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使用PCA9685模块控制Arduino与STM32

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

文章目录

  • 前言
  • 一、PCA9685简介
  • 二、Arduino使用PCA9685
  • 1.硬件连接
  • 2.Adafruit库安装
  • 3.示例程序解析
  • 三、STM32使用PCA9685
  • 总结（程序代码下载）

    • 前言

    最近要用到PCA9685控制多路舵机，就买了一块PCA9685模块试验，刚开始参照淘宝店铺给的例程写代码，结果PCA9685完全没反应，经过几天的摸索终于搞明白PCA9685的用法，在这里给大家分享一下PCA9685的使用方法。

    提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

    一、PCA9685简介

    PCA9685是一个基于IIC通信的16路PWM输出模块，可以在单片机资源不足的情况下进行扩展使用。
    在使用PCA9685的时候需要注意以下几点：

    1.PCA9685的分辨率是12位，即占空比控制时，0-4096对应的占空比为0-100，在控制舵机的时候，控制信号是0.5ms-2.5ms，周期20ms，所以控制舵机角度不会有太高的分辨率，对舵机控制精度较高的地方不建议使用。

    2.PCA9685地址位和很多描述的不一样，根据芯片手册，地址位的寄存器一共8位，其中最高位固定是1，A0-A5这六位是用户可更改的，而其中最关键的一位是R/W位，这一位主要是决定了读还是写，置1时为读，置0时为写，所以我们在写程序的时候，PCA9685的地址应把R/W位加上，是0x80，而不是0x40，在写的时候，发送地址位是0x80，在读的时候，发送的地址位是0x81。
    PCA9685地址位

    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);		//在这里会将地址位的末位置1
	IIC_NAck();
	
	data = IIC_Read_Byte(0);
	
	IIC_Stop();
	
	return data;
	
}

    二、Arduino使用PCA9685

    Arduino使用PCA9685模块主要参考大佬的方法，链接如下：

    https://blog.csdn.net/u010841775/article/details/99701182

    1.硬件连接

    Arduino和PCA9685主要以IIC方式连接，接线顺序如下：
    Arduino PCA9685
    5V —–> VCC
    SDA —–> SDA
    SCL —–> SCL
    GND —–> GND
    根据模块的电路原理图，可以看到模块上芯片的供电VCC和舵机驱动引脚的供电5V是分开的，我们开发板的5V功率较小，无法带动多个舵机，我们可以通过5V接口外接供电电路。在试验的时候为了方便接线，我就直接把VCC和5V引脚用接线帽短接了。
    PCA9685原理图
    Arduino本身自带IIC接口，但不同的板子接口不一样，Arduino UNO的是A4和A5两个引脚，我用的MEGA2560，它的IIC引脚就不是A4和A5了。不过板子上右上角都明确标出来了。

    Arduino IIC引脚示意

    2.Adafruit库安装

    PC9685模块对应的库是由Adafruit提供的外部库。在打开Arduino IDE点击“项目–>加载库–>管理库”，在搜索框里输入：adafruit pwm，将该库安装即可。
    Adafruit库安装

    安装完成库之后，打开示例程序，程序中已经写好，可以直接编译下载。
    示例程序

    3.示例程序解析

    Arduino的示例程序里面主要有三个函数，下面一次对其进行解析：

    pwm.begin();

    pwm.begin()函数主要是对IIC引脚的初始化配置，在配置完成后对PCA9685进行重置，即在MODE1地址上写0x00。这一步很关键，如果没有这一步PCA9685就不会正常工作。

    void Adafruit_PWMServoDriver::begin(void) {
 WIRE.begin();
 reset();
}


void Adafruit_PWMServoDriver::reset(void) {
 write8(PCA9685_MODE1, 0x0);
}

    pwm.setPWMFreq(SERVO_FREQ);  // Analog servos run at ~50 Hz updates

    pwm.setPWMFreq(SERVO_FREQ)函数主要是设置PCA9685的输出频率，PCA9685的16路PWM输出频率是一致的，所以是不能实现不同引脚不同频率的。下面是setPWMFreq函数的内容，主要是根据频率计算PRE_SCALE的值。

