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# PCA9685、I²C與伺服馬達

**這節將介紹可以一次控制多個輸出的PCA9685，認識其通訊所使用的I²C通訊協定，以及PWM是如何控制伺服馬達運作。**

## 什麼是 PCA9685 ？

<center><img src="https://i.imgur.com/xVBJiNf.jpg " width="80%"></img></center>

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PCA9685是採用**I²C通訊介面**的**16路PWM產生器**，解析度為**12bit**，開關**頻率為24 Hz到1526 Hz**。

雖然具備16路的PWM，但**16路的頻率無法單獨設置**，只能調整各路的duty cycle，所以比較適合應用在**固定頻率但需調整PWM占空比的LED亮度調整**或採用**多軸小型伺服馬達**的機器人。

PCA9685包含一個帶有**內置時鐘的I²C控制PWM驅動器**，每次設置皆會**保持最後一次所設置的參數運作**，**無需連續發送訊號控制**。

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:zap: 圖中左側VCC供電屬邏輯電路電源，在LAB中使用3.3V，而上方V+對應到下方的V+，為供應伺服馬達的電源，在LAB實作中使用12V。
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:globe_with_meridians: 參考資訊

- [16路12bit PWM控制器PCA9685](https://frank1025.pixnet.net/blog/post/349725877-%5Barduino-013%5D-16%E8%B7%AF12bit-pwm%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8pca9685)
- [PCA9685 16 Channel 12 Bit PWM Servo Driver](http://wiki.sunfounder.cc/index.php?title=PCA9685_16_Channel_12_Bit_PWM_Servo_Driver)
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## 什麼是I²C？


**I²C(Inter-Integrated Circuit)** 是**內部整合電路**的稱呼，是一種**串列通訊匯流排**，由Philips公司在1980年代為了讓主機板、手機及嵌入式系統用以連接低速周邊裝置而發展，主要應用在board-to-board，它的設計並**不能應用到長距離裝置的通訊**。不過，I2C bus 可以被**應用在各種控制架構**上，如系統管理匯流排(System Management Bus, SMBus)、電源管理匯流排(Power Management Bus, PMBus)、智慧平台管理介面(Intelligent Platform Management Interface, IPMI)、顯示數據通道(Display Data Channel, DDC)、先進電信運算架構(Advanced Telecom Computing Architecture, ATCA)。

I²C的參考設計使用一個**7位元長度**的位址空間但**保留了16個位址**，所以在一組匯流排**最多可和112個節點通訊**。常見的I²C匯流排**依傳輸速率的不同而有不同的模式**：標準模式（100 Kbit/s）、低速模式（10 Kbit/s），但時脈頻率可被允許下降至零，這代表可以暫停通訊。而新一代的I²C匯流排可以和更多的節點（支援10位元長度的位址空間）以更快的速率通訊：快速模式（400 Kbit/s）、高速模式（3.4 Mbit/s）。

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:bulb: I²C的正確讀法為「I平方C」（"I-squared-C"），而「I二C」（"I-two-C"）則是另一種錯誤但被廣泛使用的讀法。
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:globe_with_meridians: 參考資訊
- [I2C - 成大資工Wiki](http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/I2C)
- [I2C協定原理簡介](https://makerpro.cc/2019/12/intro-to-inter-integrated-circuit/)
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## PWM如何控制伺服馬達？

<center><img src="https://i.imgur.com/JdbAYJZ.jpg" width="70%"></img></center>

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在[PWM與電晶體](/s/iBzaKT_rQb2OzkyF3FJLwA)這個章節中提到PWM是透過**類比訊號轉換成數位訊號**，在**一定的週期內調整PWM的脈波寬度**，而改變輸出的功率。

LAB中所使用到的伺服馬達為**MG996R**，使用**50HZ**的控制頻率，脈寬為**0.5ms ~2.5ms**，**12位元解析度(4096)**，相關精度計算如下：
- PWM週期： 1/50 sec = 0.02s = 20ms = 20000us
- 時間解析度：20000 us / 4096 = 4.88us
- 最大與最小脈寬時間差：2.5ms - 0.5ms = 2ms = 2000us
- 最大脈寬時間可分的份數：2000us / 4.88us = 410
- 0-180度的舵機，角度解析度：180度 / 410 = 0.439度

以下圖來看在一個週期內波的寬度對伺服馬達的影響，脈寬為1(0.5)ms時馬達轉角為0度，脈寬為2(2.5)ms時馬達轉角為180度，故脈寬為1.5ms時馬達轉角為90度。

(圖片來源：[howtomechatronics](https://howtomechatronics.com/how-it-works/how-servo-motors-work-how-to-control-servos-using-arduino/))

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:globe_with_meridians: 參考資源
- [PCA9685控制Servo伺服馬達](https://atceiling.blogspot.com/2019/10/arduino74pca9685servo.html)
- [MG996R DataSheet](https://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG996R_Tower-Pro.pdf)
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