IIC协议驱动PCA9685舵机驱动板详解与应用
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IIC协议驱动PCA9685舵机驱动板详解与应用
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CSDN
1.
https://m.blog.csdn.net/UndefinedM/article/details/141179555
PCA9685是一款由NXP半导体公司设计的16通道12位PWM控制器。它通过I2C接口与主控芯片通信，能够独立控制多达16个舵机或LED。本文将详细介绍PCA9685的工作原理、硬件连接和软件实现方法，并提供具体的代码示例。
一、PCA9685简介
PCA9685是一款由NXP半导体公司设计的16通道12位PWM控制器。它通过I2C接口与主控芯片通信，能够独立控制多达16个舵机或LED。由于PCA9685内部集成了25MHz的振荡器，它能够生成稳定的PWM信号，使得舵机或LED的控制变得更加精准和灵活。
PCA9685通常用于机器人、无人机、智能家居等需要多路PWM控制的场景。与STM32等单片机结合使用时，可以大大减少PWM通道的占用，使得主控芯片的资源更加充足。
二、PCA9685工作原理
PCA9685的核心功能是生成PWM信号。PWM信号的频率和占空比决定了舵机的角度或LED的亮度。PCA9685通过I2C接口接收主控芯片的命令，然后根据预设的频率和占空比生成PWM信号。
1. 时钟与频率
PCA9685内置25MHz振荡器作为时钟源，PWM信号的频率通过配置PRE_SCALE寄存器来设置。PWM的频率计算公式如下：
其中4096是定时器12位分辨率的最大计数值。通过调节PRE_SCALE值，可以设定从24Hz到1526Hz的PWM频率。
2. PWM信号生成
PCA9685使用12位分辨率来生成PWM信号。每个通道的PWM信号通过两个寄存器设置：on和off。on寄存器决定PWM信号开始的时间点，而off寄存器决定PWM信号结束的时间点。通过设置这两个值，可以精确控制每个通道的PWM占空比，从而控制舵机的转角或LED的亮度。
三、硬件连接
要使用STM32F103C8T6控制PCA9685舵机驱动板，需要将两者通过I2C接口连接。具体接线如下：
- STM32→PCA9685
- PB6 (I2C1_SCL) → SCL
- PB7 (I2C1_SDA) → SDA
- GND → GND
- 3.3V → VCC
PCA9685上的SCL和SDA分别对应STM32的I2C时钟线和数据线。确保供电电压与逻辑电压匹配，避免损坏器件。
四、软件实现
在STM32上使用标准外设库来控制PCA9685。以下是软件实现的关键步骤，包括I2C初始化、PCA9685的设置和舵机控制。
1. I2C初始化
首先，配置STM32的I2C外设，用于与PCA9685通信（此处I2C外设可根据芯片的引脚定义自己调整）：
void I2C1_Init(void)
{
I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000; // 100kHz
I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}
2. 设置PWM频率
使用PCA9685内部25MHz时钟源，通过设置PRE_SCALE寄存器配置PWM频率。假设舵机工作在50Hz的PWM频率下：
void PCA9685_SetPWMFreq(float freq) {
uint8_t prescale_val = (uint8_t)(25000000 / (4096 * freq)) - 1;
PCA9685_Write(0x00, 0x10); // MODE1 寄存器，进入睡眠模式
PCA9685_Write(0xFE, prescale_val); // 设置 PRE_SCALE
PCA9685_Write(0x00, 0x80); // MODE1 寄存器，退出睡眠模式
}
3. 控制舵机角度
为了简化控制，可以将角度转换为PCA9685的PWM信号：
uint16_t AngleToPWM(float angle) {
float pwm = ((angle / 270.0) * (512 - 102)) + 102;
return (uint16_t)pwm;
}
void PCA9685_SetAngle(uint8_t channel, float angle) {
uint16_t off = AngleToPWM(angle);
PCA9685_SetPWM(channel, 0, off);
}
在主程序中，可以通过简单的函数调用来控制舵机：
int main(void) {
I2C1_Init(); // 初始化I2C1
PCA9685_Init(); // 初始化PCA9685
PCA9685_SetAngle(0, 90.0f); // 设置舵机在通道0的角度为90度
while(1) {
// 持续发送PWM信号
}
}
五、实际应用
PCA9685广泛应用于机器人控制系统和自动化项目中。通过合理设置PWM信号的频率和占空比，能够精准控制舵机的角度，适应各种复杂的控制需求。
在实际应用中，PCA9685与STM32结合，可以实现对多个舵机的同时控制，节省I/O资源，简化硬件设计。在机器人项目中，通过调整舵机的角度，能够实现灵活的机械臂运动，提升系统的智能化水平。
以下是通过MPU6050陀螺仪模块的姿态角Pitch和Roll来控制二维云台的示例（主控芯片型号为STM32F103C8T6）：
PCA9685.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "PCA9685.h"
#include "Delay.h"
#define PCA9685_ADDRESS 0x80 // PCA9685 默认地址，注意可能需要左移一位
void PCA9685_Write(uint8_t reg, uint8_t data)
{
// 发送起始信号
I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);
// 等待 EV5，表明起始信号已经发送
while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
// 发送 PCA9685 地址
I2C_Send7bitAddress(I2C2, PCA9685_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
// 等待 EV6，地址已经被发送
while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
// 发送寄存器地址
I2C_SendData(I2C2, reg);
// 等待 EV8_2，数据寄存器空
