Jetbot实战系列07：机电控制设备的安装

机电控制是智能车最重要的输出功能，假如您使用Jetbot官方的自行打印车体并用组装方式来搭建智能小车的话，就需要搭配下图这个 ”DC-Stepper-Motor” 控制板，因为3D打印车体是根据这个控制板所设计的。

只要在淘宝上输入 “DC-Stepper-Motor” 关键字，就能找到非常多的供应商，价位在30~50人民币之间，不过出货都是以上图左边的散件为主，需要将四个关键位置自己加以焊接，其他用不上的部分可以不用处理。

这个控制板是由一个PCA9685的PWM控制芯片与两个TB6612电机驱动芯片所组成，与Jetson设备、TT电机之间形成如下图的接线关系。由PCA9685接收来自Jetson设备I2C总线的指令，然后驱动TB6612芯片按照PWM控制信号对两个TT电机，透过改变电流大小去调整电机转速与方向，来执行Jetbot小车的移动。

但是这里有个在“Jetbot实战系列06：I2C总线与PiOLED”所遗留的问题需要先解决，因为PiOLED显示屏也要接上一组3V3/GND供电与SDA/SCL接脚，已经将Jetson的1~6引脚全部占用，那么这个DC-Stepper-Motor控制板的SDA/SCL该如何与Jetson的I2C引脚对接呢？

这个显示屏的选项有三种，Jetbot原厂使用下图最左边的Adafruit原厂显示屏，然后按照 https://jetbot.org/master/hardware_setup.htm 的第10步骤，在上面焊接6根90度弯曲引脚，再透过杜邦线与DC-Stepper-Motor控制板上的3V3/GND与SDA/SCL的四个脚位对接，如此一来只需要一组I2C总线就能完成在PiOLED屏上显示与控制DC-Stepper-Motor用途，在总线上的资源调用是最节省的。

但这种Adafruit显示屏在国内的售价大约在120~150人民币，比中间的国产显示器的30~50人民币足足高出4~5倍，而且还需要额外的6根接脚的焊接作业，其实并不是个优选的方案。

这里推荐一个既省钱又省力的方案，：

1. 使用上图中间（2号）的国产PiOLED显示屏，线路上不需要做任何调整，按照标准方式插上Jetson设备的1~6引脚位置，如下图左；

2. 如上图，使用Jetson设备上另一组I2C总线(27脚位的SDA与28脚位的SCL)、3V3(17脚位)与GND(20脚位)，与DC-Stepper-Motor控制板上的四根引脚对接，也能执行相同的控制任务；
3. 调整控制代码里面的总线编号，在项目中~/jetbot/jetbot/robot.py就是用来控制这个DC-Stepper-Motor的PWM信号，将第14行代码中的 ”default_value=1” 改成 ”default_value=0” 就可以，如下：

如果是使用Docker容器的方式，修改代码之后需要重新创建base与jupyter两个容器，请执行以下代码，就能让修改的配置生效：

这样就能用原本I2C_2执行PiOLED显示内容，另一组I2C_1处理机电控制的部分，总的来说会是最简单轻松的处理方式。

前面提到DC-Stepper-Motor控制版是由PCA9685与TB6612两种芯片所组成，前者在I2C总线应用领域是非常重要的一个PWM控制器，后者则是根据PWM的控制信号为TT电机提供对应电流控制的芯片，透过二者的协作让Jetbot用最简便的元器件，搭建完整功能的车轮控制体系。

Jetbot已经针对这两个芯片提供高级封装的接口，极大程度减少我们的代码复杂度，但是为了让读者能在这过程中，对于I2C总线与这些控制芯片的协作有进一步理解，能更广泛地在Jetson设备上开发出更丰富的机电控制应用，因此占用一些篇幅来讲解一下这两个控制器的基本工作与Jetbot里面的底层代码内容。

• PWM控制信号与PCA9685控制器

这里最重要的关键技术是“脉冲宽度调制(PWM,Pulse width modulation)”控制信号，负责调节对机电设备的电源供给量，但并不对设备提供电源，就像水龙头的功能是负责调节水量而并不具备供水能力是一样的，水龙头是大家所熟悉的“人机界面”，我们只要简单地调节水龙头来控制水流量就像，至于埋藏在墙里的供水管道有多复杂，通常不太引人们注意，除非漏水或阻塞！

目前大部分嵌入式设备都提供这个功能，包括Jetson系列开发套件里也都提供一组PWM引脚(32与33)，不过这必须先经过前面讲解过的jetson-io.py工具进行配置，并且重启之后才能使用。但除非您要开发的应用只需要非常单纯地控制一个设备，否则一组PWM顶多能做个 ”LED闪灯”这类最基础的入门小实验而已。

PCA9685芯片是能提供16个PWM通道的控制芯片，用1组I2C总线就能控制高达16组机电设备，在机器人、机械手臂或无人机等应用领域是非常合适的，毕竟I2C总线在设备上的数量是相对稀缺的。在https://i2cdevices.org/devices/pca9685设备地址列表中，可以看到PCA9685地址编号横跨0x40~0x7F的半壁江山，就能显示这个芯片在I2C应用领域的高使用性。

