代码收藏家 使用STM32驱动PCA9685实现16路舵机控制
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PCA9685接线：
PCA9685简介：
PCA9685地址位寄存器：
MODE1寄存器，地址0x00，可读、可写：
寄存器地址：
PCA9685代码注解：
1.PCA9685数据写入：
2.PCA9685数据读取：
3.PCA9685的频率设置：
4.PCA9685的PWM设置：
舵机转动角度置换：
PCA9685驱动代码：
main.c程序：
IIC驱动：（正点原子IIC实验代码）
IIC.c文件
IIC.h文件
PCA9685.c配置：
PCA9685.h配置：
PCA9685接线：
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 指代 | GND | OE（模块使能端口） | SCL | SDA | VCC | V+ | 电源输入端口 | PCA9685 | pwm通道编号 | 舵机接口 |
OE使能端口：低电平使能，内部已经拉低，可以不用接线。
SCL和SDA端口：IIC接口。
V+端口：如果使用少量舵机（两三个舵机），可以通过V+接入电源。（Max电压：6V）
电源输入端口：如果使用多个舵机（五六个舵机），或者大扭矩舵机，最好使用电源输入端口单独
供电不要使用V+端口供电。（Max电压：6V）
PCA9685简介：
PCA9685 是一种常用的 PWM（脉冲宽度调制）驱动器芯片，通常用于控制舵机、电机和其他需要精确控制的设备。该芯片可以通过 I2C 总线与微控制器或单片机通信，以实现对多路 PWM 信号的生成和控制。
16 路 PWM 输出：PCA9685 可以同时控制最多 16 路 PWM 输出，每路输出的占空比都可以独立设置，但是16路PWM频率一样。
12 位分辨率：PCA9685 提供了 12 位分辨率的 PWM 输出，可以实现精细的输出控制。
内部振荡器：芯片内部集成了振荡器，可以产生稳定25MHz的时钟信号，无需外部晶振。
可编程频率：可以通过配置寄存器来设置 PWM 输出的频率，范围从 24 Hz 到 1526 Hz。
I2C 接口：使用标准的 I2C 串行总线接口与主控设备通信，方便集成到各种微控制器系统中。
输出驱动能力：每路 PWM 输出都具有较强的驱动能力，可以直接驱动舵机或者其他负载。
PCA9685地址位寄存器：
地址位的寄存器一共8位，通过地址寄存器来设置芯片的I2C地址。
| 位7 | 位6 | 位5 | 位4 | 位3 | 位2 | 位1 | 位0 |
| 1 | A5 | A4 | A3 | A2 | A1 | A0 | R/W |
| 固定值 “ 1 ” | 可定义 | 可定义 | 可定义 | 可定义 | 可定义 | 可定义 | 读/写控制 |
往PCA9685写程序的时候，发送的地址位是0x80，bit[7~0]：1000 0000 位0置“ 0 ” 表示写入；
读程序的时候，发送的地址位是0x81，bit[7~0]：1000 0001 位0置“ 1 ” 表示读取；
MODE1寄存器，地址0x00，可读、可写：
寄存器地址：
照片引用地址：PCA9685–16路 PWM模块舵机驱动板–STM32 IIC接口模块 (baidu.com)
PCA9685代码注解：
1.PCA9685数据写入：
void PCA9685_Write(u8 addr,u8 data) // addr 表示要写入数据的寄存器地址，data 表示要写入的数据
{
IIC_Start(); // 发送 I2C 起始信号，开始 I2C 通信。
IIC_Send_Byte(PCA_Addr); // 发送 PCA_Addr = 0x80 ，告诉设备我们要写入数据
IIC_NAck(); // 发送不应答信号，表示主控器不需要从设备接收更多数据。
IIC_Send_Byte(addr); // 发送要写入数据的寄存器地址。
IIC_NAck(); // 发送不应答信号。
IIC_Send_Byte(data); // 发送要写入的数据。
IIC_NAck(); // 发送不应答信号。
IIC_Stop(); // 发送 I2C 停止信号，结束本次通信。
}2.PCA9685数据读取：
u8 PCA9685_Read(u8 addr) // addr 表示要读取数据的寄存器地址
{
u8 data; // 声明一个无符号 8 位整数变量 data，用于存储读取到的数据。
IIC_Start(); // 发送 I2C 起始信号，开始 I2C 通信。
IIC_Send_Byte(PCA_Addr); // 发送 PCA_Addr = 0x80 ，告诉设备我们要写入数据
IIC_NAck(); // 发送不应答信号，表示主控器不需要从设备接收更多数据。
IIC_Send_Byte(addr); // 发送要读取数据的寄存器地址。
IIC_NAck(); // 发送不应答信号。
IIC_Stop(); // 发送 I2C 停止信号，结束本次通信。
delay_us(10); // 延时 10 微秒，等待芯片准备好数据。
IIC_Start(); // 发送 I2C 起始信号，开始另一次 I2C 通信。
IIC_Send_Byte(PCA_Addr|0x01); // 发送 PCA9685 的地址，并设置最低位为 1，
// PCA_Addr|0x01 = 0x81 表示要进行读取操作。
IIC_NAck(); // 发送不应答信号。
