当你在一个项目中碰到了微控制器芯片的PWM输出引脚不够用的情况,那么这款PCA968516路舵机就能很快帮助您解决这个问题了。只要你的主控芯片具备了I2C通信,就能够让主控芯片和PCA9685通信,实现多个舵机的同时控制了。PCA9685 16路舵机是一个采用I2C通信,内置了PWM驱动器和一个时钟,这个意味着,这将和TLCG940系列有很大不同,你不需要不断发送信号占用你的单片机。它是5V的兼容,这意味你还可以用3.3V单片机控制并且安全地驱动到6V输出(当你想要控制白色或蓝色指示灯用3.4+正电压也是可以的)。地址选择引脚使你可以把62个驱动板挂在单个l2C总线上,总共有992路PWM输出,那将是非常庞大的资源,约1.6Khz可调频PWM输出,为步进电机准备输出12位分辨率,可配置的推拉输出或开路输出,输出使能引脚能够快速禁用所有输出。
一、模块来源
二、规格参数
输入电压:3.3V~5V
额定电流:15mA
控制方式:IIC
尺寸: 21(长)*21(宽)[单位:mm]
以上信息见厂家资料文件
三、移植过程
1、查看资料
IIC器件地址
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:
Board 0: Address = 0×40 Offset = binary 00000 (默认)
Board 1: Address = 0×41 Offset = binary 00001 (A0接上拉)
Board 2: Address = 0×42 Offset = binary 00010 (接上A1上拉)
Board 3: Address = 0×43 Offset = binary 00011 (A0和A1上拉)
Board 4: Address = 0×44 Offset = binary 00100 (A2上拉)
以此类推;
PCA9685的I2C总线从地址如下图所示。为了节约电力,硬件可选地址引脚上没有内部上拉电阻,它们必须被拉高或拉低。但是我们使用的是模块,而模块上已经为我们接好了上拉电阻。
地址字节的最后一位定义要执行的操作。当设置为逻辑1时,将选择读操作,而逻辑0则选择写操作。 在原理图中,地址线全部接0,所以slave address是0x40。对应Fig 4上的位置,则为:
则IIC地址是 0x80 ,写入时是0x80,读取时是0x81。
设置PWM频率
舵机控制所需的 PWM 周期为20 ms. 在用 PCA9685 作为多舵机控制器时,需要将 其 PWM 输出周期设定为20 ms,即PWM 波的频率设定为50 Hz,PCA9685 输出频率与振荡器有关,频率的设置值refresh_rate见下面的公式;
其中,EXTCLK是PCA9685的内部时钟频率为25Mhz;prescale是要设置的频率,我们设置为50Hz;
refresh_rate = 25,000,000 /( 4096 * ( 50 + 1 ))
refresh_rate = 25,000,000 / 4096 / (50 + 1)
refresh_rate = 6,103.52 / (50 + 1)
refresh_rate = 6,103.52 / 51
refresh_rate = 119.68
所以我们需要设置的值是119.68,取整数就是120。
需要注意的是,频率的更改只能在 PCA9685 芯片处于休眠状态下进行。
以下加粗字体是数据手册内容:
要使用EXTCLK引脚,该位必须按以下顺序设置:
- 在mode1中设置SLEEP位。这就关闭了内部振荡器,使芯片处于休眠状态。
- 将逻辑1写入MODE1中的SLEEP和EXTCLK位。这样就转换完成了。外部时钟可以在切换期间处于活动状态,因为设置了SLEEP位。
这个位是一个“粘性位”,也就是说,它不能通过写入逻辑0来清除。EXTCLK位只能通过电源循环或软件重置来清除。 占空比或者脉冲宽度的设定
每个PWM引脚输出的开启时间和PWM的占空比可以通过LEDn_ON和LEDn_OFF寄存器独立控制。
每个PWM引脚输出将有两个12位寄存器。这些寄存器将由用户编程。两个寄存器都将保存从0到4095的值。一个12位寄存器将保存ON时间的值,另一个12位寄存器将保存OFF时间的值。将ON和OFF时间与12位计数器的值进行比较,该计数器将从0000h持续运行到0FFFh(0到4095十进制)。
ON时间是可编程的,它是PWM输出ON的时间,OFF时间也是可编程的,它是PWM输出OFF的时间。这样相移就完全可编程了。相移的分辨率为目标频率的1 / 4096。表7列出了这些寄存器。
以下用一个例子说明如何计算要加载到这些寄存器中的值。
(假设使用LED0输出,(延时时间)+ (PWM占空比)<=100%)
延迟时间 = 10%;PWM占空比= 20% (LEDON电平= 20%;LEDOFF时间= 80%)。延迟时间= 10% = 4096 * 0.1 = 409.6 ~ 410,计数= 410(十进制) = 19Ah(十六进制)
因为计数器从0开始,到4095结束,我们将减去1,所以延迟时间 = 199h 个数。
LED0_ON_H = 1h;LED0_ON_L = 99h (LED开始打开后,这个延迟计数到409)
LED开机时间= 20% = 819.2 ~ 819次
LED关闭时间= 4CCh(十进制410 + 819-1 = 1228)
LED0_OFF_H = 4h;LED0_OFF_L = CCh(此计数到1228后LED开始关闭)
整个周期为4095, LED_ON 和 LED_OFF 2个的设定值确定脉宽,在后面的代码里,LED_ON 设为0, LED_OFF就是脉宽了。 这里都用2位字节来表示。
相关地址表
// 相关地址表
// 这里只截图了需要的地址,分别是:
#define PCA_Addr 0x80 //IIC地址
#define PCA_Model 0x00
#define LED0_ON_L 0x06
