PCA9685的使用及RT-Thread PCA9685驱动组件详解

JetBot 小车使用的电机驱动模块上用了 PCA9685 扩展 I/O ，一边与主控通过 I2C 总线通信，另一边连接 TB6612 马达驱动芯片。

本篇 Sugar 就来有根有据地说一说 PCA9685 的使用，以及 RT-Thread PCA9685 驱动组件。

硬件特点

1、每路 12 位分辨率（4096 级）的 PWM;

2、最多 16 路 PWM 输出，所有路 PWM 频率统一，每路占空比可以独立控制；

3、I2C 通信方式；

4、支持 2.3V~5.5V 电压，逻辑电平 3.3V；

5、复位方式：上电复位、软件复位。

用于舵机控制的 PWM

一、明确控制信号

1、用于舵机控制的 PWM 频率是 50Hz（周期 20000us）

2、对于 12 位分辨率而言，时间控制精度（即：时间分辨率）就是

3、舵机的控制脉宽是0.5ms ~ 2.5ms，时间伸缩范围是 2000us

4、伸缩范围在 4.88us 时间分辨率下可以分成近 410 份。

5、时间伸缩范围 2000us 对应舵机转动范围 0~180 度，因此舵机的角度分辨率约为 0.439 度

二、在 PCA9685 手册里查芯片用法

1、芯片长什么样

2、引脚功能

3、I2C 地址

地址引脚由 A0 ~ A5 组成，因此最多可以有 64 个地址。由于芯片本身保留 All Call 7 位地址 0xE0 以及 Software Reset 7位地址 0x06，所以有 62 个地址可用。

在默认情况下（即：A0 ~ A5 全部接地），其 7 位地址为 0x40。

4、目标寄存器

（1） MODE1 寄存器，地址0x00，可读、可写。

（2） MODE2 寄存器，地址0x01，可读、可写。

（3） 每路 PWM 有 4 个 8 位控制寄存器，地址见 datasheet，可读、可写。

4 个 8 位寄存器在手册上说成：2 路 12 位寄存器。2 个 12 位寄存器分别控制该路输出的高、低电平时间，最大数值是 4095。

根据下面的 Example 1 不难了解到这 2 个 12 位寄存器的意思是：每个周期从第几个 count 开始置 1，则 LEDx_ON 寄存器写几（十六进制形式）；每个周期从第几个 count 开始清 0，则 LEDx_OFF 寄存器写几。

下图的 4 个 example 表示了一般情况下 2 个 12 位寄存器设置情况与输出的关系。

下图的 4 个 example 表示了 ON 寄存器值 《 OFF 寄存器值情况下的输出。

下图的 4 个 example 表示了 ON 寄存器值 》 OFF 寄存器值情况下的输出。

（4） PWM 频率设置寄存器 PRE_SCALE，地址0xFE，可读、可写。

芯片内置 25MHz 的晶振，update_rate 是以 Hz 为单位的频率值。因此，对于 50Hz 的 PWM 来讲此寄存器应设置为 121。

RT-Thread 的 PCA9685 驱动组件

硬件连接如上图，Sugar 使用了最常见的 PCA9658 舵机控制模块，接上逻辑分析仪看数据。

一、第 1 段

展开第一段通信内容，如下图：

上图黄色框中“向 40 号地址写两个 0 ”的意思是：向地址为 40 的设备地址为 0 的寄存器写入数据 0。

相应的，后面蓝色框就解读为：读取地址为 40 的设备地址为 0 的寄存器值，设备反回目标寄存器里的数据值为 0。

下面到代码里去找这段通信的相关内容，如下：

二、第 2 段

根据 PCA9685 的 datasheet 所述，设置 PWM 输出频率的时候要先进入 SLEEP 模式。并且从 SLEEP 模式重启的流程是在 datasheet 里指定的。

在 RT-Thread 的 PCA9685 的组件包里，把设置频率相关的一干操作都封装到了一个函数 pca9685_set_pwm_freq（） 里面。

三、第 3 段

上面已经把研究方法说透了，这里就不再把逻辑分析仪的图放上来了。通过对代码的分析，Sugar 发现 RT-Thread 这个 PCA9685 的驱动组件包传承了 RT-Thread 本身小而美的特点，按照 PCA9685 的 datasheet 封装函数，这样使得对 PCA9685 的了解容易很多。

以 Arduino “以使用方便”为目的不同，PCA9685 组件包倾向于真正让人弄懂 PCA9685 的用法。在懂了之后，个人就有能力自己“以使用方便”为目的再次做一遍封装。很多玩过 Arduino 的人都觉得做起来真简单，离了 Arduino 的环境真不会。

Arduino 面对的是小白，以方便体验为主，而 RT-Thread 和其一众组件能够让人真正了解深层次的本源，搞懂这些能让人在成为高手的路上走得更轻松。当成为高手之后，再回头看 Arduino 才能体会到 Arduino 封装的真正智慧。