写字机器人——pca9685控制芯片

"""
esp32是与电脑用数据线连接的芯片，esp32通过i2c将数据传给pca9685，pca9685控制舵机运动
因此，esp32是芯片，pca9685是舵机驱动器
"""

# 为简化可扩展性，标准Python模块的MicroPython版本通常有 u (micro)前缀。
# ustruct用于对数据按指定格式打包
import ustruct
import time

class PCA9685:
    def __init__(self, i2c, address=0x40):
        #PCA9685 是一个I2C 从设备，有个设备ID，或者叫从 地址。从地址是如下确定的：
        # A5-A0 缺省是开放的， 地址是0x40，所以address默认0x40
        self.i2c = i2c
        self.address = address
        self.reset()

    def _write(self, address, value):
        self.i2c.writeto_mem(self.address, address, bytearray([value]))

    def _read(self, address):
        return self.i2c.readfrom_mem(self.address, address, 1)[0]

    def reset(self):
        '''重置PCA9685-生成对象时默认调用'''
        self._write(0x00, 0x00) # Mode1
    def freq(self, freq=None):
        '''freq函数用于传入舵机频率后，计算pca9685内部的高低电平长短计量单位'''

    def pwm(self, index, on=None, off=None):
        """
        设置脉冲宽度，index为舵机对应的pca96856编号，on为0，off为目标值
        off = 307，舵机回中位
        off = 102，脉宽为0.5ms，普通180°舵机则转到0°
        off = 512，脉宽为2.5ms，普通180°舵机则转到180°
        """


    def duty(self, index, value=None, invert=False):
        '''对pwm函数的再一次封装，加入了反向计算转动'''