    void Adafruit_PWMServoDriver::setPWMFreq(float freq) {
  //Serial.print("Attempting to set freq ");
  //Serial.println(freq);
  freq *= 0.9;  // Correct for overshoot in the frequency setting (see issue #11).
  float prescaleval = 25000000;
  prescaleval /= 4096;
  prescaleval /= freq;
  prescaleval -= 1;

  uint8_t oldmode = read8(PCA9685_MODE1);
  uint8_t newmode = (oldmode&0x7F) | 0x10; // sleep
  write8(PCA9685_MODE1, newmode); // go to sleep
  write8(PCA9685_PRESCALE, prescale); // set the prescaler
  write8(PCA9685_MODE1, oldmode);
  delay(5);
  write8(PCA9685_MODE1, oldmode | 0xa1);  //  This sets the MODE1 register to turn on auto increment.
                                          // This is why the beginTransmission below was not working.
  //  Serial.print("Mode now 0x"); Serial.println(read8(PCA9685_MODE1), HEX);
}

    通过逻辑分析仪对其信号进行了解析，方便后续STM32程序的编写。
    设置频率

    设置频率

    pwm.setPWM(pwmnum, on, off );

    pwm.setPWM(pwmnum, on, off )函数主要是对输出PWM占空比的调节。通常on都设为0，改变off即可。因为PCA9685是12位分辨率，所以off的值0~4096就代表了占空比0-100.

    void Adafruit_PWMServoDriver::setPWM(uint8_t num, uint16_t on, uint16_t off) {
  //Serial.print("Setting PWM "); Serial.print(num); Serial.print(": "); Serial.print(on); Serial.print("->"); Serial.println(off);

  WIRE.beginTransmission(_i2caddr);
  WIRE.write(LED0_ON_L+4*num);
  WIRE.write(on);
  WIRE.write(on>>8);
  WIRE.write(off);
  WIRE.write(off>>8);
  WIRE.endTransmission();
}

    设置占空比

    三、STM32使用PCA9685

    STM32使用PCA9685需要自己写的内容就比较多了，IIC通讯的程序我采用的是正点原子的bsp。IIC通讯的板级支持包内容如下（注释乱码，凑合看看，文末有Gitee链接）：
    myiic.h文件：

    #ifndef __MYIIC_H
#define __MYIIC_H
#include "sys.h"
	   		   
//IO·½ÏòÉèÖÃ
#define SDA_IN()  {GPIOA->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOA->CRH|=8<<12;}
#define SDA_OUT() {GPIOA->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOA->CRH|=3<<12;}

//IO²Ù×÷º¯Êý	 
#define IIC_SCL    PAout(12) //SCL
#define IIC_SDA    PAout(11) //SDA	 
#define READ_SDA   PAin(11)  //ÊäÈëSDA 

//IICËùÓвÙ×÷º¯Êý
void IIC_Init(void);                //³õʼ»¯IICµÄIO¿Ú				 
void IIC_Start(void);				//·¢ËÍIIC¿ªÊ¼ÐźÅ
void IIC_Stop(void);	  			//·¢ËÍIICÍ£Ö¹ÐźÅ
void IIC_Send_Byte(u8 txd);			//IIC·¢ËÍÒ»¸ö×Ö½Ú
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack);//IIC¶ÁÈ¡Ò»¸ö×Ö½Ú
u8 IIC_Wait_Ack(void); 				//IICµÈ´ýACKÐźÅ
void IIC_Ack(void);					//IIC·¢ËÍACKÐźÅ
void IIC_NAck(void);				//IIC²»·¢ËÍACKÐźÅ

void IIC_Write_One_Byte(u8 daddr,u8 addr,u8 data);
u8 IIC_Read_One_Byte(u8 daddr,u8 addr);	  
#endif

    myiic.c文件

    #include "myiic.h"
#include "delay.h"

