嵌入式人工智能（45-基于树莓派4B的扩展板-舵机驱动板PCA9685）

1、简介

智能小车、机械臂、摄像头云台会有多个舵机，而微控制器芯片的PWM输出引脚不够的情况下，就可以用PCA9685（16路舵机）来解决这一问题。

PCA9685是一款I2C总线控制的16通道LED控制器，专为红/绿/蓝/琥珀（RGBA）彩色背光应用而优化。每个LED输出都有自己的12位分辨率（4096步）固定频率单独PWM控制器，可在可编程频率下工作，典型频率为24 Hz到1526 Hz，占空比可调节从0％到100％，以使LED达到特定的亮度值。所有输出的PWM频率都设置为相同。

每个LED输出可以关闭或打开（无PWM控制），或设置为其单独的PWM控制器值。LED输出驱动器被编程为开漏，带有在5V时25mA的电流下沉能力，或者是totem极，带有在5V时25mA的下沉和10mA的源能力。PCA9685的工作电压范围为2.3V至5.5V，输入和输出均可容忍5.5V。LED可以直接连接到LED输出（高达25mA，5.5V），或通过外部驱动器和最少量的离散元件控制更大电流或更高电压的LED。

2、驱动板特性

• PCA9685允许交替的LED输出开启和关闭时间以最小化电流浪涌。每个16个通道的开启和关闭时间延迟可以独立编程。这个特性在PCA9635中不可用。

• PCA9685具有4096个步骤（12位PWM）的单独LED亮度控制。

• 当在系统中合并多个LED控制器时，如果使用PCA9635，多个设备之间的PWM脉冲宽度可能会有所不同。PCA9685具有可编程分频器，以调整多个设备的PWM脉冲宽度。

• PCA9685具有外部时钟输入引脚，可接受用户提供的时钟（最大50 MHz）代替内部25 MHz振荡器。此功能允许多个设备同步。PCA9635没有外部时钟输入功能。

• 与PCA9635一样，PCA9685也具有用于PWM控制的内置振荡器。但是，与PCA9635的典型频率97.6kHz相比，PCA9685用于PWM控制的频率可调节约为24 Hz至1526 Hz。这允许使用PCA9685与外部电源控制器。所有位都以相同的频率设置。

• LEDn输出引脚的上电复位（POR）默认状态在PCA9685的情况下为LOW。而对于PCA9635，则为HIGH。

• 所有PWM输出线上都放一个220欧姆系列电阻器来保护他们，并能轻易的驱动LED。

3、多驱动板级联

地址选择引脚使你可以把62个驱动板挂在单个12C总线上，总共有992路PWM输出，级联的每个驱动板都需要有一个唯一的访问地址。每个驱动板的初始I2C地址是0×40，可以通过右上角的跳线修改I2C地址。用焊锡将一个跳线连上就表示一个二进制数字“1”。有6个地址控制脚，通过这些引脚可以控制设备的i2c地址。7位的I2C地址为：0x40 + A5:A0

Board 0: Address = 0x40 Offset = binary 00000 (默认)
Board 1: Address = 0x41 Offset = binary 00001 (如上图，接上A0)
Board 2: Address = 0x42 Offset = binary 00010 (接上A1)
Board 3: Address = 0x43 Offset = binary 00011 (接上A0和A1)
Board 4: Address = 0x44 Offset = binary 00100 (接上A2)

4、外部电源接入

大多数的舵机设计电压都是在5~6V，尤其在多个舵机同时运行时，跟需要有大功率的电源供电。如果直接使用5V引脚直接为舵机供电，会出现一些难以预测的问题，所以建议你能有个合适的外部电源为驱动板供电。中间上面的绿色接线柱，是提供外围输入电压，舵机后面提示外围输入供电电压不要超过6V。V+线上放置一个大电容(在某些场合你会需要) 外围输入最大电压取决于这个10V1000uf的电容。

PCA9685-16路舵机是一个采用IIC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)。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。

