PCA9685 I2C 转16路PWM
目录
1 基本介绍
该IC主要参数特征如下：
- I2C接口控制即可控制16路PWM支持高达16路舵机或PWM输出，每路12位分辨率(4096级)
- 内置25MHz晶振，可不连接外部晶振，也可以连接外部晶振，最大50MHz
- 支持2.3V-5.5V电压，最大耐压值5.5V
- 具有上电复位，以及软件复位等功能
1.1 控制精度
假设舵机为50HZ的频率，脉宽为0.5ms~2.5ms，12位分辨率(4096级)，相关计算如下：
PWM周期：
时间分辨率：
最大脉宽时间：
最大脉宽时间可分成的份数：
0-180度的舵机，角度分辨率：
2 硬件参数
2.1 封装及引脚排列
PCA9685有两种封装：TSSOP28, HVQFN28，其相应的引脚排列如图1所示：
2.2 器件地址
PCA9685的器件地址是由引脚A0，A1，A2，A3，A4，A5共同决定，并且该引脚不可悬空，由于有6个引脚共同决定器件地址，因此，可以有64个器件地址，由于该IC上电便保留LED All Call address (E0h，1110 000)以及Software Reset address(06h，0000 0110)，实际仅有62个可用器件地址，因此，理论上，1个I2C接口可控制路PWM，其引脚控制器件地址的示意图如图2所示：
默认情况下，若将A0-A5全部接地，则其器件地址为:0x40。
2.3 寄存器地址
默认情况下，上电复位后，寄存器地址的默认值均为0，寄存器地址机器用途见图3所示:
由图3可知，主要寄存器地址为MODE1，MODE2地址，每一个PWM通道占用4个寄存器地址，用于设置脉宽(占空比)，PRE_SCALE寄存器用于设置周期(频率)，接下来将介绍MODE1，MODE2寄存器，PMM通道寄存器，PRESCALE寄存器 。
2.3.1 MODE1寄存器
首先介绍MODE1寄存器,见图4:
在使用该寄存器的时候要注意：
- 如果未停止所有PWM输出就将其进入到睡眠模式，那么，所有输出通道在下一轮都将输出高电平。
- 睡眠后重新启动PWM的操作为:
- 注意，在设置PWM频率(写PRESCALE寄存器)的时候，要先设置为Sleep模式，请参考后面源码部分。
2.3.2 MODE2寄存器
该寄存器的各位功能如图5所示:
2.4 PWM通道寄存器及其占空比设置
PWM通道寄存器如下：
由图6可知，对于每一个通道，有4个寄存器，每个寄存器图解如图7所示:
在设置PWM占空比的时候，首先，配置舵机的示例如图8所示（ON < OFF的情况）:
当特殊情况下，PWM周期大于定时器一次计数时,如图9所示(ON>OFF的情况):
2.5 PWM周期(频率)寄存器及其周期(频率)设置
接下来介绍配置PWM频率的寄存器:
一般情况下，在用内置晶振，为25MHZ，通过配置PRE_SCALE寄存器进行配置，配置的PRE_SCALE寄存器的值与PWM频率的关系如图10所示:
如果在舵机中，采用内置晶振，则osc_clock=25000000，update_rate=50
2.6 推荐硬件设计
首先，OE引脚须接低电平以确保IC使能，如果连接LED灯，则推荐以下几种连接方式，如图11所示:
3.软件设计
接下来进行软件设计部分讲解，由于本次开发采用Micro:bit底层开发，采用的是TypeScript(JavaScript的超类),所以暂提供该语言，提供基本操作方法及其思路，日后再更新C,C++及其它平台(STM32,Linux树莓派，Arduino等)操作方法，源码如下，请结合DataSheet及以上教程理解：
/**
* 使用此文件来定义自定义函数和图形块。
* 想了解更详细的信息，请前往 https://makecode.microbit.org/blocks/custom
*/
/**
* 自定义图形块
*/
//% weight=5 color=#0fbc11 icon="\uf113"
namespace Servo {
const PCA9685_ADDRESS = 0x40
const MODE1 = 0x00
const MODE2 = 0x01
const SUBADR1 = 0x02
const SUBADR2 = 0x03
const SUBADR3 = 0x04
const PRESCALE = 0xFE
const LED0_ON_L = 0x06
const LED0_ON_H = 0x07
const LED0_OFF_L = 0x08
const LED0_OFF_H = 0x09
const ALL_LED_ON_L = 0xFA
const ALL_LED_ON_H = 0xFB
const ALL_LED_OFF_L = 0xFC
const ALL_LED_OFF_H = 0xFD
const STP_CHA_L = 2047
const STP_CHA_H = 4095
const STP_CHB_L = 1
const STP_CHB_H = 2047
const STP_CHC_L = 1023
const STP_CHC_H = 3071
const STP_CHD_L = 3071
const STP_CHD_H = 1023
let initialized = false
function i2cwrite(addr: number, reg: number, value: number) {
let buf = pins.createBuffer(2)
buf[0] = reg
buf[1] = value
pins.i2cWriteBuffer(addr, buf)
}
function i2cread(addr: number, reg: number) {
