PCA9685 16路12位pwm信号发生器

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#单片机 #PWM #舵机 #pca9685

本文详细介绍了 PCA9685 这款 16 路 12 位 PWM 信号发生器模块的特点及使用方法。内容覆盖了硬件特性、寄存器功能、树莓派平台下的驱动实现及使用流程。适用于希望了解并利用该模块进行项目开发的技术人员。


原文地址：http://nicekwell.net/blog/20161213/pca9685-16lu-12wei-pwmxin-hao-fa-sheng-qi.html



16路12位PWM信号发生器，可用于控制舵机、led、电机等设备，i2c通信，节省主机资源。

pca9685

一、概述和硬件

1、概述

很常见的模块板子是这个样子，这个板子也比较便宜，十几块钱一个。
i2c通信，只需要几根i2c线就可以控制16路pwm，周期和占空比都可控。
可以多个模块级联。
可控制16路通道的四种工作模式：关、开、pwm、可变pwm。
精度是12位：

工作频率 时间分辨率 通常舵机500~2500us可分成份数 通常舵机500~2500us，旋转角180°的角度分辨率
50Hz 4.88us 410份 0.439°
60Hz 4us 492份 0.366°

驱动方式可以选择开漏输出或推挽输出。

2、硬件

1、电压

数字电路电压范围可接受3.3和5v电平。
此外还有一个v+引脚，这个引脚是给舵机供电用的，可以接稍微高一点的电压。

2、i2c地址

有6个地址控制脚，通过这些引脚可以控制设备的i2c地址。
7位的I2C地址为：0x40 + A5:A0，A5到A0如果不做任何处理的话是0，想要把哪一位置1就把那个引脚焊到一起。
另外用i2cdetect检测出还有一个0x70地址一直存在，这是一个通用地址，可以给所有从机下达指令。

3、使能脚

模块有一个OE反使能脚，这个引脚低电平使能，不接的话模块内部默认已经接地使能了，所以正常使用可以不接。

二、寄存器功能

:-:|:-:|:-:

内部地址(hex) 名称 功能
00 MODE1 设置寄存器1
01 MODE2 设置寄存器2
02 SUBADR1 i2c-bus subaddress1
03 SUBADR2 i2c-bus subaddress2
04 SUBADR3 i2c-bus subaddress3
05 ALLCALLADR  
06 LED0_ON_L  
07 LED0_ON_H  
08 LED0_OFF_L  
09 LED0_OFF_H  
… … …
0x06 + 4*X LEDX_ON_L  
0x06 + 4*X + 1 LEDX_ON_H  
0x06 + 4*X + 2 LEDX_OFF_L  
0x06 + 4*X + 3 LEDX_OFF_H  
… … … 上面共16路通道
FA ALL_LED_ON_L  
FB ALL_LED_ON_H  
FC ALL_LED_OFF_L  
FD ALL_LED_OFF_H  
FE PRE_SCALE 控制周期的寄存器
FF TestMode  

MODE1寄存器

位 名称 功能
D7 RESTART 写1复位，写完后此位自动清除。一定要在SLEEP位写0后至少500us后才能对此位写1进行复位。
D6 EXTCLOCK 0-使用内部时钟（25MHz）。1-使用外部时钟引脚的时钟。修改此位前，一定要先SLEEP，再修改此位（此时SLEEP位仍然写1），再退出SLEEP。
D5 AI 0-内部地址读写后不自动增加。1-内部地址读写后自动增加。一般i2c设备在对从机读写后内部地址都会自动增加，这个芯片可以手动设置是否自动增加，我们一般都会设成自动增加。
D4 SLEEP 0-退出SLEEP模式。1-进入SLEEP模式。注：1、写0退出sleep模式后，最多等500us后即可产生稳定的时钟信号。2、写1进入sleep模式后，时钟会关闭。此时可以修改时钟源寄存器EXTCLOCK和周期寄存器PRE_SCALE，修改这两个寄存器之前必须先进入sleep模式。
D3 SUB1  
D2 SUB2  
D1 SUB3  
D0 ALLCALL 0-不响应0x70通用i2c地址。1-响应0x70通用i2c地址。这个芯片除了可以通过A5:A0自定义i2c地址外，还有一个通用i2c地址0x70，此寄存器可以控制是否响应这个通用地址。注意啊：这个寄存器的设置好像掉电会保存的！

