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基于I2C通信的PCA9685在舵机控制中的应用

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李强霍淑珍郑伟

摘要：文章采用I2C总线通信方式，将PCA9685LED控制芯片应用在舵机控制中。PCA9685接收主控芯片的指令，通过输出PWM脉冲信号的方式用以控制最多不超过16路舵机或其他输出通道，最终实现了舵机控制的功能。

关键词：I2C总线；PCA9685；PWM；舵机控制

：TP273文献标志码：A：2095-2945（2018）28-0173-02

Abstract：Inthispaper，theI2Cbuscommunicationmodeisadopted，andthePCA9685LEDcontrolchipisappliedtothecontrolofthesteeringgear.ThePCA9685receivestheinstructionofthemaincontrolchipandusesthewayofoutputtingthePWMpulsesignaltocontrolthesteeringgearupto16channelsorotheroutputchannels，andfinallyrealizesthecontrolfunctionoftheservogear.

Keywords：I2Cbus；PCA9685；PWM；servocontrol

在自驾仪中，舵机是决定飞机舵面偏转角度的执行机构，一般的无人机需要四个舵机用于控制无人机的俯仰、偏航和滚转，通常由PWM信号进行控制[1]。PCA9685是一款用于产生16路PWM信号的LED控制芯片，采用I2C总线与主控芯片进行通信[2]。由于PCA9685具有可以产生16路PWM脉冲、控制独立精准、编程简单灵活等特点，以其为基础实现的舵机控制能够有限减少硬件和软件设计的复杂度，具有高可靠性[3-4]。

1I2C总线协议

自驾仪的主控芯片一般具有多种资源与传感器或其他外设进行通信，包括串口、I2C、SPI、QSPI等。I2C总线具有简单、有效的特点，能够有效减少芯片管脚和线路连接的数量，本文介绍的PCA9685舵机控制器就是采用I2C与主控芯片进行通信的[5]。

I2C总线是由Philips公司开发的，是一种简单的双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

I2C总线一般由两根数据传输线构成：一根时钟线（SCL）、一根数据线（SDA）。I2C总线协议一般要求每次发送字节的长度必须为8位，每次通信由主机、从机两端完成。整个通信过程如图1所示[6]。

I2C写操作流程为：

（1）主机发起开始信号；

（2）主机发送I2C地址（7位）和写操作0（1位），等待确认；

（3）从机发送确认；

（4）主机发送寄存器地址（8位），等待确认；

（5）从机发送确认；

（6）主机发送数据（8位），即要向寄存器中写入的数据，等待确认；从机发送确认；

（7）主机发起停止。

I2C读操作流程为：

（1）主机发送I2C地址（7位）和写操作0（1位），等待确认；

（2）从机发送确认；主机发送寄存器地址（8位），等待确认；

（3）主机发送开始；主机发送I2C地址（7位）和读操作（1位），等待确认；

（4）从机发送确认；从机发送数据（8位）。

（5）主机发送确认。

从以上分析可以看出，I2C总线通信只需要两根线（SCL和SDA），可并联多个外设使用，通过每个外设的I2C地址区分不同外设。从机的I2C地址最低位代表读（1）或写（0）操作。

2PCA9685的用途及特点

PCA9685是一款基于I2C总线控制的16路LED背光调节控制芯片。每一路LED输出端均可自由调节PWM波的频率（40～1000Hz）和占空比（0%～100%）。这款芯片主要通过输出不同占空比的PWM脉冲信号来控制舵机转动的角度，其主要特点如下[7]：

（1）PCA9685可编程调节16路PMW脉冲的占空比以及高电平到来的时刻，分辨率为12位（4096）。

（2）在快速模式下I2C总线的速率可以达到1MHz，此外SDA端口30mA的驱动能力可以在高总线负荷上使用。

（3）PCA9685的PWM脉冲输出频率范围为40～1000Hz，它内置的25MHz振荡器和外部时钟可以选择使用。

（4）PCA9685的硬件地址被设计为6位，这样在同一个I2C总线上可以连接62个同一芯片；每个芯片有4个基于I2C总线的软件可编程地址，并且任一芯片可以被同时或单独寻址。

（5）PCA9685的电压工作范围为2.3～5.5V，使用温度为-40℃～+85℃。

3PCA968