芯耀
与非AI
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前段时间在做一个八个舵机并用的项目，兴冲冲地把代码写完，结果一数STM32的定时器通道——不够了。要知道一个定时器就四个通道，多路复用还得跟其他外设抢引脚，八个舵机一上，定时器直接告急，更别提后面还想加其他功能什么的。
这个问题其实挺普遍的，做机器人、做云台、做多足，只要舵机超过三四个，定时器 PWM 的方案就开始捉襟见肘。
这时候PCA9685就该出场了，一颗芯片，I2C两根线，怼出16路12位精度的 PWM，关键是还能级联，理论上你挂一堆芯片，控制上百路舵机都没问题。
所以这篇文章，我们就手把手把 PCA9685 调通，从硬件接线到I2C通信，再到舵机角度控制，让舵机先动起来。
1、PAC9685的芯片手册
严格来说，PCA9685 这颗芯片，人家 NXP 官方的定位压根不是给舵机用的，它的数据手册上写的是——16通道 12位PWM的LED调光控制器。
对，它本来是拿来调 LED 亮度的。
但你仔细看它的参数就会发现这玩意太适合驱动舵机了。12位分辨率，意味着每个通道的PWM可以分出 4096 个台阶，舵机角度控制绰绰有余。PWM 频率可调，范围从 24Hz 到 1526Hz，通过一个可编程的分频器来设，舵机标准的50Hz刚好落在中间。16路独立通道，每路 ON和 OFF 时间各有一对寄存器独立控制，互相不打架。通信走I2C，最快1MHz Fast-mode Plus，两根线搞定，不占用定时器资源。而且I2C地址有6个硬件可编程位，意味着你可以在同一条总线上挂最多62 颗PCA9685——理论上控制将近一千路舵机。
供电方面也分离得很清楚，逻辑部分吃2.3V 到5.5V，PWM 输出驱动部分可以单独供电，最高耐到 5.5V。输出脚是开漏结构，25mA的灌电流能力，直接驱动舵机的信号线完全够，舵机的动力电走外接电源就行。
所以虽然是颗 LED 芯片，但它干的活恰好就是舵机要的——高精度、多通道、可调频率的PWM，在一颗不到一块钱的芯片里全给你了。
PCA9685的I2C寻址，其实就记住一个公式：7 位地址 = 0x40 + A5~A0的硬件编码值。
芯片上A0到A5六个引脚，就是给你手动设地址用的。每个引脚接低电平算0，接高电平算1，六个引脚组成一个 6 位二进制数，加上基地址 0x40，就是这颗芯片的最终 I2C 地址。
举个例子。把A0拉高，其余A1~A5全拉低，那 7 位地址就是 0x40 + 0b000001 = 0x41。六个引脚全拉低，就是 0x40 的默认地址。全拉高，就是0x40 + 0b111111 = 0x7F。0x40到0x7F，一共64个地址，意味着同一条 I2C 总线上你最多可以挂64 颗 PCA9685。
实际用的时候注意一点——写代码时很多 HAL 库函数里填的 I2C 地址是 7 位左移一位之后的 8 位地址，比如 0x40 左移一位变成 0x80。如果你的 HAL 库函数传进去的是 7 位地址就直接填 0x40，传 8 位就填 0x80，这块别搞混，不然 I2C 死活读不到应答。
还有一个很容易踩的坑：所有 PCA9685 模块出厂时A0~A5默认全部拉低，地址清一色0x40想挂同一根 I2C 总线上，不好意思，地址冲突，两个器件同时应答，读回来的数据全乱。解决办法就是拿烙铁改模块背面的 A 脚跳线电阻，把其中一块的某个 A 脚改接到高电平，让两块地址不一样。
总结一下，PCA9685 的寻址就这么三件事：基地址 0x40、六个硬件引脚拼偏移量、多模块记得错开地址。
从寄存器 0x00 到 0x45，一共 70 个字节，按功能分成四块：
模式与控制区（0x00-0x01）MODE1（0x00）管全局状态，bit4的SLEEP位控制芯片休眠，bit5的AI位开启自动递增——这个AUTO-INCREMENT很重要，开了之后你连续写寄存器，地址自动往下跳，不用每次重新发地址，一口气灌完 16 个通道的数据。
MODE2（0x01）管输出配置，比如输出是推挽还是开漏、OE 脚的极性这些。
LED通道区（0x06 - 0x45）这是占大头的地方。每路 LED占4个字节：LEDx_ON_L、LEDx_ON_H、LEDx_OFF_L、LEDx_OFF_H，存的是 PWM 计数器从 0 计到 4095 的过程中，ON 和 OFF 分别发生在哪个计数值。16 个通道依次排下来，从 LED0 的第一组地址 0x06 开始，到 LED15 的最后一组地址 0x45 结束，整整齐齐，看一眼表就能直接算出每个通道对应的寄存器偏移。
全通道同步区（0xFA - 0xFD）ALL_LED_ON_L/H 和 ALL_LED_OFF_L/H，往这里写一次数据，16 个通道同时更新。不是替代通道寄存器的，而是触发同步更新用的。比如你做机械臂，需要多个舵机同时到位而不是一个一个转过去，就先把各通道数据准备好，最后一笔写到 ALL_LED 寄存器，16 路 PWM 统一刷新。
预分频器（0xFE）PRE_SCALE 决定了 PWM 的整体频率。公式上一节提过了，但它有个操作前提——必须先写MODE1让芯片进SLEEP模式，才能动 PRE_SCALE，改完再退SLEEP。这是个硬件设计上的保护逻辑，不是bug，但第一次玩的人很容易在这里浪费半小时查代码。直接 I2C 写进去，芯片就开始干活了。