pins.i2cWriteNumber(addr, reg, NumberFormat.UInt8BE);
let val = pins.i2cReadNumber(addr, NumberFormat.UInt8BE);
return val;
}
function initPCA9685(): void {
i2cwrite(PCA9685_ADDRESS, MODE1, 0x00)
setFreq(50);
setPwm(0, 0, 4095);
for (let idx = 1; idx < 16; idx++) {
setPwm(idx, 0, 0);
}
initialized = true
}
function setFreq(freq: number): void {
// Constrain the frequency
let prescaleval = 25000000;
prescaleval /= 4096;
prescaleval /= freq;
prescaleval -= 1;
let prescale = prescaleval; //Math.Floor(prescaleval + 0.5);
let oldmode = i2cread(PCA9685_ADDRESS, MODE1);
let newmode = (oldmode & 0x7F) | 0x10; // sleep
i2cwrite(PCA9685_ADDRESS, MODE1, newmode); // go to sleep
i2cwrite(PCA9685_ADDRESS, PRESCALE, prescale); // set the prescaler
i2cwrite(PCA9685_ADDRESS, MODE1, oldmode);
control.waitMicros(5000);
i2cwrite(PCA9685_ADDRESS, MODE1, oldmode | 0xa1);
}
function setPwm(channel: number, on: number, off: number): void {
if (channel < 0 || channel > 15)
return;
let buf = pins.createBuffer(5);
buf[0] = LED0_ON_L + 4 * channel;
buf[1] = on & 0xff;
buf[2] = (on >> 8) & 0xff;
buf[3] = off & 0xff;
buf[4] = (off >> 8) & 0xff;
pins.i2cWriteBuffer(PCA9685_ADDRESS, buf);
}
/**
* Servo Execute
* @param degree [0-180] degree of servo; eg: 90, 0, 180
*/
//% blockId=setServo block="Servo channel|%channel|degree %degree"
//% weight=85
//% degree.min=0 degree.max=180
export function Servo(channel: number,degree: number): void {
if (!initialized) {
initPCA9685();
}
// 50hz: 20,000 us
let v_us = (degree * 1800 / 180 + 600); // 0.6 ~ 2.4
let value = v_us * 4096 / 20000;
setPwm(channel, 0, value);
}
/**
* Servo Execute
* @param pulse [500-2500] pulse of servo; eg: 1500, 500, 2500
*/
//% blockId=setServoPulse block="Servo channel|%channel|pulse %pulse"
//% weight=85
//% pulse.min=500 pulse.max=2500
export function ServoPulse(channel: number,pulse: number): void {
if (!initialized) {
initPCA9685();
}
// 50hz: 20,000 us
let value = pulse * 4096 / 20000;
setPwm(channel, 0, value);
}
} 以上便是Micro:bit驱动PCA9685的源代码，注意源代码中的时间为us，而教程中的时间为ms。
2018年10月15日更新，树莓派平台Python程序:
要运行该程序，首先选装python，安装好Python后，还需要安装树莓派平台的smbus库：
sudo apt-get install python-smbus树莓派平台采用Python驱动PCA9685的Python代码如下所示:
#!/usr/bin/python
import time
import math
import smbus
# ============================================================================
# Raspi PCA9685 16-Channel PWM Servo Driver
# ============================================================================
class PCA9685:
