta 300kHz con Cbus < 100pF)
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* Para 400kHz con Cbus=50pF: tr = 0.8473 * 4700 * 50e-12 = 199ns OK (limite es 300ns)
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*
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* Si necesitas 400kHz garantizado con cable largo (Cbus > 100pF):
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* Reducir a 2.2k → tr = 93ns ✓ (pero mayor consumo: 3.3/2.2k = 1.5mA por linea)
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Rpull_scl V33 SCL 4.7k ; pull-up SCL
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Rpull_sda V33 SDA 4.7k ; pull-up SDA
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* Capacidad de bus (trazas PCB ~10cm + pines I2C de ESP32 y BNO085)
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* ESP32 I2C input cap: ~5pF, BNO085 I2C input cap: ~5pF, traza: ~10pF/cm × 10cm = 100pF
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Cbus_scl SCL GND 50p ; capacidad de bus SCL (solo 10cm de traza en PCB compacto)
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Cbus_sda SDA GND 50p ; capacidad de bus SDA
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* -----------------------------------------------------------------------
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* ESP32 MASTER I2C — Genera transaccion I2C (direccion 0x4A, lectura)
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* -----------------------------------------------------------------------
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* Protocolo I2C 400kHz (Fast Mode):
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* Periodo = 2.5us
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* SCL alto = 0.6us min (spec), SCL bajo = 1.3us min
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* Usamos: SCL alto = 0.9us, SCL bajo = 1.6us (simétrico aproximado)
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*
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* Secuencia simulada:
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* t=0: Bus idle (SDA=HIGH, SCL=HIGH)
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* t=5us: START condition (SDA baja mientras SCL alto)
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* t=7us: SCL baja → comienzo de bits de direccion
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* t=7-32us: 8 bits: direccion 0x4A + R/W=1 (lectura)
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* 0x4A = 1001010, con R/W=1 → byte = 10010101 = 0x95
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* t=32us: SCL sube → ACK del esclavo (BNO085 baja SDA)
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* t=37us: SCL baja → BNO085 libera SDA (pull-up sube)
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* t=40us: BNO085 comienza a enviar dato (primer byte de SHTP)
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* t=60us: STOP condition
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* SCL: generado por ESP32 (push-pull internamente, vista del bus = open-drain + pull-up)
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* Modelamos el SCL como fuente de tension con resistencia baja (driver fuerte)
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Vscl_drv SCL_DRV GND PWL(
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+ 0 3.3
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+ 4.9u 3.3
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+ 5.0u 3.3 ; bus idle
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+ 6.9u 3.3
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||
+ 7.0u 0 ; SCL baja → START completado, primer bit
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||
+ 8.5u 0
|
||
+ 8.6u 3.3 ; bit 7 (MSB): '1'
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||
+ 9.9u 3.3
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+ 10.0u 0
|
||
+ 11.4u 0
|
||
+ 11.5u 3.3 ; bit 6: '0'
|
||
+ 12.9u 3.3
|
||
+ 13.0u 0
|
||
+ 14.4u 0
|
||
+ 14.5u 3.3 ; bit 5: '0'
|
||
+ 15.9u 3.3
|
||
+ 16.0u 0
|
||
+ 17.4u 0
|
||
+ 17.5u 3.3 ; bit 4: '1'
|
||
+ 18.9u 3.3
|
||
+ 19.0u 0
|
||
+ 20.4u 0
|
||
+ 20.5u 3.3 ; bit 3: '0'
|
||
+ 21.9u 3.3
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||
+ 22.0u 0
|
||
+ 23.4u 0
|
||
+ 23.5u 3.3 ; bit 2: '1'
|
||
+ 24.9u 3.3
|
||
+ 25.0u 0
|
||
+ 26.4u 0
|
||
+ 26.5u 3.3 ; bit 1: '0'
|
||
+ 27.9u 3.3
|
||
+ 28.0u 0
|
||
+ 29.4u 0
|
||
+ 29.5u 3.3 ; bit 0 (R/W=1, lectura)
|
||
+ 30.9u 3.3
|
||
+ 31.0u 0 ; SCL bajo para ACK
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||
+ 32.4u 0
|
||
+ 32.5u 3.3 ; SCL sube: BNO085 debe mantener SDA baja (ACK)
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||
+ 33.9u 3.3
|
||
+ 34.0u 0
|
||
+ 59.9u 0
|
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+ 60.0u 3.3) ; ultimo SCL bajo → STOP
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Rscl_drv SCL_DRV SCL 10 ; impedancia del driver I2C del ESP32
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* SDA: ESP32 genera START y los bits de direccion
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||
* BNO085 genera ACK (baja SDA durante ACK clock)
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Vsda_drv SDA_DRV GND PWL(
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||
+ 0 3.3
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+ 4.9u 3.3
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||
+ 5.0u 0 ; START: SDA baja mientras SCL alto
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+ 5.9u 0
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||
+ 6.0u 3.3 ; START completado: SDA sube (SCL ya bajo)
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||
* bits de direccion 0x95 = 10010101 (MSB first)
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||
* bit7=1: SDA alto (pull-up)
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+ 6.9u 3.3
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+ 7.0u 3.3 ; bit 7 = 1 (recesivo, pull-up mantiene alto)
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||
+ 9.9u 3.3
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||
+ 10.0u 0 ; bit 6 = 0 (ESP32 baja SDA)
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+ 11.4u 0
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||
+ 11.5u 0 ; bit 5 = 0
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||
+ 13.9u 0
|
||
+ 14.0u 3.3 ; bit 4 = 1
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||
+ 15.9u 3.3
|
||
+ 16.0u 0 ; bit 3 = 0
|
||
+ 17.9u 0
|
||
+ 18.0u 3.3 ; bit 2 = 1
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||
+ 19.9u 3.3
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+ 20.0u 0 ; bit 1 = 0
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||
+ 21.9u 0
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||
+ 22.0u 3.3 ; bit 0 = 1 (R/W=1)
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||
+ 29.9u 3.3
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||
+ 30.0u 0 ; ACK slot: ESP32 libera SDA (flota)
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||
* BNO085 baja SDA para ACK → modelado como fuente separada
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+ 34.0u 0
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+ 34.1u 3.3 ; ESP32 retoma control del bus (post-ACK)
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+ 59.9u 3.3
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||
+ 60.0u 3.3) ; STOP: SDA sube mientras SCL alto
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Rsda_drv SDA_DRV SDA 10
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* ACK del BNO085: baja SDA durante el clock de ACK (t=32.5us a 34us)
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Vsda_ack SDA_ACK GND PWL(
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||
+ 0 3.3
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+ 31.9u 3.3
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||
+ 32.0u 0 ; BNO085 ACK: baja SDA
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||
+ 33.9u 0
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||
+ 34.0u 3.3) ; BNO085 libera SDA
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Rack SDA_ACK SDA 50 ; el driver del BNO085 tiene impedancia finita
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* -----------------------------------------------------------------------
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* LINEA DE INTERRUPCION INT (data-ready, activo bajo, open-drain)
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* -----------------------------------------------------------------------
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* El BNO085 baja INT cuando tiene un reporte listo para leer.