2、代码实现
我们直接采用了淘宝买的PCA9685模块，在使用STM32F103C8T6最小系统板来控制，开启一组硬件I2C和USART进行通讯。
#include"pca9685.h"#include"i2c.h"HAL_StatusTypeDef PCA9685_Init(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t addr){uint8_t data;/* Enter sleep mode + enable auto-increment */data = PCA9685_MODE1_SLEEP | PCA9685_MODE1_AI;if (HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, addr, PCA9685_MODE1, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100) != HAL_OK)return HAL_ERROR;/* Set prescaler for 50Hz (25MHz / 4096 / 50 ≈ 121.9, prescale = 121) */data = 121;if (HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, addr, PCA9685_PRE_SCALE, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100) != HAL_OK)return HAL_ERROR;data = 0x04;if (HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, addr, PCA9685_MODE2, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100) != HAL_OK)return HAL_ERROR;data = PCA9685_MODE1_AI;if (HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, addr, PCA9685_MODE1, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100) != HAL_OK)return HAL_ERROR;HAL_Delay(1);data = PCA9685_MODE1_AI | PCA9685_MODE1_RESTART;if (HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, addr, PCA9685_MODE1, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100) != HAL_OK)return HAL_ERROR;return HAL_OK;}HAL_StatusTypeDef PCA9685_SetPWMFreq(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t addr, float freq){uint8_t prescale = (uint8_t)(25000000.0f / (4096.0f * freq) + 0.5f) - 1;if (prescale < 3) prescale = 3;uint8_t old_mode;if (HAL_I2C_Mem_Read(hi2c, addr, PCA9685_MODE1, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &old_mode, 1, 100) != HAL_OK)return HAL_ERROR;uint8_t sleep_mode = (old_mode & ~PCA9685_MODE1_RESTART) | PCA9685_MODE1_SLEEP;if (HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, addr, PCA9685_MODE1, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &sleep_mode, 1, 100) != HAL_OK)return HAL_ERROR;if (HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, addr, PCA9685_PRE_SCALE, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &prescale, 1, 100) != HAL_OK)return HAL_ERROR;if (HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, addr, PCA9685_MODE1, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &old_mode, 1, 