NVIDIA Jetson Nano 2GB 系列文章（46）：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：

i2c_bus = traitlets.Integer(default_value=0).tag(config=True)

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：

cd ~/jetbot/docker && ./disable.shsource configure.sh# 只需要重建base与jupyter两个容器cd base && ./build.sh && cd ..cd jupyter && ./build.sh && cd .../enable.sh $HOME/jetbot

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。