while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING));
// 发送数据
I2C_SendData(I2C2, data);
// 等待数据传输完成
while(!I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
// 发送停止信号
I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);
}
void PCA9685_SetPWMFreq(float freq)
{
uint8_t prescale_val = (uint8_t)(25000000 / (4096 * freq)) - 1;
// 进入睡眠模式来设置PRE_SCALE
PCA9685_Write(0x00, 0x10); // MODE1 寄存器，设置为睡眠模式
// 设置 PRE_SCALE
PCA9685_Write(0xFE, prescale_val);
// 退出睡眠模式，恢复正常工作
PCA9685_Write(0x00, 0x80); // MODE1 寄存器，重启模式
}
void PCA9685_Init(void)
{
// 使能时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
// 配置 I2C SCL (PB10) 和 SDA (PB11)
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
// 配置 I2C 参数
I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000; // 100kHz
// 初始化 I2C2
I2C_Init(I2C2, &I2C_InitStructure);
// 启动 I2C2
I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);
PCA9685_SetPWMFreq(50.0f); // 设置PCA9685的PWM频率
PCA9685_Write(0x00, 0x00); // MODE1 寄存器，设置正常模式
PCA9685_Write(0x01, 0x04); // MODE2 寄存器，设置输出驱动方式
}
void PCA9685_SetPWM(uint8_t channel, uint16_t on, uint16_t off)
{
PCA9685_Write(0x06 + 4 * channel, on & 0xFF);
PCA9685_Write(0x07 + 4 * channel, on >> 8);
PCA9685_Write(0x08 + 4 * channel, off & 0xFF);
PCA9685_Write(0x09 + 4 * channel, off >> 8);
}
uint16_t AngleToPWM(float angle)
{
// angle in degrees (0 to 270)
float pwm = ((angle / 270.0) * (512 - 102)) + 102;
return (uint16_t)pwm;
}
void PCA9685_SetAngle(uint8_t channel, float angle)
{
uint16_t off = AngleToPWM(angle);
PCA9685_SetPWM(channel, 0, off);
}
PCA9685.h
#ifndef __PCA9685_H
#define __PCA9685_H
void PCA9685_Write(uint8_t reg, uint8_t data);
void PCA9685_SetPWMFreq(float freq);
void PCA9685_Init(void);
void PCA9685_SetAngle(uint8_t channel, float angle);
#endif
main.c
#include "stm32f10x.h"
#include "Delay.h"
#include "oled.h"
#include "Servo.h"
#include "Key.h"
#include "NRF24L01.h"
#include "SPI.h"
#include "PCA9685.h"
#include <stdint.h>
#include <string.h>
uint8_t AngleBuf[32];
float Pitch;
float Roll;
// 从字节数组中提取float
void bytesToFloat(uint8_t *buf, float *value)
{
memcpy(value, buf, sizeof(float));
}
int main(void)
{
OLED_Init();
Servo_Init();
NRF24L01_Init();
PCA9685_Init();
//复位云台
PCA9685_SetAngle(0,145);//0~270
PCA9685_SetAngle(1,145);//50~240
Delay_ms(1000);
OLED_ShowString(1,1,"Pitch: ");
OLED_ShowString(3,1,"Roll: ");
while(1)
{
if(R_IRQ()==0)
{
NRF24L01_Receive(AngleBuf);
}
// 从接收到的字节数组中提取两个浮点数
bytesToFloat(AngleBuf, &Pitch);
bytesToFloat(AngleBuf + sizeof(float), &Roll);
OLED_ShowSignedNum(2,1,Roll,3);// -90~90
OLED_ShowSignedNum(4,1,Pitch,3);// -90~90
if(((Roll+90)*((float)240/180))<=240&&((Roll+90)*((float)240/180))>=50)
{
PCA9685_SetAngle(1,(Roll+90)*((float)240/180));
}
if(((Pitch+90)*((float)270/180))<=270&&((Pitch+90)*((float)270/180))>=0)
{
PCA9685_SetAngle(0,(Pitch+90)*((float)270/180));
}
}
}
六、总结
PCA9685舵机驱动板为多通道PWM信号生成提供了方便的解决方案，特别适用于需要同时控制多个舵机的项目。在本文中，我们详细介绍了PCA9685的工作原理、硬件连接和编程方法，并展示了如何在STM32上实现舵机角度控制的实例代码。通过这些知识，读者可以更好地应用PCA9685，构建出强大的舵机控制系统。
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