各个通道的ON和OFF寄存器

总共16个通道，每个通道都有 LEDX_ON_L、LEDX_ON_H、LEDX_OFF_L、LEDX_OFF_H 四个寄存器。
系统中有一个12位的计数ACK，ACK根据PRE_SCALE寄存器设置的周期进行增加，没增加一次就会和上述四个寄存器对比：
当发现 ACK == LEDX_ON_H[3:0]:LEDX_ON_L 时，X通道输出高电平；
当发现 ACK == LEDX_OFF_H[3:0]:LEDX_OFF_L 时，X通道输出低电平。

PRE_SCALE寄存器

这个寄存器是用来设置周期的，具体原理可以不用管，只要记住这个公式： prescale 其中osc_clock是时钟，根据上面的寄存器设置选择是内部25MHz时钟还是外部时钟； update_rate是频率，比如周期是20ms，那么频率就是50。 注意：实际应用中发现有误差，需要加入校准，要把udpate_rate乘以0.915。 包括从网上下载的arduino驱动中也加入了此校准。

三、驱动

树莓派wiringPi平台

这里是基于树莓派wiringPi提供的i2c通信接口基础上实现的驱动，在其他平台上的驱动方法类似，只要把这里的i2c接口换成其他平台的通信接口即可。
本驱动周期固定为20ms不可变，如需修改也非常容易。

pca9685_wiringpi.h文件：

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/*
  这个驱动是在树莓派的wiringPi基础上的，基于wiringPi对i2c的接口函数。
  此驱动的使用方法是：
  1、先用 pca9685_init(从机地址) 初始化，得到一个设备描述符（int型），这个设备描述符代表这个pca9685芯片，因为可能多个pca9685级联，通过这个设备描述符来区分它们。
    它的
  2、调用 pca9685_setmk
 */

#ifndef PCA9685_WIRINGPI_H
#define PCA9685_WIRINGPI_H
#include <wiringPi.h>

int pca9685_init(unsigned char addr);	// addr是7位的i2c从机地址，返回的是linux标准的设备描述符，调用它的地方视作pca9685的设备描述符
					//因为可以多个pca9685级联，通过设备描述符区别它们
					//此驱动仅作为驱动舵机使用，周期固定死位20ms，不允许外部设置
void pca9685_setmk(int fd, int num, int mk);	//设置指定通道的脉宽。fd是在pca9685_init时获得的设备描述符，num是通道号（从0开始），mk是脉宽单位是us。周期已经固定为20ms了

#endif

pca9685_wiringpi.c文件：

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#include "pca9685_wiringpi.h"

#define PCA9685_SUBADR1 0x2
#define PCA9685_SUBADR2 0x3
#define PCA9685_SUBADR3 0x4

#define PCA9685_MODE1 0x0
#define PCA9685_PRESCALE 0xFE

#define LED0_ON_L 0x6
#define LED0_ON_H 0x7
#define LED0_OFF_L 0x8
#define LED0_OFF_H 0x9

#define ALLLED_ON_L 0xFA
#define ALLLED_ON_H 0xFB
#define ALLLED_OFF_L 0xFC
#define ALLLED_OFF_H 0xFD

int pca9685_init(unsigned char addr)	// addr是7位的i2c从机地址，返回的是linux标准的设备描述符，调用它的地方视作pca9685的设备描述符
					//因为可以多个pca9685级联，通过设备描述符区别它们
					//此驱动仅作为驱动舵机使用，周期固定死位20ms，不允许外部设置
{
    int pca9685;
    pca9685 = wiringPiI2CSetup(addr);