这个信号控制器需要独立的2.5V~5.5V电源来支持其运作，在控制板上以 ”VCC” 作为标识，由于所需要的电流非常小，可以直接使用主控设备（如Jetson Nano 2GB）上扩充引脚的合适电源与GND，也不会影响主控设备的稳定性，另外再加上一组来自主控设备上的I2C总线的SDA/SCL输入就可以开始工作。

控制板上有另一个 ”V+” 标识的电源输入，是真正要对舵机（下图左）、电机马达（下图右）等动力设备提供电力的供电源。

根据设备不同转速、扭力、转距等参数有不同的工作电流，总的来说一路舵机的最基本工作电流在100毫安以上、一个电机马达的待机状态最少就需要250毫安，实际所需要预留的供电量往往是这个最低量的2~3倍以上，这样的用电级别就不是Jetson Nano 2GB这类嵌入设备所能供应的，必须依赖一个独立供电源才足以支撑。

网上大部分提到的PCA9685控制板，指的是下图中间这种16路PWM舵机驱动板，左边的接脚与Jetson Nano 2GB的I2C与电源的引脚相连，下面有编号0~15总共16组引脚可以接上右边的各种舵机。控制板中间可以看到 ”PWM/V+/GND” 的印刷字样，上方白色电源孔接到独立供电系统，这样就能轻松地组合多机械手臂的应用。

读者可以自行采购这类舵机控制板，去搭建组合机械手臂或者二维/三维可旋转的摄像头的项目，透过指定控制板上的0~15通道(channel)编号的PWM值，进而控制每个舵机的独立工作。

• TB6612电机驱动器与电机供电

这是个俗称为“H桥”的直流电机控制器，主要因为其核心电路形状酷似字母”H”而得名，其功能就是根据所接收的PWM信号，为电机马达提供对应的电流，每个TB6612芯片可以控制一对（两个）电机马达的转速与方向。

在DC-Stepper-Motor控制板上（如下图中），可以看到两边各有一个 ”6612FNC” 芯片，每个芯片占用PCA9685一个通道，各自控制两组电源供应线路，每一组都有正（红线）负（黑线）两极的线，与最右边TT减速电机进行对接。

这个芯片的每个桥都为电机提供1.2A的高电流，每组两个电机就至少需要2.4A以上电流，这绝对不是Jetson Nano 2GB这类嵌入设备所能供应的，必须依赖独立的5V电源才足以满足。

在Jetbot项目中只需要用到1个通道的两个电机组就可以，5V电源由市售的充电宝来担任，但受到这种电源的供电能力所局限，后面要进行的Jetbot范例全都是“慢速低电流”的应用，读者可以在过程中尝试将电机转速调到最大，会发现很容易因为供电不足而导致整套Jetbot掉电。

• Jetbot的控制代码

在~/jetbot/jetbot下面的robot.py与motor.py两个代码，就是为这个项目提供的两个不同阶层的调用库，在这里简单做个说明，读者可以根据这些定义进行调整，改写成适用于其他项目的代码：

• robot.py：

1. 定义“以小车为单位”的“前进/后退/左转/右转/停止”等5个动作，可以自行修改 ”speed=” 参数去调整行进速度。
2. 这是个高阶封装的开发接口，主要调用Python版的Adafruit_MotorHAT库以及下面的motor.py所定义的函数。
3. 这里会使用到的几个参数，主要对应上层robot.py的参数如下
   1. i2c_bus：必须根据实际使用的I2C总线去设置编号，如果使用I2C_2总线则 ”default_value=1”，如果使用I2C_1总线则”default_value=0”。
   2. motor_channel：将 ”left” 设为 ”1”、”right” 设为 ”2”，这些设定会传给motor.py中，去判断该对那个接口输出对应PWM的电流。

• motor.py：

1. 定义“以电机为单位”的“前进/后退/停止”等3个动作，
2. 调用Python版的Adafruit_MotorHAT库，定义与DC-Stepper-Motor控制板直接互动的低阶接口，作为robot.py的基础函数库。
3. 这里会使用到的几个参数，主要对应上层robot.py的参数如下：
   1. driver：对应到robot.py的I2C总线编号
   2. channal：对应robot.py的左右轮”motor_channel”
   3. ina/inb：根据左右通道去设置实际电流输出口的位置编号。

以上将两个代码中最重要的关键提取出来简单说明，其实还是比较简单的，只要捋清楚上面参数之间的关系，就能很轻松地调整代码内容。

这两个代码是针对TB6612驱动的车轮应用所设计的，并不适用于舵机用途，但是只要清楚这些调用逻辑之后，其实代码内容同样是“根据PWM值给设备供给电流”的操作过程，最关键的工作就是先确认设备所对应的接脚编号，其他的代码就是指派工作而已，并没有什么技术难度。

强烈推荐读者可以基于本文所讲解的技术内容，先试着将网上众多树莓派小型项目移植到Jetson设备上，例如LED灯闪烁控制、多维度摄像头云台等机械手臂相关应用，也可以到https://developer.nvidia.com/embedded/community/jetson-projects 这个英伟达开发社区优选项目中，寻找合适的范例。[完]