PCA9685：I2C转16路PWM，助力你的系统

PCA9685：I2C转16路PWM，助力你的系统

1 基本介绍

1.1 该IC主要参数特征如下：

• I2C接口，支持高达16路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,逻辑电平3.3V
• 具有上电复位，以及软件复位等功能
  
  
  注：本教程侧重PCA9685的PWM输出，但PCA9685亦可用于WS2812等LED颜色控制等。

1.2 控制精度

假设舵机为50HZ的控制频率，脉宽为0.5ms~2.5ms，12位分辨率(4096级)，相关精度计算如下：

• 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下图所示：

引脚功能描述如下图所示：

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16*62=992路PWM，其引脚控制器件地址的示意图如下图所示：

默认情况下，若将A0-A5全部接地，则其器件地址为:0x40。

2.3 寄存器及其地址

默认情况下，上电复位后，寄存器地址的默认值均为0，寄存器地址及其用途见下图所示:

图中节选的部分寄存器地址中，主要关心以下寄存器：

• 模式设置寄存器：MODE1，MODE2。
• 脉宽(占空比)设置寄存器：LED0_ON_L,LED0_ON_H,LED0_OFF_L,LED0_OFF_H......LED15......每一路PWM通道占用4个寄存器。
• 周期(频率)设置寄存器：PRE_SCALE。
  接下来介绍以上寄存器的使用及其注意事项。

2.4 模式设置寄存器

2.4.1 MODE1寄存器

首先介绍MODE1寄存器,如下图:

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。

2.4.2 MODE2寄存器

该寄存器的各位功能如下图所示:

2.5 PWM通道寄存器及其占空比设置

PWM通道寄存器如下图：

由图可知，对于每一个通道，有4个寄存器，每个寄存器图解如下图所示:

在设置PWM占空比的时候，首先，配置舵机的示例如下图所示(ON < OFF的情况):

当特殊情况下，PWM周期大于定时器一次计数时,如下图所示(ON>OFF的情况):

2.6 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频率的关系如下图所示:

如果在舵机控制中，采用内置晶振，取osc_clock=25000000，update_rate=50(舵机控制频率50Hz)

2.7 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，如下图所示:

3 软件设计

3.1 Micro:bit平台TypeScript版

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，可结合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。

3.2 树莓派平台Python版

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0度转到180度，再从180度转到0度。