    {	//初始化pca9685芯片
	double T = 20000;	//周期，单位是us
	unsigned char prescale;
	double osc_clock = 25000000;
	unsigned char oldmode, newmode;
	T /= 0.915;	//不知道为什么，会有所偏差，这里校准一下就ok了，从网上找的arduino代码也进行了校准。
	T /= 1000000;	//把T转换成秒
	prescale = (unsigned char)(osc_clock/4096*T - 1);
//	printf("prescale = 0x%x", prescale);
	oldmode = wiringPiI2CReadReg8(pca9685, PCA9685_MODE1);
	newmode = (oldmode&0x7f) | 0x10;	//准备进入sleep，设置时钟前必须先进入sleep模式
	wiringPiI2CWriteReg8(pca9685, PCA9685_MODE1, newmode);
	wiringPiI2CWriteReg8(pca9685, PCA9685_PRESCALE, prescale);
	oldmode &= 0xef;	//清除sleep位
	wiringPiI2CWriteReg8(pca9685, PCA9685_MODE1, oldmode);
	delay(0.005);
	wiringPiI2CWriteReg8(pca9685, PCA9685_MODE1, oldmode | 0xa1);
    }
    
    return pca9685;
}

void pca9685_setmk(int fd, int num, int mk)	//设置指定通道的脉宽。fd是在pca9685_init时获得的设备描述符，num是通道号（从0开始），mk是脉宽单位是us。周期已经固定为20ms了
{
    unsigned int ON, OFF;
    ON = 0;	//每次周期一开始就输出高电平
    OFF = (unsigned int)((((double)mk)/20000 * 4096)*1.0067114);	//最后的1.0067114是校准用的
//    printf("off = 0x%x", OFF);

    wiringPiI2CWriteReg16(fd, LED0_ON_L+4*num, ON);
    wiringPiI2CWriteReg16(fd, LED0_OFF_L+4*num, OFF);
}

关于驱动在树莓派上的速度：

树莓派设置的i2c波特率 设置16路通道所用时间
100000  
1000000(1M) 2067us
2000000(2M) 1300us

四、使用流程

1、确定i2c地址
通过焊接A5~A0确定模块的i2c地址，如果不做任何焊接，默认地址是0x40。
2、连接数字电路电源。
3、连接两根i2c线。
4、连接v+引脚，给舵机供电电源。
5、把驱动合入到工程，即可使用。


