PCA9685: подключение 16-канального ШИМ-драйвера к Arduino

Что умеет чип: 16 каналов, 12 бит, своя частота

PCA9685 это не расширитель выводов, а отдельный генератор ШИМ со своим тактовым генератором. Отсюда две возможности, которых у обычного ШИМ Arduino нет: у всех каналов своя яркость в 4096 градаций, а частота переключения задаётся один раз для всех каналов сразу.

Частота считается просто: 25 мегагерц делённое на прескалер плюс один и на 4096. Поэтому максимальная частота 6104 герц, а чтобы попасть в паспортные 1,6 килогерца, прескалер ставят 3 и получают 1526 герц. Для сервоприводов нужна ровно 50 герц, и её получают прескалером 121.

Распиновка и адрес на шине

• VCC это питание логики, подойдут и 3,3 В, и 5 В.
• GND это общая земля, она обязательна.
• SDA и SCL это линии I2C, на Uno это A4 и A5, на ESP32 это 21 и 22.
• A0, A1 и A2 это выводы выбора адреса, на разных платах их от одного до трёх.
• OE это вход разрешения выходов, его тянут к земле, тогда каналы работают.
• V+ это отдельное питание нагрузки, для сервоприводов его берут от внешнего блока.

Адрес по умолчанию 0x40, и он меняется перемычками на выводах A0, A1 и A2. На модулях с тремя перемычками получается восемь адресов, на более дешёвых с одной перемычкой всего два. На одной шине I2C спокойно живут восемь таких чипов, это 128 каналов.

Светодиоды: ток задаётся регистром

Каждый канал умеет не только ШИМ, но и ограничение тока. В старшем байте регистра канала отведено 4 бита под ограничитель: значение 0 выключает канал совсем, значение 15 разрешает полный ток. На светодиод ток ограничивается резистором, а на мощных лентах этот бит помогает не сжечь канал.

• Каждый светодиод всё равно подключают с последовательным резистором, ток ограничитель не заменяет.
• Каналы включаются и выключаются независимо, запись в регистры идёт с автоинкрементом.
• Один регистр MODE1 управляет сном, частотой и откликом на общий вызов сразу для всех каналов.
• Регистры каналов идут подряд с адреса 0x06, на каждый канал отведено 4 байта.

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_PWMDriver.h>
 
Adafruit_PWMDriver pwm = Adafruit_PWMDriver(0x40);
 
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pwm.begin();
 
  pwm.setPWMFreq(60);        // chastota SHIM dlya svetodiodov
  pwm.setPWM(0, 0, 0);       // kanal 0 pogashen
}
 
void loop() {
  for (uint16_t v = 0; v <= 4095; v += 8) {
    pwm.setPWM(0, 0, v);     // 4095 eto polnaya yarkost
    delay(4);
  }
  for (uint16_t v = 4095; v > 0; v -= 8) {
    pwm.setPWM(0, 0, v);
    delay(4);
  }
}

Сервоприводы: 16 штук вместо двенадцати выводов

Вторая по популярности задача у PCA9685 это сервоприводы. Обычная библиотека Servo на Uno тратит под них таймер 1 и выключает ШИМ на выводах 9 и 10, а выводов под серво там всего 12. Через PCA9685 сервоприводов получается 16, и занимают они два вывода Arduino вместо двенадцати.

#include <Adafruit_PWMDriver.h>
#include <Adafruit_Servo.h>
 
Adafruit_PWMDriver pwm = Adafruit_PWMDriver(0x40);
Adafruit_Servo servo = Adafruit_Servo(16, &pwm);   // 16 kanalov
 
void setup() {
  pwm.begin();
  servo.setPWMFreq(50);     // servoprivodu nuzhen period 20 ms
  servo.attach(0);
  servo.attach(1);
}
 
void loop() {
  servo.write(0, 0);        // kanal 0 na 0 gradusov
  servo.write(1, 90);       // kanal 1 na 90 gradusov
  delay(1000);
 
  servo.write(0, 180);
  servo.write(1, 45);
  delay(1000);
}

Чем это лучше обычного ШИМ Arduino

Сравнение честное: у PCA9685 больше каналов и выше разрешение, но у Arduino есть то, чего нет у микросхемы, это простота и отсутствие лишней детали в коде.

Про обычный ШИМ подробнее: analogWrite на Uno даёт 8 бит и фиксированную частоту, а выводы 9 и 10 после подключения библиотеки Servo перестают работать как ШИМ. Про это подробно в уроке про analogWrite, там же разобрана своя частота на таймерах.

Что сначала не получилось

Первый раз я подключил модуль к Nano и сразу залил скетч с сервоприводом. Сервопривод не двигался, в мониторе порта была пустота. Я трижды перепроверял питание, пока не догадался посмотреть на нумерацию выводов: на Nano с гибридным корпусом выводы SDA и SCL подписаны цифрами A4 и A5, а рядом стояли цифровые 4 и 5.

Второй раз модуль я подключил правильно, но сервоприводы всё равно дрожали и подтормаживали. Дело оказалось в питании: я запитал сервоприводы от вывода 5 вольт самой платы, и по линии шёл просад. Как только я вынес питание серво на отдельный блок с общей землёй, дрожание исчезло.

Личный опыт: подсветка витрины

Первое устройство с PCA9685 у меня было подсветкой витрины в магазине у родственников. 14 отрезков светодиодной ленты по 30 сантиметров, плавный розовый градиент по кругу и отдельная кнопка для фиксации цвета.

Что выяснилось по ходу. Светодиоды питались через ограничитель тока в самом чипе, и когда я выставил его на максимум, лента грелась так, что пластик стал мягким. Пришлось снизить ток вдвое и заменить провода на более толстые. А градиент я перестал пересчитывать целиком: сдвиг цвета на один шаг это перезапись четырёх регистров, и на 14 каналах это 56 байт по I2C, что Arduino тянет за доли миллисекунды.

Авторская позиция: когда нужен именно PCA9685

Если у задачи один-два канала, а Arduino при этом не завален, то PCA9685 это лишняя деталь. Обычный analogWrite сделает то же самое, проводов будет столько же, а код короче на строчку. Покупать микросхему ради одной ленты смысла нет.

Смысл появляется с четвёртого канала. Как только светодиодов становится больше шести, а потом и сервоприводов больше двенадцати, вопрос упирается в выводы платы. Дальше вариантов два: менять плату на Mega или взять PCA9685, и второй вариант часто дешевле и удобнее, потому что даёт ещё и разрешение 12 бит.

И не покупайте чип, если задача в одном канале с плавным затуханием. Там хватит обычного ШИМ, а если хочется настоящей плавности, разумнее взять ленту с адресными светодиодами и библиотеку FastLED, про которую есть отдельный гайд.

Частые вопросы