data = IIC_Read_Byte(0); // 通过 I2C 从 PCA9685 读取一个字节的数据，并存储到变量 data 中。
IIC_Stop(); // 发送 I2C 停止信号，结束本次通信。
return data; // 返回读取到的数据。
}3.PCA9685的频率设置：
void PCA9685_setFreq(float freq)
{
u8 prescale,oldmode,newmode; //定义了三个无符号 8 位整型变量 用于存储预分频器值、旧的模式寄存器值和新的模式寄存器值
double prescaleval; //定义了一个双精度浮点型变量 prescaleval，用于计算预分频器的值。
freq *= 0.98; //将传入的频率值乘以 0.98，这是为了微调频率值以适应 PCA9685 的实际需求
prescaleval = 25000000; //这是 PCA9685 内部振荡器的频率
prescaleval /= 4096; //每个周期从0计数到4095，除以 4096，得到每个计数器周期的时间，
prescaleval /= freq; //除以所需的频率值，得到预分频器的值。
prescaleval -= 1; //减去 1，得到最终的预分频器值
prescale = floor(prescaleval+0.5f); //将计算得到的预分频器值四舍五入取整，并将其赋值给 prescale 变量。
oldmode = PCA9685_Read(PCA_Model); //通过调用 PCA9685_Read 函数读取当前 PCA9685 寄存器中的模式值，并将其存储在 oldmode 变量中。
newmode = (oldmode&0x7F)|0x10; //根据旧的模式值计算出新的模式值，将最高位清零（bit 7）并将第 5 位设为1（bit 4），表示将 PCA9685 设置为睡眠模式。
PCA9685_Write(PCA_Model,newmode); //将新的模式值写入 PCA9685 的模式寄存器。
PCA9685_Write(PCA_Pre,prescale); //将计算得到的预分频器值写入 PCA9685 的预分频器寄存器。
PCA9685_Write(PCA_Model,oldmode); //恢复旧的模式值。
delay_ms(5); // 延时 5 毫秒，等待 PCA9685 完全启动。
PCA9685_Write(PCA_Model,oldmode|0xa1); //将模式值的最高位和第 1 位设为1，表示将 PCA9685 设置为正常工作模式。
}
理论计算（预分配值）：prescaleval = （ 25000000 / 4096 / 50 ）- 1 = 121 .0703125
实际计算（预分配值）：prescaleval = （ 25000000 / 4096 / 50 *0.98）- 1 = 118.62890625
double prescaleval; //定义了一个双精度浮点型变量 prescaleval，用于计算预分频器的值。
freq *= 0.98; //将传入的频率值乘以 0.98，这是为了微调频率值以适应 PCA9685 的实际需求
prescaleval = 25000000; //这是 PCA9685 内部振荡器的频率
prescaleval /= 4096; //每个周期从0计数到4095，除以 4096，得到每个计数器周期的时间，
prescaleval /= freq; //除以所需的频率值，得到预分频器的值。
prescaleval -= 1; //减去 1，得到最终的预分频器值
内部振荡器的精度限制，设置预分频器值时无法完全达到所需的输出频率，将传入的频率值freq 乘以0.98，是为了微调频率值，以弥补 PCA9685 内部振荡器的偏差，使最终输出的频率更接近预期值。（0.98是经验值，实际使用中可自行调整）
freq *= 0.98; //将传入的频率值乘以 0.98，这是为了微调频率值以适应 PCA9685 的实际需求对预分频值prescaleval，进行四舍五入。
例如prescaleval=118.3，则 prescale = floor(prescaleval+0.5f); = floor（118.3+0.5）=118
prescaleval=118.8，则 prescale = floor(prescaleval+0.5f); = floor（118.8+0.5）=119
prescaleval+0.5f 是为了模拟四舍五入的效果
floor () 函数对浮点数进行向下取整操作，返回不大于该浮点数的最大整数部分。
prescale = floor(prescaleval+0.5f); //将计算得到的预分频器值四舍五入取整，并将其赋值给 prescale 变量。oldmode = PCA9685_Read(PCA_Model); //通过调用 PCA9685_Read 函数读取当前 PCA9685 寄存器中的模式值，并将其存储在 oldmode 变量中。
newmode = (oldmode&0x7F)|0x10; //根据旧的模式值计算出新的模式值，将最高位清零（bit 7）并将第 5 位设为1（bit 4），表示将 PCA9685 设置为睡眠模式。
PCA9685_Write(PCA_Model,newmode); //将新的模式值写入 PCA9685 的模式寄存器。
PCA9685_Write(PCA_Pre,prescale); //将计算得到的预分频器值写入 PCA9685 的预分频器寄存器。PCA_Pre = 0xFE