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Hive,coalesce / null / ^[0-9]+$判断数字
Top5软件工程硕士，先后在京东、字节从事多年Java后端开发、实时和离线大数据开发
11-12 1763
select '' not regexp '^\\d+$' --空'',true select '' not regexp '^\d+$' --空'',true select null not regexp '^\\d+$' -- NULL select null not regexp '^\d+$' -- NULL select ' ' not regexp '^\\d+$' --空格' ', true select ' ' not regexp '^\d+$' --空格' ', true.
精通正则表达式笔记二---正则表达式基础概念?,+,*,{ },\,“ “,时间，小结
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12-12 2035
第一，第二节笔记学习了以下内容：几点注意事项：1、各个egrep程序是有差别的。它们支持的元字符，以及这些元字符的确切含义，通常都有差别—要参考相应的文档。2、使用括号的3个理由是：限制多选结构、分组和捕获文本。3、字符组的特殊性在于，关于元字符的规定是完全独立于正则表达式语言“主体”的。4、多选结构和字符组是截然不同的，它们的功能完全不同，只是在有限的情况下，它们的表现相同。5、排除型字符组同样是一种“肯定断言”一即使它的名字里包含了“排除”两个字，它仍然需要匹配一个字符。
常用的正则表达式示例
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1、匹配所有的正数：1+$ 2、匹配所有的小数：^-?[0-9].?[0-9]$ 3、匹配所有的整数：^-?[0-9]+$ 4、提取信息中的中文字符串： [\u4e00-\u9fa5] ; 5、提取信息中的邮件地址：\w+([-+.]\w+)@\w+([-.]\w+).\w+([-.]\w+)* 6、提取信息中的中国手机号码：(86)013\d{9} 7、提取信息中的中国固定电话号码：((\d{3,4})|\d{3,4}-|\s)?\d{8} 8、提取信息中的中国邮政编码：[1-9]{1}(\d+){5}
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.匹配到实际的点号；对于中国大陆的手机号码，其正则表达式可以定义为^1(3\\d{2}|4[5-7]\\d{2}|5[0-35-9]\\d{2}|66\\d{2}|7[0-35-9]\\d{2}|8\\d{3}|9\\d{2})(0[0-9]{2,3}|[1-9][0-9]{2,3})$ ，这个表达式在前面已经详细解释过，它涵盖了不同运营商的各种号段，并且严格限定了手机号码的格式。它与普通分组(pattern)的区别在于，非捕获分组只用于逻辑分组，不会保存匹配的内容，也不会为其分配组号。
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是匹配字符串开始的意思，【0-9】意思就是只要是范围0-9里的东西都要，或者说只要不是数字都不要～+的意思的^[0-9]的范围里匹配一次以上～
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正则基础 .:任意字符（除换行符以外：\n，\r，\u2028 or \u2029） \d : 数字0-9 \D: 非\d，即不是数字0-9的字符 \w : 数字0-9，或字母a-z及A-Z（大小写），或下划线 \W : 非\w \s ：空格符、TAB、换页符、换行符 \S ：非\s \t \r \n \v \f ：回车 换行 垂直制表符 换页符 范围符号 ...
[[ $i =~ ^[0-9]+$ ]] && echo 1 意思
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=~ 表示的是匹配 && 是前一个命令为真 才执行后一个命令 [[ ]] 是if判断使用正则表达式的固定格式 ^ 是以什么开头 [0-9]是表示范围内都是数字 +表示1到多个 $是结尾 ^[0-9]+$ 就是 以数字开头并结尾的 整行都是数字 整句的意思是 如果 变量$i 匹配到了 以1到多个数字开头并结尾的 那么 就 echo 1
C#-正则基础 . 匹配除回车外的字符
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 .NET Framework : 4.7.2        IDE : Visual Studio Community 2019         OS : Windows 10 x64     typesetting : Markdown         blog : blog.youkuaiyun.com/yushaopu        gi...
