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 = 0x40const MODE1 = 0x00const MODE2 = 0x01const SUBADR1 = 0x02const SUBADR2 = 0x03const SUBADR3 = 0x04const PRESCALE = 0xFEconst LED0_ON_L = 0x06const LED0_ON_H = 0x07const LED0_OFF_L = 0x08const LED0_OFF_H = 0x09const ALL_LED_ON_L = 0xFAconst ALL_LED_ON_H = 0xFBconst ALL_LED_OFF_L = 0xFCconst ALL_LED_OFF_H = 0xFDconst STP_CHA_L = 2047const STP_CHA_H = 4095const STP_CHB_L = 1const STP_CHB_H = 2047const STP_CHC_L = 1023const STP_CHC_H = 3071const STP_CHD_L = 3071const STP_CHD_H = 1023let initialized = falsefunction i2cwrite(addr: number, reg: number, value: number) {let buf = pins.createBuffer(2)buf[0] = regbuf[1] = valuepins.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 frequencylet 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; // sleepi2cwrite(PCA9685_ADDRESS, MODE1, newmode); // go to sleepi2cwrite(PCA9685_ADDRESS, PRESCALE, prescale); // set the prescaleri2cwrite(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=180export function Servo(channel: number,degree: number): void {if (!initialized) {initPCA9685();}// 50hz: 20,000 uslet v_us = (degree * 1800 / 180 + 600); // 0.6 ~ 2.4let 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=2500export function ServoPulse(channel: number,pulse: number): void {if (!initialized) {initPCA9685();}// 50hz: 20,000 uslet 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/pythonimport 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       = 0xFDdef __init__(self, address=0x40, debug=False):self.bus = smbus.SMBus(1)self.address = addressself.debug = debugif (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 resultdef setPWMFreq(self, freq):"Sets the PWM frequency"prescaleval = 25000000.0    # 25MHzprescaleval /= 4096.0       # 12-bitprescaleval /= float(freq)prescaleval -= 1.0if (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        # sleepself.write(self.__MODE1, newmode)        # go to sleepself.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 20000usself.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。