PCA9685_Write(PCA_Model,oldmode); //恢复旧的模式值。
delay_ms(5); // 延时 5 毫秒，等待 PCA9685 完全启动。
PCA9685_Write(PCA_Model,oldmode|0xa1); //将模式值的最高位和第 1 位设为1，表示将 PCA9685 设置为正常工作模式。
4.PCA9685的PWM设置：
void PCA9685_setPWM(u8 num,u32 on,u32 off) //num 表示 PWM 通道号，on 表示 PWM 的起始位置，off 表示 PWM 的结束位置（即从高电平切换到低电平的时刻）
{
IIC_Start(); //发送 I2C 起始信号，开始 I2C 通信。
IIC_Send_Byte(PCA_Addr); //发送 PCA9685 的地址，告诉设备我们要和 PCA9685 进行通信。
IIC_Wait_Ack(); //等待应答信号，确保设备准备好接收数据。
IIC_Send_Byte(LED0_ON_L+4*num); //发送 LED 寄存器的地址，根据 PWM 通道号计算出相应的寄存器地址。
IIC_Wait_Ack(); //
IIC_Send_Byte(on&0xFF); //发送 PWM 的起始位置低 8 位。
IIC_Wait_Ack(); //等待应答信号。
IIC_Send_Byte(on>>8); //发送 PWM 的起始位置高 8 位。
IIC_Wait_Ack(); //等待应答信号。
IIC_Send_Byte(off&0xFF); //发送 PWM 的结束位置低 8 位。
IIC_Wait_Ack(); //等待应答信号。
IIC_Send_Byte(off>>8); //发送 PWM 的结束位置高 8 位。
IIC_Wait_Ack(); //等待应答信号。
IIC_Stop(); //发送 I2C 停止信号，结束本次通信。
}void PCA9685_setPWM(u8 num,u32 on,u32 off)函数传入：通道编号“ num”、“ on ”的值，“ off ”的值
当PCA9685的12位计数ACK，与“ on ”值进行比较，等于“ on ”值输出高电平
与“ off ”值进行比较，等于“ off ”值输出低电平
每路 PWM 有 4 个 8 位控制寄存器， LEDX_ON_L、LEDX_ON_H、LEDX_OFF_L、LEDX_OFF_H 四个寄存器。
通道0的LED0_ON_L：0x06，LED0_ON_H：0x07，LED0_OFF_L：0x08，LED0_OFF：0x09
所以输出通道的起始地址为：0x06+4*X （X为通道号）
舵机转动角度置换：
可以先了解一下：舵机驱动原理
PCA9685，每个周期都是从0计数到4095；设置 “ on ” = 0 ， “ off ” = ？
| 脉冲宽度 | on | off |
| 0.5ms | 0 | 0.5/20*4096=102.4 |
| 1.5ms | 0 | 1.5/20*4096=307.2 |
| 2.5ms | 0 | 2.5/20*4096=512 |
取0.5ms时，off=102 ； 2.5ms时，off=512
| 舵机类型 | 每转动“ 1 ”度，计数个数 |
| 90 | 410/90 = 4.56 |
| 180 | 410/180 = 2.28 |
| 270 | 410/270 = 1.52 |
| 360 | 410/270 = 1.14 |
个人觉得转化为角度，驱动舵机转动偏差较大，所以直接输入“ off ”值控制舵机转动就好；
因为PCA9685精准度有限，所以理论计算出的的数值与实际存在一定偏差。
所以void setAngle(u8 num,u16 angle)函数和void PCA9685_Init(float hz,u16 angle)函数
根据个人意愿修改参数。
void setAngle(u8 num,u16 angle)
{
u32 off = 0;
off = (u32)(103+angle*1.13); //360度舵机，每转动一度=1.14 0.5ms -180度起始位置：103
PCA9685_setPWM(num,0,angle);
}
void PCA9685_Init(float hz,u16 angle)
{
u32 off = 0;
IIC_Init();
PCA9685_Write(PCA_Model,0x00);
PCA9685_setFreq(hz);
off = (u32)(103+angle*1.14); //360度舵机，每转动一度=1.14 0.5ms -180度起始位置：103
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_ms(100);
}PCA9685驱动代码：
main.c程序：
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "myiic.h"
#include "PCA9685.h"
int main(void)
{
delay_init(168); //初始化延时函数
PCA9685_Init(50,360);
while(1)
{
setAngle(4,210); // 输入pwm通道号、舵机转动角度
delay_ms(500); //添加延时，确定舵机运动到指定位置
setAngle(4,120); // 输入pwm通道号、舵机转动角度