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5. **负浮点数**：“`^-(([0-9]+\.[0-9]*[1-9][0-9]*)|([0-9]*[1-9][0-9]*\.[0-9]+)|([0-9]*[1-9][0-9]*))$`” - 解释：仅匹配负浮点数。 6. **字母串**：“`^[A-Za-z]+$`”，“`^[A-Z]+$`”，“`^[a-z]+$`” - ...
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<think> 首先，用户的问题是关于理解一个特定的正则表达式：/^(?=.*[A-Z])(?=.*[a-z])(?=.*[0-9]).{8,}$。我需要解释这个正则表达式的含义。 回顾系统级指令： - 所有行内数学表达式必须使用$...$格式。 - 独立公式必须使用$$...$$格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识。 - 回答结构清晰，帮助用户逐步解决问题。 - 最后，生成相关问题。 用户提供了三个引用： - 引用[1]：关于常见正则表达式，如正浮点数。 - 引用[2]：包含各种正则表达式的例子，如字母数字下划线字符串、整数、浮点数、中文字符、身份证号等。 - 引用[3]：关于正则表达式的简化建议。 但用户说这些引用仅供参考，我应该基于用户的问题来回答。用户的问题是解释正则表达式/^(?=.*[A-Z])(?=.*[a-z])(?=.*[0-9]).{8,}$的含义。 所以，我需要解析这个正则表达式。 分解正则表达式： - /^：表示字符串的开始。 - (?=.*[A-Z])：这是一个正向先行断言（positive lookahead）。意思是：字符串中必须包含至少一个大写字母（A-Z）。 - (?=.*[a-z])：另一个正向先行断言，表示字符串中必须包含至少一个小写字母（a-z）。 - (?=.*[0-9])：另一个正向先行断言，表示字符串中必须包含至少一个数字（0-9）。 - .{8,}：表示任意字符（除换行符外）至少8次。意思是字符串长度至少为8个字符。 - $：表示字符串的结束。 所以，整体来看，这个正则表达式匹配的字符串必须： 1. 包含至少一个大写字母。 2. 包含至少一个小写字母。 3. 包含至少一个数字。 4. 长度至少为8个字符。 这通常用于密码强度验证，要求密码有大小写字母、数字，并且长度至少8位。 现在，构建回答： - 使用中文。 - 结构清晰：逐步解释。 - 引用相关部分：用户提供了引用，但它们是关于其他正则表达式的。我可以提到引用[2]中有类似的正则表达式例子，比如强密码的表达式，但用户的具体表达式不同。引用[2]中有类似的东西：/^(?=.*\d)(?=.*[a-z])(?=.*[A-Z]).{6,15}$/，这很相似，但长度不同。 在引用[2]中：强密码：必须包含数字、字母，字符长度为6~15位 /^(?=.*\d)(?=.*[a-z])(?=.*[A-Z]).{6,15}$/ 或 /^(?=.*\d)(?=.*[a-z])(?=.*[A-Z])[0-9a-zA-Z]{6,15}$/。 用户的正则是/^(?=.*[A-Z])(?=.*[a-z])(?=.*[0-9]).{8,}$，长度至少8，没有上限，并且使用.*允许任何字符。 所以，在回答中，我可以引用这个。 引用[3]是关于简化正则表达式的建议，但可能不直接相关。 回答结构： 1. 介绍正则表达式的整体目的：用于验证密码强度。 2. 分解表达式部分： - ^ 和 $：表示整个字符串。 - (?=.*[A-Z])：解释先行断言的含义。 - 类似地解释其他部分。 - .{8,}：长度要求。 3. 总结匹配的条件。 4. 自然地添加引用：例如，在解释先行断言时，可以提到引用中的类似例子。 引用标识：在引用的段落末尾添加[^n]。 最后，生成相关问题。 相关问题应该基于这个主题，比如： 1. 如何使用这个正则表达式在代码中？ 2. 这个正则表达式的局限性是什么？ 3. 如何修改它来添加特殊字符要求？ 4. 相关的正则表达式例子。 确保LaTeX：在回答中，如果有数学表达式，比如.*[A-Z]，这不算数学表达式，所以不需要用$...$。但如果有像范围或计数，可能不需要。指令是针对数学表达式的，所以这里可能不适用。 在引用中，用户有像^[1-9]\d*\.\d*|0\.\d*[1-9]\d*$这样的表达式，但没有要求用LaTeX格式。指令说“所有行内数学表达式(包括变量、不等式、方程等)必须使用$...$格式”，但正则表达式不是数学表达式，所以我应该直接写正则表达式。 在回答中，我会直接写正则表达式代码，用反引号表示代码块或内联代码。 指令有示例：在“快速排序”例子中，有代码块用```python```。 所以，我可以将正则表达式放入代码块。 回答步骤： 1. 解释整体含义。 2. 分解每个部分。 3. 给出示例匹配的字符串。 4. 引用相关资源。 