#define LED0_ON_H 0x07
#define LED0_OFF_L 0x08
#define LED0_OFF_H 0x09
#define PCA_Pre 0xFE //配置频率地址
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2、引脚选择
3、移植至工程
模块工程参考入门手册工程模板
移植步骤中的导入.c和.h文件与第二章的第1小节【DHT11温湿度传感器】相同,只是将.c和.h文件更改为bsp_pca9685.c与bsp_pca9685.h。这里不再过多讲述,移植完成后面修改相关代码。
在文件bsp_pca9685.c中,编写如下代码。
/*
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* 2024-06-25 LCKFB-LP first version
*/
#include "bsp_pca9685.h"
#include "stdio.h"
#include <math.h>
/******************************************************************
* 函 数 名 称:PCA9685_GPIO_Init
* 函 数 说 明:PCA9685的引脚初始化
* 函 数 形 参:无
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
void PCA9685_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; // GPIO初始化结构体
RCC_PCA9685_GPIO_ENABLE(); // 使能GPIO时钟
GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SDA|GPIO_SCL; // GPIO引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; // 开漏输出
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH; // 输出速度高
GPIO_Init(PORT_PCA9685, &GPIO_InitStruct); // 初始化
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:IIC_Start
* 函 数 说 明:IIC起始时序
* 函 数 形 参:无
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT();
SDA(1);
delay_us(5);
SCL(1);
delay_us(5);
SDA(0);
delay_us(5);
SCL(0);
delay_us(5);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:IIC_Stop
* 函 数 说 明:IIC停止信号
* 函 数 形 参:无
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();
SCL(0);
SDA(0);
SCL(1);
delay_us(5);
SDA(1);
delay_us(5);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:IIC_Send_Ack
* 函 数 说 明:主机发送应答或者非应答信号
* 函 数 形 参:0发送应答 1发送非应答
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
void IIC_Send_Ack(unsigned char ack)
{
SDA_OUT();
SCL(0);
SDA(0);
delay_us(5);
if(!ack) SDA(0);
else SDA(1);
SCL(1);
delay_us(5);
SCL(0);
SDA(1);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:I2C_WaitAck
* 函 数 说 明:等待从机应答
* 函 数 形 参:无
* 函 数 返 回:0有应答 1超时无应答
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
unsigned char I2C_WaitAck(void)
{
char ack = 0;
unsigned char ack_flag = 10;
SCL(0);
SDA(1);
SDA_IN();
delay_us(5);
SCL(1);
delay_us(5);
while( (SDA_GET()==1) && ( ack_flag ) )
{
ack_flag--;
delay_us(5);
}
if( ack_flag <= 0 )
{
IIC_Stop();
return 1;
}
else
{
SCL(0);
SDA_OUT();
}
return ack;
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:Send_Byte
* 函 数 说 明:写入一个字节
* 函 数 形 参:dat要写人的数据
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
void Send_Byte(uint8_t dat)
{
int i = 0;
SDA_OUT();
SCL(0);//拉低时钟开始数据传输
for( i = 0; i < 8; i++ )
{
SDA( (dat & 0x80) >> 7 );
delay_us(1);