//³õʼ»¯IIC
void IIC_Init(void)
{					     
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	//RCC->APB2ENR|=1<<4;//ÏÈʹÄÜÍâÉèIO PORTCʱÖÓ 
	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );	
	   
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;   //ÍÆÍìÊä³ö
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
 
	IIC_SCL=1;
	IIC_SDA=1;

}
//²úÉúIICÆðʼÐźÅ
void IIC_Start(void)
{
	SDA_OUT();     //sdaÏßÊä³ö
	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;//ǯסI2C×ÜÏߣ¬×¼±¸·¢ËÍ»ò½ÓÊÕÊý¾Ý 
}	  
//²úÉúIICÍ£Ö¹ÐźÅ
void IIC_Stop(void)
{
	SDA_OUT();//sdaÏßÊä³ö
	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;//·¢ËÍI2C×ÜÏß½áÊøÐźÅ
	delay_us(4);							   	
}
//µÈ´ýÓ¦´ðÐźŵ½À´
//·µ»ØÖµ£º1£¬½ÓÊÕÓ¦´ðʧ°Ü
//        0£¬½ÓÊÕÓ¦´ð³É¹¦
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
	u8 ucErrTime=0;
	SDA_IN();      //SDAÉèÖÃΪÊäÈë  
	IIC_SDA=1;delay_us(2);	   
	IIC_SCL=1;delay_us(2);	 
	while(READ_SDA)
	{
		ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{
			IIC_Stop();
			return 1;
		}
	}
	IIC_SCL=0;//ʱÖÓÊä³ö0 	   
	return 0;  
} 
//²úÉúACKÓ¦´ð
void IIC_Ack(void)
{
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=0;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}
//²»²úÉúACKÓ¦´ð		    
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·¢ËÍÒ»¸ö×Ö½Ú
//·µ»Ø´Ó»úÓÐÎÞÓ¦´ð
//1£¬ÓÐÓ¦´ð
//0£¬ÎÞÓ¦´ð			  
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
	SDA_OUT(); 	    
    IIC_SCL=0;//À­µÍʱÖÓ¿ªÊ¼Êý¾Ý´«Êä
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
        txd<<=1; 	  
		delay_us(2);   //¶ÔTEA5767ÕâÈý¸öÑÓʱ¶¼ÊDZØÐëµÄ
		IIC_SCL=1;
		delay_us(2); 
		IIC_SCL=0;	
		delay_us(2);
    }	 
} 	    
//¶Á1¸ö×Ö½Ú£¬ack=1ʱ£¬·¢ËÍACK£¬ack=0£¬·¢ËÍnACK   
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
	unsigned char i,receive=0;
	SDA_IN();//SDAÉèÖÃΪÊäÈë
    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();//·¢ËÍnACK
    else
        IIC_Ack(); //·¢ËÍACK   
    return receive;
}

    有了IIC的板级支持包，还需要自己写PCA9685的驱动程序，主要程序如下：
    PCA9685.h文件：

    #include "stm32f10x.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,u8 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,u8 angle);

    PCA9685.c文件：

    #include "bsp_PCA9685.h"
#include "myiic.h"
#include "delay.h"
#include <math.h>

void PCA9685_Init(float hz,u8 angle)
{
	u32 off = 0;
	IIC_Init();
	PCA9685_Write(PCA_Model,0x00);
	PCA9685_setFreq(hz);
	off = (u32)(145+angle*2.4);
	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 *= 0.92;
	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,u8 angle)
{
	u32 off = 0;
	off = (u32)(158+angle*2.2);
	PCA9685_setPWM(num,0,off);
}

    main()函数相对就简单了：

    #include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "bsp_PCA9685.h"


 int main(void)
 {	
	delay_init();
	PCA9685_Init(60,180);
	while(1)
	{
		PCA9685_setPWM(0,0,2048);
		delay_ms(500);
	}
 }

    总结（程序代码下载）

    STM32的程序我放在Gitee上了，大家可以去下载。

    https://gitee.com/qi-zezhong/pca9685-stm32

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