# Registers/etc.
__SUBADR1 = 0x02
__SUBADR2 = 0x03
__SUBADR3 = 0x04
__MODE1 = 0x00
__PRESCALE = 0xFE
__LED0_ON_L = 0x06
__LED0_ON_H = 0x07
__LED0_OFF_L = 0x08
__LED0_OFF_H = 0x09
__ALLLED_ON_L = 0xFA
__ALLLED_ON_H = 0xFB
__ALLLED_OFF_L = 0xFC
__ALLLED_OFF_H = 0xFD
def __init__(self, address=0x40, debug=False):
self.bus = smbus.SMBus(1)
self.address = address
self.debug = debug
if (self.debug):
print("Reseting PCA9685")
self.write(self.__MODE1, 0x00)
def write(self, reg, value):
"Writes an 8-bit value to the specified register/address"
self.bus.write_byte_data(self.address, reg, value)
if (self.debug):
print("I2C: Write 0x%02X to register 0x%02X" % (value, reg))
def read(self, reg):
"Read an unsigned byte from the I2C device"
result = self.bus.read_byte_data(self.address, reg)
if (self.debug):
print("I2C: Device 0x%02X returned 0x%02X from reg 0x%02X" % (self.address, result & 0xFF, reg))
return result
def setPWMFreq(self, freq):
"Sets the PWM frequency"
prescaleval = 25000000.0 # 25MHz
prescaleval /= 4096.0 # 12-bit
prescaleval /= float(freq)
prescaleval -= 1.0
if (self.debug):
print("Setting PWM frequency to %d Hz" % freq)
print("Estimated pre-scale: %d" % prescaleval)
prescale = math.floor(prescaleval + 0.5)
if (self.debug):
print("Final pre-scale: %d" % prescale)
oldmode = self.read(self.__MODE1);
newmode = (oldmode & 0x7F) | 0x10 # sleep
self.write(self.__MODE1, newmode) # go to sleep
self.write(self.__PRESCALE, int(math.floor(prescale)))
self.write(self.__MODE1, oldmode)
time.sleep(0.005)
self.write(self.__MODE1, oldmode | 0x80)
def setPWM(self, channel, on, off):
"Sets a single PWM channel"
self.write(self.__LED0_ON_L+4*channel, on & 0xFF)
self.write(self.__LED0_ON_H+4*channel, on >> 8)
self.write(self.__LED0_OFF_L+4*channel, off & 0xFF)
self.write(self.__LED0_OFF_H+4*channel, off >> 8)
if (self.debug):
print("channel: %d LED_ON: %d LED_OFF: %d" % (channel,on,off))
def setServoPulse(self, channel, pulse):
"Sets the Servo Pulse,The PWM frequency must be 50HZ"
pulse = pulse*4096/20000 #PWM frequency is 50HZ,the period is 20000us
self.setPWM(channel, 0, pulse)
if __name__=='__main__':
pwm = PCA9685(0x40, debug=True)
pwm.setPWMFreq(50)
while True:
# setServoPulse(2,2500)
for i in range(500,2500,10):
pwm.setServoPulse(0,i)
time.sleep(0.02)
for i in range(2500,500,-10):
pwm.setServoPulse(0,i)
time.sleep(0.02)
保存文件命名为: pca9685.py,命令行进入该文件所在的路径，运行该Python脚本:
sudo python pca9685.py执行该命令后，便可控制舵机从转到
，在从
转到
。