这个地方说明书上的意思我重新给同学们解释下。如果不仔细思考理解，可能很多同学有点晕。

VCC和V+这两个地方是有区别的。VCC是给PCA9685芯片供电的电压3-5V。而V+是给舵机供电的电压。那么问题来了，1是扩展板好几个地方都有V+，哪里是输入哪里是输出？2是V+的那个一会最大6V，一会6-10V是什么意思呢？

扩展板要给舵机供电，首先要有电压输入，如果仅接VCC，无法提供输出电压。要提供输出电压必须接上左图的绿色接线柱，这个输入电压范围为6-10V，然后V+的所有输出电压就有了。这个输出的电压都是来自绿色接线柱的输入电压，输入多少输出就是多少，但是为了保护舵机，扩展板提供稳压保护，即便输入的电压有9V，它输出的电压最大不超过6.5V，因为大多数舵机的工作电压5-6V。所以如果要带的舵机额定电压需要6.5V以上，就单独供电，把PWM信号线接扩展板即可。

这里我再扩展下，介绍输出电压、电流与负载的关系。这里我可以拿手机电池和手机充电器给大家举例。如果手机电池的的输入电压为5V，那么充电器的输出电压一定要5V才行不能大也不能小。如果输入电压大了不烧坏手机说明内部有保护的稳压电路，小了更不行，芯片不能工作。而充电器提供的输出电流则越大越好，当然价格也高，这个完全看负载所需的电流，只要电池所需要的输入电流小于等于充电器提供的输出电流都可以。但是要是充电器输出电流小于电池需要的输入电流则不行，它有一个阈值，低于阈值充不进去电，高于阈值则充电比较慢，也能充。舵机也是一样，所以最好是满足负载所需的电压和电流才行。

我们也做了很多实验了，树莓派或其他芯片提供的输出电压往往可以满足负载，但输出电流较弱，驱动大电流的设备往往需要单独供电。

5、电路原理图

6、PCA9685的驱动

该模块仍然采用IIC总线，可以查看其地址为0x40。


from __future__ import division
import logging
import time
import math

# Registers/etc:
PCA9685_ADDRESS    = 0x40
MODE1              = 0x00
MODE2              = 0x01
SUBADR1            = 0x02
SUBADR2            = 0x03
SUBADR3            = 0x04
PRESCALE           = 0xFE
LED0_ON_L          = 0x06
LED0_ON_H          = 0x07
LED0_OFF_L         = 0x08
LED0_OFF_H         = 0x09
ALL_LED_ON_L       = 0xFA
ALL_LED_ON_H       = 0xFB
ALL_LED_OFF_L      = 0xFC
ALL_LED_OFF_H      = 0xFD

# Bits:
RESTART            = 0x80
SLEEP              = 0x10
ALLCALL            = 0x01
INVRT              = 0x10
OUTDRV             = 0x04


logger = logging.getLogger(__name__)



class PCA9685(object):
    """PCA9685 PWM LED/servo controller."""

    def __init__(self, address=PCA9685_ADDRESS, i2c=None, **kwargs):
        """Initialize the PCA9685."""
        # Setup I2C interface for the device.
        if i2c is None:
            import Adafruit_GPIO.I2C as I2C
            i2c = I2C
        self._device = i2c.get_i2c_device(address, **kwargs)
        self.set_all_pwm(0, 0)
        self._device.write8(MODE2, OUTDRV)
        self._device.write8(MODE1, ALLCALL)
        time.sleep(0.005)  # wait for oscillator
        mode1 = self._device.readU8(MODE1)
        mode1 = mode1 & ~SLEEP  # wake up (reset sleep)
        self._device.write8(MODE1, mode1)
        time.sleep(0.005)  # wait for oscillator

