基于I2C通信的PCA9685在舵機(jī)控制中的應(yīng)用

李強(qiáng) 霍淑珍 鄭偉

摘 要：文章采用I2C總線通信方式，將PCA9685LED控制芯片應(yīng)用在舵機(jī)控制中。PCA9685接收主控芯片的指令，通過輸出PWM脈沖信號(hào)的方式用以控制最多不超過16路舵機(jī)或其他輸出通道，最終實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)控制的功能。

關(guān)鍵詞：I2C總線；PCA9685；PWM；舵機(jī)控制

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）28-0173-02

Abstract： In this paper， the I2C bus communication mode is adopted， and the PCA9685LED control chip is applied to the control of the steering gear. The PCA9685 receives the instruction of the main control chip and uses the way of outputting the PWM pulse signal to control the steering gear up to 16 channels or other output channels， and finally realizes the control function of the servo gear.

Keywords： I2C bus； PCA9685； PWM； servo control

在自駕儀中，舵機(jī)是決定飛機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)角度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般的無(wú)人機(jī)需要四個(gè)舵機(jī)用于控制無(wú)人機(jī)的俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)，通常由PWM信號(hào)進(jìn)行控制[1]。PCA9685是一款用于產(chǎn)生16路PWM信號(hào)的LED控制芯片，采用I2C總線與主控芯片進(jìn)行通信[2]。由于PCA9685具有可以產(chǎn)生16路PWM脈沖、控制獨(dú)立精準(zhǔn)、編程簡(jiǎn)單靈活等特點(diǎn)，以其為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的舵機(jī)控制能夠有限減少硬件和軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，具有高可靠性[3-4]。

1 I2C總線協(xié)議

自駕儀的主控芯片一般具有多種資源與傳感器或其他外設(shè)進(jìn)行通信，包括串口、I2C、SPI、QSPI等。I2C總線具有簡(jiǎn)單、有效的特點(diǎn)，能夠有效減少芯片管腳和線路連接的數(shù)量，本文介紹的PCA9685舵機(jī)控制器就是采用I2C與主控芯片進(jìn)行通信的[5]。

I2C總線是由Philips公司開發(fā)的，是一種簡(jiǎn)單的雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。

I2C總線一般由兩根數(shù)據(jù)傳輸線構(gòu)成：一根時(shí)鐘線（SCL）、一根數(shù)據(jù)線（SDA）。I2C總線協(xié)議一般要求每次發(fā)送字節(jié)的長(zhǎng)度必須為8位，每次通信由主機(jī)、從機(jī)兩端完成。整個(gè)通信過程如圖1所示[6]。

I2C寫操作流程為：

（1）主機(jī)發(fā)起開始信號(hào)；

（2）主機(jī)發(fā)送I2C地址（7位）和寫操作0（1位），等待確認(rèn)；

（3）從機(jī)發(fā)送確認(rèn)；

（4）主機(jī)發(fā)送寄存器地址（8位），等待確認(rèn)；

（5）從機(jī)發(fā)送確認(rèn)；

（6）主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（8位），即要向寄存器中寫入的數(shù)據(jù)，等待確認(rèn)；從機(jī)發(fā)送確認(rèn)；

（7）主機(jī)發(fā)起停止。

I2C讀操作流程為：

（1）主機(jī)發(fā)送I2C地址（7位）和寫操作0（1位），等待確認(rèn)；

（2）從機(jī)發(fā)送確認(rèn)；主機(jī)發(fā)送寄存器地址（8位），等待確認(rèn)；

（3）主機(jī)發(fā)送開始；主機(jī)發(fā)送I2C地址（7位）和讀操作（1位），等待確認(rèn)；

（4）從機(jī)發(fā)送確認(rèn)；從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（8位）。

（5）主機(jī)發(fā)送確認(rèn)。

從以上分析可以看出，I2C總線通信只需要兩根線（SCL和SDA），可并聯(lián)多個(gè)外設(shè)使用，通過每個(gè)外設(shè)的I2C地址區(qū)分不同外設(shè)。從機(jī)的I2C地址最低位代表讀（1）或?qū)懀?）操作。

2 PCA9685的用途及特點(diǎn)

PCA9685是一款基于I2C總線控制的16路LED背光調(diào)節(jié)控制芯片。每一路LED輸出端均可自由調(diào)節(jié)PWM波的頻率（40～1000Hz）和占空比（0%～100%）。這款芯片主要通過輸出不同占空比的PWM脈沖信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，其主要特點(diǎn)如下[7]：

（1）PCA9685可編程調(diào)節(jié)16路PMW脈沖的占空比以及高電平到來(lái)的時(shí)刻，分辨率為12位（4096）。

（2）在快速模式下I2C總線的速率可以達(dá)到1MHz，此外SDA端口30mA的驅(qū)動(dòng)能力可以在高總線負(fù)荷上使用。

（3）PCA9685的PWM脈沖輸出頻率范圍為40～1000Hz，它內(nèi)置的25MHz振蕩器和外部時(shí)鐘可以選擇使用。

（4）PCA9685的硬件地址被設(shè)計(jì)為6位，這樣在同一個(gè)I2C總線上可以連接62個(gè)同一芯片；每個(gè)芯片有4個(gè)基于I2C總線的軟件可編程地址，并且任一芯片可以被同時(shí)或單獨(dú)尋址。

（5）PCA9685的電壓工作范圍為2.3～5.5V，使用溫度為-40℃～+85℃。

3 PCA9685舵機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)

通常PCA9685與舵機(jī)連接需要三根線，分別是電源線、控制線和地線，其中控制線是PWM脈沖的輸出端，電源線和地線為舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)供電。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和控制線PWM脈沖的寬度（占空比）成正比，1ms對(duì)應(yīng)0°，2ms對(duì)應(yīng)180°，并且脈寬在1～2ms之間變化時(shí)，舵機(jī)角度從0°～180°線性增長(zhǎng)。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制，需要在PCA9685正確的地址設(shè)工作模式、PWM脈沖的頻率及占空比即可。

（1）芯片訪問地址的確認(rèn)。PCA9685的訪問地址由芯片的6位硬件地址引腳連接電平?jīng)Q定，最高位為1不變，最低位用于區(qū)分I2C通信的讀寫模式，主控芯片通過該地址向PCA9685的不同寄存器寫入不同數(shù)據(jù)，就可以控制PCA9685向舵機(jī)發(fā)送想要的PWM脈沖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在PCA9685 LED控制芯片的基礎(chǔ)上，通過I2C總線協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種可產(chǎn)生16路PWM脈沖，并可靈活設(shè)置頻率及占空比的舵機(jī)控制實(shí)現(xiàn)途徑。經(jīng)過本文的分析及設(shè)計(jì)，最終從原理上實(shí)現(xiàn)了這一應(yīng)用，有效減輕了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的工作量，是一種行之有效的解決辦法。

參考文獻(xiàn)：

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