I2C协议及PCA9685控制芯片

I2C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。
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。

PCA9685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：

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30m A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℃。

PCA9685舵机控制的实现

通常PCA9685与舵机连接需要三根线， 分别是电源线、控制线和地线， 其中控制线是PWM脉冲的输出端， 电源线和地线为舵机内部的直流电机供电。舵机转动的角度和控制线PWM脉冲的宽度 （占空比） 成正比， 1ms对应0°， 2ms对应180°， 并且脉宽在1~2ms之间变化时， 舵机角度从0°~180°线性增长。因此， 要实现对舵机的控制， 需要在PCA9685正确的地址设工作模式、PWM脉冲的频率及占空比即可。
1.芯片访问地址的确认
PCA9685的访问地址由芯片的6位硬件地址引脚连接电平决定， 最高位为1不变， 最低位用于区分I2C通信的读写模式， 主控芯片通过该地址向PCA9685的不同寄存器写入不同数据， 就可以控制PCA9685向舵机发送想要的PWM脉冲。
2.PMW脉冲频率的设置
PCA9685脉冲输出频率的范围为40~1000Hz, 一般舵机控制需要的频率为50Hz。计算公式为：
其中prescal为向频率设定寄存器 （地址为0XFEH） 中写入的值， EXTCLK为主控芯片的时钟信号， refresh_rate为期望得到的PWM脉冲频率， 这里为50。实现代码为：
3. 脉冲宽度的设置
PCA9685的任一通道均有4个寄存器用于设置12位计数器以此来实现脉宽调节， 分别用于控制高电平开始到结束的时刻， 一般将LEDn_ON设置为0, 如果脉宽为duty, 则LEDn_OFF的计算公式如下：
实现代码为：

总结：

在PCA9685 LED控制芯片的基础上， 通过I2C总线协议， 设计了一种可产生16路PWM脉冲， 并可灵活设置频率及占空比的舵机控制实现途径。经过本文的分析及设计， 最终从原理上实现了这一应用， 有效减轻了硬件设计和软件设计的工作量， 是一种行之有效的解决办法。