delay_ms(500); //添加延时，确定舵机运动到指定位置
}IIC驱动：（正点原子IIC实验代码）
IIC.c文件
#include "myiic.h"
#include "delay.h"
//初始化IIC
void IIC_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能GPIOB时钟
//GPIOB8,B9初始化设置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=1;
}
//产生IIC起始信号
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT(); //sda线输出
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low
delay_us(4);
IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
}
//产生IIC停止信号
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();//sda线输出
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
delay_us(4);
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
delay_us(4);
}
//等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
// 0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 ucErrTime=0;
SDA_IN(); //SDA设置为输入
IIC_SDA=1;delay_us(1);
IIC_SCL=1;delay_us(1);
while(READ_SDA)
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;//时钟输出0
return 0;
}
//产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//不产生ACK应答
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
u8 t;
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
for(t=0;t<8;t++)
{
IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
txd<<=1;
delay_us(2); //对TEA5767这三个延时都是必须的
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
}
}
//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDA设置为输入
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
receive<<=1;
if(READ_SDA)receive++;
delay_us(1);
}
if (!ack)
IIC_NAck();//发送nACK
else
IIC_Ack(); //发送ACK
return receive;
}
IIC.h文件
#ifndef __MYIIC_H
#define __MYIIC_H
#include "sys.h"
//IO方向设置
#define SDA_IN() {GPIOB->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOB->MODER|=0<<9*2;} //PB9输入模式
#define SDA_OUT() {GPIOB->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOB->MODER|=1<<9*2;} //PB9输出模式
//IO操作函数
#define IIC_SCL PBout(8) //SCL
#define IIC_SDA PBout(9) //SDA
#define READ_SDA PBin(9) //输入SDA
//IIC所有操作函数
void IIC_Init(void); //初始化IIC的IO口
void IIC_Start(void); //发送IIC开始信号
void IIC_Stop(void); //发送IIC停止信号
void IIC_Send_Byte(u8 txd); //IIC发送一个字节
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack);//IIC读取一个字节
u8 IIC_Wait_Ack(void); //IIC等待ACK信号
void IIC_Ack(void); //IIC发送ACK信号
void IIC_NAck(void); //IIC不发送ACK信号
void IIC_Write_One_Byte(u8 daddr,u8 addr,u8 data);
u8 IIC_Read_One_Byte(u8 daddr,u8 addr);
#endifPCA9685.c配置：