    def set_pwm_freq(self, freq_hz):
        """Set the PWM frequency to the provided value in hertz."""
        prescaleval = 25000000.0    # 25MHz
        prescaleval /= 4096.0       # 12-bit
        prescaleval /= float(freq_hz)
        prescaleval -= 1.0
        logger.debug('Setting PWM frequency to {0} Hz'.format(freq_hz))
        logger.debug('Estimated pre-scale: {0}'.format(prescaleval))
        prescale = int(math.floor(prescaleval + 0.5))
        logger.debug('Final pre-scale: {0}'.format(prescale))
        oldmode = self._device.readU8(MODE1);
        newmode = (oldmode & 0x7F) | 0x10    # sleep
        self._device.write8(MODE1, newmode)  # go to sleep
        self._device.write8(PRESCALE, prescale)
        self._device.write8(MODE1, oldmode)
        time.sleep(0.005)
        self._device.write8(MODE1, oldmode | 0x80)

    def set_pwm(self, channel, on, off):
        """Sets a single PWM channel."""
        self._device.write8(LED0_ON_L+4*channel, on & 0xFF)
        self._device.write8(LED0_ON_H+4*channel, on >> 8)
        self._device.write8(LED0_OFF_L+4*channel, off & 0xFF)
        self._device.write8(LED0_OFF_H+4*channel, off >> 8)

    def set_all_pwm(self, on, off):
        """Sets all PWM channels."""
        self._device.write8(ALL_LED_ON_L, on & 0xFF)
        self._device.write8(ALL_LED_ON_H, on >> 8)
        self._device.write8(ALL_LED_OFF_L, off & 0xFF)
        self._device.write8(ALL_LED_OFF_H, off >> 8)

一共这个舵机控制类就4个函数，init为初始化函数，set_pwm_freq设置频率，set_pwm控制单个舵机，set_all_pwm控制全部舵机。

7、实验代码与现象

（1）我手头没有多个舵机，先用多个LED流水灯做实验，多个舵机的实验代码我也放到最后，回头拿到机械臂之后，我再想办法连接到树莓派上面。因为这个PCA9685的输出最大电压为6.5V。机械臂上有的舵机电压可能要大于6.5V。（我回头要实验看下，这个9685能否给机械臂提供供电）

（2）我们这边要控制多个LED的灯光，可以多个灯不同时亮暗，采用多线程实现。

import pca9685
import time
import threading

Led_pwm = pca9685.PCA9685(busnum=1)
Led_pwm.set_pwm_freq(600)  # 设置频率为60HZ


def LED0_ctrl():
    for i in range(0,5000,10):
        Led_pwm.set_pwm(0,0,i)
        time.sleep(0.01)

def LED1_ctrl():
    for i in range(0,3000,10):
        Led_pwm.set_pwm(1,0,i)
        time.sleep(0.01)

def LED2_ctrl():
    for i in range(4000,0,-20):
        Led_pwm.set_pwm(2,0,i)
        time.sleep(0.03)
try:
    while True:
        t0=threading.Thread(target=LED0_ctrl)  # 多线程
        t1=threading.Thread(target=LED1_ctrl)
        t2=threading.Thread(target=LED2_ctrl)
        t0.start()   # 开启线程
        t1.start() 
        t2.start() 
        t0.join()
        t1.join()
        t2.join()
except KeyboardInterrupt:
    exit()

（3）Python有个专门的舵机旋转角度控制函数，我们安装这些库来调用。

# sudo pip install adafruit-circuitpython-pca9685
# sudo pip install adafruit-circuitpython-servokit

from adafruit_pca9685 import PCA9685
from board import SCL, SDA
import busio
from adafruit_motor import servo

i2c_bus = busio.I2C(SCL, SDA)
pwm = PCA9685(i2c_bus)                                     # 使用默认地址初始化PWM设备
pwm.frequency = 50                                         # 将频率设置为50 Hz
servo_12 = servo.Servo(pwm.channels[12])                   # 指定第12通道的舵机（从0开始）
servo_15 = servo.Servo(pwm.channels[15])                   # 指定第15通道的舵机

print('Moving servo on channel 0, press Ctrl-C to quit...')
servo_12.angle = 90
servo_15.angle = 90
while True:
    # 伺服电机转动最小角度和最大角度
    servo_12.angle = 0
    servo_15.angle = 0
    time.sleep(1)
    servo_12.angle = 180
    servo_15.angle = 180
    time.sleep(1)

可以接舵机试试，控制角度非常方便。