100) != HAL_OK)return HAL_ERROR;HAL_Delay(1);old_mode |= PCA9685_MODE1_RESTART;if (HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, addr, PCA9685_MODE1, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &old_mode, 1, 100) != HAL_OK)return HAL_ERROR;return HAL_OK;}HAL_StatusTypeDef PCA9685_SetPWM(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t addr, uint8_t channel, uint16_t on, uint16_t off){uint8_t data[4];data[0] = on & 0xFF;data[1] = (on >> 8) & 0x0F;data[2] = off & 0xFF;data[3] = (off >> 8) & 0x0F;return HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, addr, PCA9685_LED0_ON_L + 4 * channel,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 4, 100);}
先看PCA9685_Init，这段代码的核心目标只有一个：让芯片从"未配置状态"进入"50Hz PWM就绪状态"。
仔细看函数里的操作顺序，它不是随便写的，每一步都对应芯片手册里的一个硬件要求。
第一步，写MODE1，同时干两件事：进SLEEP 模式 + 开自动递增。进SLEEP才能改预分频器，这是 PCA9685 的硬性规定，不睡不给改。开自动递增是为了后面连续写通道数据时地址自动往后跳，效率拉满。
第二步，把PRE_SCALE设成121。这个121怎么来的：PCA9685内部振荡器25MHz，PWM一个周期计4096个数，要得到50Hz的输出频率，分频系数 prescale = round(25MHz / (4096 × 50)) - 1 ≈ 121。50Hz是模拟舵机的标准频率，高了低了舵机都会抖或者不动。
第三步，MODE2写入0x04，把输出配置为推挽模式。为什么要推挽？因为舵机信号线是高低电平切换，不需要开漏输出的线与特性，推挽的驱动力更好，信号沿更陡，舵机响应更利索。
第四步，退出SLEEP，写MODE1把 SLEEP 位清零，然后延时 500μs——这个延时不是玄学，是芯片手册明确要求的，振荡器起振需要稳定时间。
最后一步，把RESTART位置 1，让内部PWM 计数器重新从零开始跑。加上之前开的自动递增，芯片现在处于"频率50Hz、自动递增、可以接收通道数据"的完整就绪状态。
PCA9685_SetPWMFreq这个函数是给你运行时动态调频率用的。比如你后面想接一个数字舵机跑 333Hz，就不用重新走一遍完整的 Init 流程，直接调这个就行。逻辑跟 Init 里一样——读旧模式→进SLEEP→改分频→恢复旧模式→等稳定→RESTART。注意old_mode是读回来的原始值，恢复的时候把 SLEEP 之前的状态原样还回去。
HAL_StatusTypeDef PCA9685_SetServoAngle(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t addr, uint8_t channel, uint8_t angle){if (angle > 180) angle = 180;uint16_t pulse = 75 + (uint16_t)((uint32_t)angle * 520 / 180);return PCA9685_SetPWM(hi2c, addr, channel, 0, pulse);}
PCA9685_SetServoAngle就是最终会在主循环里反复调用的函数了。参数三个：I2C 句柄、芯片地址、通道号、角度（0 到 180）。核心就是那一行换算：
pulse = 75 + angle × 520 / 180
这个公式解释一下。50Hz 的 PWM 周期是 20ms，舵机的 0° 对应约 0.5ms 脉宽，180° 对应约 2.5ms。在一个 4096 计数的周期里，0.5ms 对应的计数值是 4096 × 0.5ms / 20ms ≈ 102，2.5ms 对应 4096 × 2.5ms / 20ms ≈ 512。所以脉宽范围是 102 到 512，跨度 410。
102 和 512 是理论值，实际上 PCA9685 的输出级有微小的延迟，而且不同舵机的脉宽范围也略有偏差。经过实测，调成75~595（跨度 520）能让绝大多数SG90、MG996R这类常见舵机跑满 0°~180°。所以公式是75+angle × 520/180，不是书上的理论值，是实测出来的经验值。你用的时候如果发现舵机端点有偏差，微调75和520这两个数就行。
主函数里写个简单的摆头循环验证一下——0°到180°再回来，步进5°，每步延时20ms给舵机响应时间。烧进去舵机开始来回扫，就说明整条链路通了。
