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]
移植过程
我们的目标是在天空星 STM32F407 上能够控制多路舵机的功能。首先要获取资料，查看数据手册应如何实现，再移植至我们的工程。
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：
#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
引脚选择
移植至工程
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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* 开发板官网：www.lckfb.com
* 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：https://oshwhub.com/forum
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*
Change Logs:
* Date Author Notes
* 2024-03-22 LCKFB-LP first version
*/
#include "bsp_pca9685.h"
#include "stdio.h"
#include "board.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_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_PCA9685_GPIO, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_SDA|GPIO_SCL;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(PORT_PCA9685, &GPIO_InitStructure);
}
/******************************************************************
* 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);
}2
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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 "stm32f4xx.h"
//端口移植
#define RCC_PCA9685_GPIO RCC_AHB1Periph_GPIOA
#define PORT_PCA9685 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_InitStructure; \
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_SDA; \
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; \
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD; \
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; \
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; \
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); \
}
//设置SDA输入模式
#define SDA_IN() { \
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; \
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_SDA; \
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; \
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD; \
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; \
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; \
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); \
}
//获取SDA引脚的电平变化
#define SDA_GET() GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_SDA)
//SDA与SCL输出
#define SDA(x) GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_SDA, (x?Bit_SET:Bit_RESET) )
#define SCL(x) GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_SCL, (x?Bit_SET:Bit_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);
#endif2
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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 "bsp_uart.h"
#include <stdio.h>
#include "bsp_pca9685.h"
int main(void)
{
uint8_t i = 0;
board_init();
uart1_init(115200U);
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(50);
}
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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。
代码下载
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