（代码引用于GItcode开源社区）
PCA9685模块使用（Arduino和STM32）_stm32_阿中廋不了-GitCode 开源社区 (csdn.net)
#include "PCA9685.h"
#include "myiic.h"
#include "delay.h"
#include <math.h>
#include "led.h"
#include "usart.h"
void PCA9685_Init(float hz,u16 angle)
{
u32 off = 0;
IIC_Init();
PCA9685_Write(PCA_Model,0x00);
PCA9685_setFreq(hz);
off = (u32)(103+angle*1.14); //360度舵机，每转动一度=1.14 0度起始位置：103
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_ms(100);
}
void PCA9685_Write(u8 addr,u8 data)
{
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(PCA_Addr);
IIC_NAck();
IIC_Send_Byte(addr);
IIC_NAck();
IIC_Send_Byte(data);
IIC_NAck();
IIC_Stop();
}
u8 PCA9685_Read(u8 addr)
{
u8 data;
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(PCA_Addr);
IIC_NAck();
IIC_Send_Byte(addr);
IIC_NAck();
IIC_Stop();
delay_us(10);
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(PCA_Addr|0x01);
IIC_NAck();
data = IIC_Read_Byte(0);
IIC_Stop();
return data;
}
void PCA9685_setPWM(u8 num,u32 on,u32 off)
{
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(PCA_Addr);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(LED0_ON_L+4*num);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(on&0xFF);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(on>>8);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(off&0xFF);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(off>>8);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Stop();
}
void PCA9685_setFreq(float freq)
{
u8 prescale,oldmode,newmode;
double prescaleval;
freq *= 0.98;
prescaleval = 25000000;
prescaleval /= 4096;
prescaleval /= freq;
prescaleval -= 1;
prescale = floor(prescaleval+0.5f);
oldmode = PCA9685_Read(PCA_Model);
newmode = (oldmode&0x7F)|0x10;
PCA9685_Write(PCA_Model,newmode);
PCA9685_Write(PCA_Pre,prescale);
PCA9685_Write(PCA_Model,oldmode);
delay_ms(5);
PCA9685_Write(PCA_Model,oldmode|0xa1);
}
void setAngle(u8 num,u16 angle)
{
u32 off = 0;
off = (u32)(103+angle*1.13); //360度舵机，每转动一度=1.14 0度起始位置：103
PCA9685_setPWM(num,0,angle);
}
PCA9685.h配置：
#ifndef __PCA9685_H
#define __PCA9685_H
#include "sys.h"
#define PCA_Addr 0x80
#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
void PCA9685_Init(float hz,u16 angle);
void PCA9685_Write(u8 addr,u8 data);
u8 PCA9685_Read(u8 addr);
void PCA9685_setPWM(u8 num,u32 on,u32 off);
void PCA9685_setFreq(float freq);
void setAngle(u8 num,u16 angle);
#endif
作者：peinCK