SCL(1);
delay_us(5);
SCL(0);
delay_us(5);
dat<<=1;
}
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:Read_Byte
* 函 数 说 明:IIC读时序
* 函 数 形 参:无
* 函 数 返 回:读到的数据
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
unsigned char Read_Byte(void)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDA设置为输入
for(i=0;i<8;i++ )
{
SCL(0);
delay_us(5);
SCL(1);
delay_us(5);
receive<<=1;
if( SDA_GET() )
{
receive|=1;
}
delay_us(5);
}
SCL(0);
return receive;
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:PCA9685_Write
* 函 数 说 明:向PCA9685写命令或数据
* 函 数 形 参:addr写入的寄存器地址 data写入的命令或数据
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
void PCA9685_Write(uint8_t addr,uint8_t data)
{
IIC_Start();
Send_Byte(PCA_Addr);
I2C_WaitAck();
Send_Byte(addr);
I2C_WaitAck();
Send_Byte(data);
I2C_WaitAck();
IIC_Stop();
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:PCA9685_Read
* 函 数 说 明:读取PCA9685数据
* 函 数 形 参:addr读取的寄存器地址
* 函 数 返 回:读取的数据
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
uint8_t PCA9685_Read(uint8_t addr)
{
uint8_t data;
IIC_Start();
Send_Byte(PCA_Addr);
I2C_WaitAck();
Send_Byte(addr);
I2C_WaitAck();
IIC_Stop();
delay_us(10);
IIC_Start();
Send_Byte(PCA_Addr|0x01);
I2C_WaitAck();
data = Read_Byte();
IIC_Send_Ack(1);
IIC_Stop();
return data;
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:PCA9685_setPWM
* 函 数 说 明:设置第num个PWM引脚,on默认为0,控制舵机旋转off角度
* 函 数 形 参:num:设置第几个引脚输出,范围0~15
* on :默认为0
* off:舵机旋转角度,范围:0~180
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
void PCA9685_setPWM(uint8_t num,uint32_t on,uint32_t off)
{
IIC_Start();
Send_Byte(PCA_Addr);
I2C_WaitAck();
Send_Byte(LED0_ON_L+4*num);
I2C_WaitAck();
Send_Byte(on&0xFF);
I2C_WaitAck();
Send_Byte(on>>8);
I2C_WaitAck();
Send_Byte(off&0xFF);
I2C_WaitAck();
Send_Byte(off>>8);
I2C_WaitAck();
IIC_Stop();
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:PCA9685_setFreq
* 函 数 说 明:设置PCA9685的输出频率
* 函 数 形 参:freq
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:
floor语法:
FLOOR(number, significance)
Number必需。要舍入的数值。
Significance必需。要舍入到的倍数。
说明
将参数 number 向下舍入(沿绝对值减小的方向)为最接近的 significance 的倍数。
如果任一参数为非数值型,则 FLOOR 将返回错误值 #VALUE!。
如果 number 的符号为正,且 significance 的符号为负,则 FLOOR 将返回错误值 #NUM!
示例
公式 说明 结果
FLOOR(3.7,2) 将 3.7 沿绝对值减小的方向向下舍入,使其等于最接近的 2 的倍数 2
FLOOR(-2.5, -2) 将 -2.5 沿绝对值减小的方向向下舍入,使其等于最接近的 -2 的倍数 -2
******************************************************************/
void PCA9685_setFreq(float freq)
{
uint8_t prescale,oldmode,newmode;
double prescaleval;
// freq *= 0.9; // Correct for overshoot in the frequency setting (see issue #11).