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* Con heading + yaw rate a 100Hz: INT pulsa cada 10ms
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* El ESP32 lee el dato cuando detecta INT bajo (GPIO input con pull-up)
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Rpull_int V33 INT_PIN 10k ; pull-up externo (ESP32 tiene pull-up interno tambien)
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Cint INT_PIN GND 10p ; capacidad del pin
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* Simula INT pulsando periodicamente (100 Hz = 10ms periodo, 100us de pulso bajo)
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Vint_bno INT_DRV GND PULSE(3.3 0 5m 100n 100n 100u 10m)
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Rint_drv INT_DRV INT_PIN 100 ; open-drain: BNO085 solo puede bajar, no subir
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* -----------------------------------------------------------------------
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* MEDICIONES AUTOMATICAS
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* -----------------------------------------------------------------------
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* Tiempo que tarda NRST en superar el umbral de reset (2.31V)
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.meas TRAN t_reset_deassert WHEN V(nrst_node)=2.31 RISE=1
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* Tension estable de alimentacion del BNO085
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.meas TRAN Vvdd_stable AVG V(vdd_bno) FROM 20m TO 50m
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* Tiempo de subida de SCL (10% → 90% de 3.3V = 0.33V → 2.97V)
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.meas TRAN t_rise_scl TRIG V(scl)=0.33 RISE=1 TARG V(scl)=2.97 RISE=1
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* Tension minima en VDD_BNO durante transient de corriente del BNO085
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.meas TRAN Vvdd_min MIN V(vdd_bno) FROM 0 TO 50m
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* -----------------------------------------------------------------------
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* DIRECTIVAS DE SIMULACION
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* -----------------------------------------------------------------------
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* 50ms total: captura arranque completo + transaccion I2C + varios pulsos INT
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.tran 0 50m 0 10n
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.options reltol=0.001
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* -----------------------------------------------------------------------
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* VALORES ESPERADOS
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* -----------------------------------------------------------------------
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* t_reset_deassert ≈ 12ms → BNO085 sale de reset 12ms despues del arranque
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* Vvdd_stable ≈ 3.28-3.30V → caida de tension por Rtrace=50mOhm + Ibno=6.5mA
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* ΔV = 6.5mA × 50mOhm = 0.33mV (despreciable) ✓
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* t_rise_scl ≈ 150-200ns → con Rpull=4.7k y Cbus=50pF: τ = 235ns
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* tr(10%-90%) = 2.2τ × (80%) = 200ns < 300ns OK ✓
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* (especificacion I2C Fast Mode: tr < 300ns)
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*
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* BNO085 en operacion normal:
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* Corriente a 3.3V: 6.5mA tipico, 12mA maximo (fusion completa)
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* Tiempo de startup tras reset: 50ms tipico (inicializacion DSP)
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* Primer reporte disponible: ~100ms tras arranque
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*
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* CONEXION TIPICA A ESP32:
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* GPIO21 → SDA (I2C SDA, con pull-up 4.7k externo)
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* GPIO22 → SCL (I2C SCL, con pull-up 4.7k externo)
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* GPIO34 → INT (input only, con pull-up 10k, interrupcion falling edge)
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* GPIO13 → NRST (output, normalmente alto; pulsa bajo para hard reset)
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*
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* CONFIGURACION FIRMWARE:
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* wire.begin(21, 22) → ESP32 Arduino I2C
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* Wire.setClock(400000) → Fast Mode 400kHz
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* BNO08x.begin(0x4A, Wire, GPIO34) → libreria SparkFun BNO08x
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*
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* REPORTES PARA AUTOPILOTO:
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* setReports(ARVR_STABILIZED_RV, 0.01) → heading a 100Hz
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* setReports(GYROSCOPE_CALIBRATED, 0.004) → yaw rate a 250Hz
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* getRVheading() → degrees (0-360) con compensacion tilt
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* getGyroZ() → deg/s (eje Z = yaw rate, positivo = estribor)
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.backanno
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.end
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