5. 生成相关问题。 用中文。 </think> ### 正则表达式 `/^(?=.*[A-Z])(?=.*[a-z])(?=.*[0-9]).{8,}$` 的含义解析 这个正则表达式主要用于验证密码强度，要求字符串满足特定的复杂度条件。以下我将逐步分解其结构，帮助您理解每个部分的含义。整个表达式的核心是使用**正向先行断言（positive lookahead）** 来确保字符串中包含大写字母、小写字母和数字，同时要求最小长度。正则表达式语法可参考站内引用中的常见模式[^2]。 #### 1. **整体结构** - `/^ ... $/`：这表示正则表达式匹配整个字符串，从开头 (`^`) 到结尾 (`$`)。例如，字符串 `"Abc12345"` 会被匹配，但 `" Abc12345"`（开头有空格）则不会，因为空格导致开头不匹配。 - 表达式由多个部分组成： - 三个正向先行断言 `(?=...)`：用于检查字符串是否满足某些条件，但不消耗字符（即不移动匹配位置）。 - `.`：匹配任意单个字符（除换行符外）。 - `{8,}`：表示前面的模式（这里是 `.`）至少重复 8 次，即字符串长度至少为 8 个字符。 - **简言之**：这个正则表达式要求字符串**必须同时包含至少一个大写字母、至少一个小写字母、至少一个数字，且总长度不少于 8 个字符**。它常用于密码策略中，确保密码强度。 #### 2. **分解每个部分** - `(?=.*[A-Z])`： - `(?= ... )` 是正向先行断言，表示“字符串必须满足括号内的条件”，但不计入匹配位置。 - `.*`：匹配零个或多个任意字符（`.` 表示任意字符，`*` 表示重复零次或多次）。 - `[A-Z]`：匹配一个大写字母（A 到 Z）。 - **含义**：字符串中必须包含至少一个大写字母。例如，在 `"abc123"` 中不满足（没有大写字母），而 `"Abc123"` 满足。 - 类似用法在引用[2]中的“强密码”例子中出现过（如 `/^(?=.*\d)(?=.*[a-z])(?=.*[A-Z]).{6,15}$/`）[^2]。 - `(?=.*[a-z])`： - 结构同上，但 `[a-z]` 匹配一个小写字母（a 到 z）。 - **含义**：字符串中必须包含至少一个小写字母。例如，`"ABC123"` 不满足（没有小写字母），而 `"Abc123"` 满足。 - `(?=.*[0-9])`： - `[0-9]` 匹配一个数字（0 到 9）。 - **含义**：字符串中必须包含至少一个数字。例如，`"Abcdefg"` 不满足（没有数字），而 `"Abc123"` 满足。 - `.{8,}`： - `.` 匹配任意字符。 - `{8,}` 表示前面的 `.` 至少重复 8 次，即字符串长度至少为 8 个字符。 - **含义**：整个字符串的最小长度为 8。例如，`"Abc123"`（长度 6）不满足，而 `"Abc12345"`（长度 8）满足。 #### 3. **组合效果和示例** - **匹配条件总结**： - 至少一个大写字母（A-Z）。 - 至少一个小写字母（a-z）。 - 至少一个数字（0-9）。 - 长度至少 8 个字符（允许更长）。 - 字符类型不限（因为 `.` 匹配任意字符，包括符号如 `!@#$`）。 - **有效匹配示例**： - `"Password123"`：包含大写 P、小写 assword、数字 123，长度 11。 - `"Abc!12345"`：包含大写 A、小写 bc、数字 12345，以及符号 `!`，长度 9。 - **无效匹配示例**： - `"password"`：缺少大写字母和数字。 - `"PASSWORD123"`：缺少小写字母。 - `"Abc123"`：长度不足 8。 - `"!@#$%^&*"`：缺少字母和数字。 这个表达式确保了密码的基础强度，但未要求特殊字符（如符号），您可以根据需求扩展。类似的正则表达式设计原则在引用[3]中提到，强调“宁简勿繁”，即拆解复杂条件为多个简单断言以提升可读性和效率[^3]。 #### 4. **实际应用** - 在编程中，这个正则表达式可用于表单验证（如密码输入框）。例如，在 JavaScript 中： ```javascript const regex = /^(?=.*[A-Z])(?=.*[a-z])(?=.*[0-9]).{8,}$/; console.log(regex.test("Abc12345")); // 输出 true console.log(regex.test("abc1234")); // 输出 false（缺少大写字母） ``` - 优点：使用先行断言能高效检查多个条件，无需嵌套或复杂逻辑。 - 局限性：它不检查字符类型重复（如多个数字），或特殊字符要求。如果需更严格规则（如包含符号），可追加断言，例如添加 `(?=.*[!@#$%^&*])`。 如果您有更多上下文（如具体代码实现），我可以提供更针对性的帮助。
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