PCA9685-16路舵机驱动模块
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。
模块来源
采购链接：
16路PWM Servo 舵机驱动板机器人控制器IIC接口驱动器模块PCA9685
资料下载：
https://pan.baidu.com/s/1FjoAuJm387bxaZxS6g9HEg
提取码：8888
规格参数
**输入电压：**3.3V~5V
**额定电流：**15mA
**控制方式：**串口
尺寸： 21(长)*21(宽)[单位:mm]
查看资料
I2C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
这里只截图了需要的地址，分别是：
c
#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1
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移植过程
引脚选择
移植至工程
我们的目标是将例程移植至ESP32-S3开发板上。已经为大家提供了完整的驱动代码，按照以下步骤，即可完成移植。
具体新建文件夹和新建c和h文件在【DHT11温湿度传感器】章节中有详细的教学，这里就不再多说了。
只不过这里我们将文件名 bsp_dht11.c 和 bsp_dht11.h 换成 bsp_pca9685.c 和 bsp_pca9685.h，文件夹名字改为PCA9685。
代码写入
在文件bsp_pca9685.c中，编写如下代码。
c
/*
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* 技术支持常驻论坛，任何技术问题欢迎随时交流学习
* 立创论坛：club.szlcsc.com
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* Change Logs:
* Date Author Notes
* 2024-01-16 LCKFB-lp first version
*/
#include "bsp_pca9685.h"
#include "stdio.h"
#include <math.h>
void delay_ms(unsigned int ms)
{
vTaskDelay(ms / portTICK_PERIOD_MS);
}
void delay_us(unsigned int us)
{
ets_delay_us(us);
}
void delay_1ms(unsigned int ms)
{
vTaskDelay(ms / portTICK_PERIOD_MS);
}
void delay_1us(unsigned int us)
{
ets_delay_us(us);
}
/******************************************************************
* 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_config_t OUT_config = {
.pin_bit_mask = (1ULL<<GPIO_SDA)|(1ULL<<GPIO_SCL), //配置引脚
.mode =GPIO_MODE_OUTPUT, //输出模式
.pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE, //不使能上拉
.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE, //不使能下拉
.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE //不使能引脚中断
};
gpio_config(&OUT_config);
}
/******************************************************************
* 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);
}1
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在文件bsp_pca9685.h中，编写如下代码。
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/*
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* Date Author Notes
* 2024-01-16 LCKFB-lp first version
*/
#ifndef _BSP_PCA9685_H_
#define _BSP_PCA9685_H_
#include <stdio.h>
#include "esp_log.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/uart.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "driver/i2c.h"
#include "sdkconfig.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_log.h"
#include "freertos/queue.h"
#include <inttypes.h>
#include "sdkconfig.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "esp_log.h"
#include "rom/ets_sys.h"
#include "esp_system.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "driver/spi_master.h"
#include "driver/spi_common.h"
#include "hal/gpio_types.h"
#include "driver/ledc.h"
#include "driver/mcpwm.h"
#include "esp_adc/adc_cali_scheme.h"
#include "esp_adc/adc_cali.h"
#include "driver/adc.h"
#include "esp_adc_cal.h"
#include "string.h"
//端口移植
#define GPIO_SDA 2
#define GPIO_SCL 1
//设置SDA输出模式
#define SDA_OUT() gpio_set_direction(GPIO_SDA,GPIO_MODE_OUTPUT)
//设置SDA输入模式
#define SDA_IN() gpio_set_direction(GPIO_SDA,GPIO_MODE_INPUT)
//获取SDA引脚的电平变化
#define SDA_GET() gpio_get_level(GPIO_SDA)
//SDA与SCL输出
#define SDA(x) gpio_set_level(GPIO_SDA, (x?1:0))
#define SCL(x) gpio_set_level(GPIO_SCL, (x?1:0))
#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);
#endif1
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移植验证
在自己工程中的main主函数中，编写如下。
c
/*
* 立创开发板软硬件资料与相关扩展板软硬件资料官网全部开源
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* Change Logs:
* Date Author Notes
* 2024-01-16 LCKFB-lp first version
*/
#include <stdio.h>
#include "bsp_pca9685.h"
#include "string.h"
#include "esp_private/esp_task_wdt.h"
#include "esp_private/esp_task_wdt_impl.h"
int app_main(void)
{
uint8_t i = 0;
esp_task_wdt_deinit();
PCA9685_Init(60 , 0);
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
printf("Demo Start......\r\n");
while(1)
{
i = ( i + 1 ) % 180;
setAngle(0,i);
vTaskDelay(50 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}1
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