freq函数的实现

脉冲震荡时钟计算

```python
def freq(self, freq=None):
    '''设置脉冲频率，一般是50Hz'''
    if freq is None:
        return int(25000000.0 / 4096 / (self._read(0xfe) - 0.5))
    prescale = int(25000000.0 / 4096.0 / freq + 0.5)
    old_mode = self._read(0x00) # 读取Mode 1
    self._write(0x00, (old_mode & 0x7F) | 0x10) # Mode 1, sleep
    self._write(0xfe, prescale) # Prescale
    self._write(0x00, old_mode) # Mode 1
    time.sleep_us(5)  # 规定要求500us的时间，才能完成重置调整
    self._write(0x00, old_mode | 0xa1) # Mode 1, autoincrement on
     # 由于12bit是由8bit + 8bit组合成的，
     # 当第1个8bit满了之后，需要对mode1进行自增位的改变，进行第2个bit写入

1. 一般舵机频率是50HZ，相当于1秒发送了50次脉冲
   而4096是pca9685的每次脉冲长度单位
2. (12bit=>2**12=4096)，相当于1次脉冲可以分为4096份，每份是1/4096
3. 25MHZ是pca9685内部的时钟振荡器，相当于震荡25M次，表示1秒。那么50HZ则是50次脉冲，那么1次脉冲发生，时钟振荡器就会震荡 25000000HZ/50HZ次，
4. 而1次脉冲是4096份组成，则每次震荡25000000/50次，那每份震荡25000000/50/4096次，四舍五入，可以是round(2500000/50/4096)【减1不知道是为啥】
5. prescale的作用，就是计量脉宽的单位，例如on-off脉宽（亦称为pwm）

注：当舵机频率越高，意味着每次发出的脉冲时间更短，
则prescale会更小，不同的prescale计量出的脉宽是不同的

最后形成要设置频率prescale

写入寄存器的mode操作

1、而要将数据写入寄存器之间，需要先将第0位（0x00）寄存器的MODE1设置为0

首先0x7f相当于0111 1111，而与mode1的读取出来的8个二进制位bit，进行&与的位运算，即，只要同位为1，即为1，否则为0。因此&与运算结束后，只对mode1的8bit中的第0位进行修改为0，其余后7位&111 1111是不会发生改变的。

mode1的8bit:  xxxx  xxxx
0x7f的8bit:   0111  1111
最后mode1&0xf7f = 0xxx xxxx,mode1的第0个bit改为0

2、将第4位（0x10）寄存器的MODE1进行设置为1
mode1的8bit: xxxx xxxx
0x7f的8bit: 0111 1111
mode1&0xf7f = 0xxx xxxx,mode1的第0个bit改为0

0xxx xxxx|0x10 => 0xxx xxxx|0001 0000，这|位或运算，是两个都是0，才为0
0xxx xxxx
0001 0000
最后位或运算是对mode的第4位，设置为1，即最终mode为 0xx1 xxxx

其实就是将mode设置了第0位为0(all call)，第4位为1（sleep），对应的mode1的含义如下图

pwm函数的实现

def pwm(self, index, on=None, off=None):
    '''设置脉冲宽度，index为舵机对应的pca96856编号，on为0，off为目标值'''
    if on is None or off is None:
        data = self.i2c.readfrom_mem(self.address, 0x06 + 4 * index, 4)
        return ustruct.unpack(', data)
    data = ustruct.pack(', on, off)
    self.i2c.writeto_mem(self.address, 0x06 + 4 * index,  data)

当起始寄存器位置on为空或是停止寄存器off为空，则读取第index个舵机的寄存器起始位置，并读取4个寄存器的数据，作为第index个舵机的所有数据

这里需要明确，pca9685总共有256个寄存器，每个寄存器是8bit，除了前6个寄存器是用来控制模式的，后边的寄存器大多用于控制LED灯（pca9685本来是设计用于控制LED等的，这里用来控制舵机，是个人做法）
而更需要注意的是，假设我需要pca9685控制4个舵机，则第1个舵机的位置，从0x06+40开始，到0x06+41结束，相当于1个舵机占用4个寄存器
第2个舵机的位置，从0x06+41的位置开始，到0x06+42结束，占用4个寄存器。

每个舵机为什么占用四个寄存器
由于存储是12bit的数据，因此需要2个8bit的寄存器分别作为ON的低位寄存器和高位寄存器（即LED0_ON_L和LED0_ON_H），并且要注意，是L在前，H在后

1. 如果数据是 0x7f=>0111 1111，其中0111是高位 1111是低位
2. 那么在寄存器中的存储顺序，应该是0x06存1111,0x07存0111
3. 映射到ustruct.unpack中的格式是"

duty函数的实现

def duty(self, index, value=None, invert=False):
    '''
    对pwm函数的再一次封装，加入了反向计算转动
    '''
    if value is None:
        pwm = self.pwm(index)
        if pwm == (0, 4096):
            value = 0
        elif pwm == (4096, 0):
            value = 4095
        value = pwm[1]
        if invert:
            value = 4095 - value
        return value
    if not 0 <= value <= 4095:
        raise ValueError("Out of range")
    if invert:
        value = 4095 - value
    if value == 0:
        self.pwm(index, 0, 4096)
    elif value == 4095:
        self.pwm(index, 4096, 0)
    else:
        self.pwm(index, 0, value)

value为None

当没给value传值时，会获取pca9685对应index舵机的原数据，而获取出来的pwm是以元组的方式，表示起始位置on和截止位置off的表示值。

*注意：在pca9685中，12bit的数据由8bit+8bit组合而成。*

当on数据为0，off的数据为4096时=>0000 0000 0010，
表示LED全灭，即数据值为空
当off的数据为0，on的数据为4096时=>0000 0000 0010，
表示LED灯全亮，即数据值4095

invert用于当舵机倒装时，角度值相反

value不为None

当传入的value不为None时，判断范围之外，依然要进行value为0及value为4095的全灭全亮操作

on为0，off为4096=>为全灭=>value为0
on为4096，off为0=>为全亮=>value为4095