// PCA9685的内部时钟频率是25Mhz
// 公式: presale_Volue = round( 25000000/(4096 * update_rate) ) - 1
// round = floor(); floor是数学函数,需要导入 math.h 文件
// update_rate = freq;
prescaleval = 25000000;
prescaleval /= 4096;
prescaleval /= freq;
prescaleval -= 1;
prescale = floor(prescaleval+0.5f);
//返回MODE1地址上的内容(保护其他内容)
oldmode = PCA9685_Read(PCA_Model);
//在MODE1中设置SLEEP位
newmode = (oldmode&0x7F)|0x10;
//将更改的MODE1的值写入MODE1地址,使芯片睡眠
PCA9685_Write(PCA_Model,newmode);
//写入我们计算的设置频率的值
//PCA_Pre = presale 地址是0xFE,可以数据手册里查找到
PCA9685_Write(PCA_Pre,prescale);
//重新复位
PCA9685_Write(PCA_Model,oldmode);
//等待复位完成
delay_1ms(5);
//设置MODE1寄存器开启自动递增
PCA9685_Write(PCA_Model,oldmode|0xa1);
}
//
/******************************************************************
* 函 数 名 称:setAngle
* 函 数 说 明:设置角度
* 函 数 形 参:num要设置的PWM引脚 angle设置的角度
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
void setAngle(uint8_t num,uint8_t angle)
{
uint32_t off = 0;
off = (uint32_t)(158+angle*2.2);
PCA9685_setPWM(num,0,off);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:PCA9685_Init
* 函 数 说 明:PCA9685初始化,所有PWM输出频率配置与所有PWM引脚输出的舵机角度
* 函 数 形 参:hz设置的初始频率 angle设置的初始角度
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:无
******************************************************************/
void PCA9685_Init(float hz,uint8_t angle)
{
uint32_t off = 0;
PCA9685_GPIO_Init();
//在MODE1地址上写0x00
PCA9685_Write(PCA_Model,0x00); //这一步很关键,如果没有这一步PCA9685就不会正常工作。
// pwm.setPWMFreq(SERVO_FREQ)函数主要是设置PCA9685的输出频率,
// PCA9685的16路PWM输出频率是一致的,所以是不能实现不同引脚不同频率的。
// 下面是setPWMFreq函数的内容,主要是根据频率计算PRE_SCALE的值。
PCA9685_setFreq(hz);
//计算角度
off = (uint32_t)(145+angle*2.4);
//控制16个舵机输出off角度
PCA9685_setPWM(0,0,off);
PCA9685_setPWM(1,0,off);
PCA9685_setPWM(2,0,off);
PCA9685_setPWM(3,0,off);
PCA9685_setPWM(4,0,off);
PCA9685_setPWM(5,0,off);
PCA9685_setPWM(6,0,off);
PCA9685_setPWM(7,0,off);
PCA9685_setPWM(8,0,off);
PCA9685_setPWM(9,0,off);
PCA9685_setPWM(10,0,off);
PCA9685_setPWM(11,0,off);
PCA9685_setPWM(12,0,off);
PCA9685_setPWM(13,0,off);
PCA9685_setPWM(14,0,off);
PCA9685_setPWM(15,0,off);
delay_1ms(100);
}
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在文件bsp_pca9685.h中,编写如下代码。
/*
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*/
#ifndef _BSP_PCA9685_H_
#define _BSP_PCA9685_H_
#include "board.h"
//端口移植
#define RCC_PCA9685_GPIO_ENABLE() __RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define PORT_PCA9685 CW_GPIOA
#define GPIO_SDA GPIO_PIN_5
#define GPIO_SCL GPIO_PIN_6
//设置SDA输出模式
#define SDA_OUT() { \
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; \
GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SDA; \
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; \
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH; \
GPIO_Init(PORT_PCA9685, &GPIO_InitStruct); \
}
//设置SDA输入模式
#define SDA_IN() { \
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; \
GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SDA; \
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; \
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH; \
GPIO_Init(PORT_PCA9685, &GPIO_InitStruct); \
}
//获取SDA引脚的电平变化
#define SDA_GET() GPIO_ReadPin(PORT_PCA9685, GPIO_SDA)
//SDA与SCL输出
#define SDA(x) GPIO_WritePin(PORT_PCA9685, GPIO_SDA, (x?GPIO_Pin_SET:GPIO_Pin_RESET) )
#define SCL(x) GPIO_WritePin(PORT_PCA9685, GPIO_SCL, (x?GPIO_Pin_SET:GPIO_Pin_RESET) )
#define PCA_Addr 0x80 //IIC地址
#define PCA_Model 0x00
#define LED0_ON_L 0x06
#define LED0_ON_H 0x07
#define LED0_OFF_L 0x08
#define LED0_OFF_H 0x09
#define PCA_Pre 0xFE //配置频率地址
void PCA9685_Init(float hz,uint8_t angle);
void setAngle(uint8_t num,uint8_t angle);
void PCA9685_setFreq(float freq);
void PCA9685_setPWM(uint8_t num,uint32_t on,uint32_t off);
#endif
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四、移植验证
在自己工程中的main主函数中,编写如下。
/*
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*/
#include "board.h"
#include "stdio.h"
#include "bsp_uart.h"
#include "bsp_pca9685.h"
int32_t main(void)
{
uint8_t i = 0;
board_init();
uart1_init(115200);
printf("start\r\n");
PCA9685_Init(60,0); //PCA9685--16路舵机初始化 频率60Hz -- 0度
delay_ms(1000);
while(1)
{
i = ( i + 1 ) % 180;
setAngle(0,i);
delay_ms(10);
}
}
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移植现象:0号接口的舵机从0度一直移动到180度后,又回到0度。
模块移植成功案例代码:
链接:https://pan.baidu.com/s/1UrA4XVIjnRYQAL4bSxNIfg?pwd=LCKF 提取码:LCKF