RemoteIO-一个简单的Modbus远程IO板

更新记录

20240501:

1. PCB版本升级到V1.1
2. 修正ADS1115的VDD未正确连接到5v电源的错误.（这里非常感谢[shaoele]指出了电源连接错误）。
3. 电源部分注释对齐。
4. 避开电感底层绕线。
5. 优化DCDC芯片FB反馈线路。
6. 单片机程序部分增加了模拟量输入部分程序，发布版本V40501。
7. 附件中的固件也更新到40501。

写在之前

1. 设计中参考了开源广场上的一些开源项目，借鉴了一些电路设计，感谢开源大神。
2. 当前版本的IO板已经完成打样，除了模拟量输入部分的软件功能未实现之外，其余功能均已验证通过，并经过连续4天运行通信无异常。
3. 本次的硬件、程序、调试软件全部开源，欢迎各位小伙伴参考。若准备应用到项目上，请自行进行一些抗干扰和老化测试，并承担因使用产生的风险。
4. 下一个版本计划解决模拟输入的问题，并设计PCF8575扩展IO板。

设计背景

本人现从事自动化设备开发工作，平时主要是和PLC、上位机、机械手这些打交道，发现在一些特殊场合或者空间受限的情况下，使用PCB和单片机能更方便地实现功能。所以工作之余在学习电子电路相关知识，为了巩固所学知识，避免一看就会一做就废，所以花了点时间做了这个IO板，通过这个IO板的软硬件设计，来巩固学习的知识。当然，由于知识不足和能力有限，有设计不当或考虑不全的地方，请各位大神指点，万分感谢。

模块说明

功能简介

基于STM32F103C8T6单片机的Modbus远程IO板，可用于上位机通信、远程控制等场景。

• 主控芯片：STM32F103C8T6单片机
• 电源：DC24V
• 输入：8路隔离数字输入
• 输出：6路隔离数字输出
• 模拟量输入：4路16位模拟量输入
• 通信接口：RS485、以太网、TTL串口、IIC
• 通信参数设置：通过拨码开关，可以设置站号、波特率，打开与关闭120欧姆的终端电阻
• 工作指示：一路ERR指示灯，一路RUN指示灯
• 通信协议：ModbusRTU、ModbusTCP
• 开发环境：Visual Studio Code
• 开发框架：PlatformIO+Arduino
• 软件架构：FreeRTOS+看门狗
• 程序开源：附件中有HEX程序文件，需要将程序下载到单片机中
• 调试软件：附件中调试工具，需要通过RS485或网络连接到模块上

对外接口

• 使用拔插式端子，方便快速配线。
  

详细功能说明

1. 主控芯片：采用STM32F103C8T6最小开发板。
   • 使用源地YD-STM32F103C8T6，TYPE-C接口，做工和质量都不错，个人感觉性价比很高。
   • 
     看看这个模块
2. 电源：设计DC24V，实测9-24V都能正常工作。
   • 24V为电源正，0V为电源负，PE为接地。
3. 输入：8路隔离数字输入。
   • 使用双向光耦做隔离。
   • SS为公共端，X0-X7为输入端口，兼容NPN/PNP输入。
   • 设计工作电压DC24V，实测9-26V都能正常工作。
   • 输入带有滤波算法，默认5ms。
4. 模拟输入：使用ADS1115芯片。
   • 使用IIC读取ADS1115模拟量芯片数据。
   • 使用了电压跟随器提高输入阻抗。
   • 4路输入，16位ADC精度。
   • 输入电压范围0-5V。
5. 输出：6路隔离数字输出
   • 输出经过光耦进行了隔离。
   • PD+和PD-为输出侧电源，由于使用了24V继电器，需供电DC24V。
   • 2路NPN输出，输出时与PD-连通。
   • 4路继电器输出,COM为公共端，Y2/Y3/Y4/Y5共用COM口，虽然继电器单路最大3A，但COM总电流建议不要超过3A。
6. 通信接口：RS485、以太网、TTL串口、IIC
   • RS485x1：支持Modbus RTU协议。
   • TTL串口x1：用于下载程序或打印信息。
   • IIC接口x1：用于后续扩展使用。
   • 以太网x1：支持Modbus TCP协议，以太网通信通过W5500模块实现，需注意模块引脚方向调整（如果只需要ModbusRTU可以不接这个模块）。
     • 注意:模块引脚方向需要修改向下。
     • 注意:模块引脚方向需要修改向下。
     • 注意:模块引脚方向需要修改向下。
     • 下图为对比图
       看看这个模块
       
       
7. 通信参数：通过拨码开关，可以设置站号、波特率，打开与关闭120欧姆的终端电阻。
   • 站号设置：通过SW1 SW2 SW3组合，来设置站号，详见表一。
   • 波特率设置：通过SW4 SW5组合，来设置波特率，详见表二。
   • 终端电阻：SW8为ON接入终端电阻，OFF断开终端电阻，详见表三。

表一

站号	SW3	SW2	SW1
1	OFF	OFF	OFF
1	OFF	OFF	ON
2	OFF	ON	OFF
3	OFF	ON	ON
4	ON	OFF	OFF
5	ON	OFF	ON
6	ON	ON	OFF
7	ON	ON	ON

表二

波特率	SW5	SW4
115200	OFF	OFF
9600	OFF	ON
19200	ON	OFF
38400	ON	ON

表三

终端电阻	SW8
接入	ON
断开	OFF

8. 工作指示：一路ERROR指示灯，一路运行指示灯
   • ERR指示灯：当IO板出现看门狗超时时，ERR指示灯常量
   • RUN指示灯：当IO板开始扫描输入输出时，RUN指示灯以1S间隔闪烁
9. 通信协议：ModbusRTU、ModbusTCP
   • ModbusRTU：标准ModbusRTU协议，程序中只使用了保持寄存器区域，总共20个保持寄存器。
     • 默认参数：站号1，波特率115200 8N1,
   • ModbusTCP：标准ModbusRTU协议，数据区与ModbusRTU一致。
     • 默认IP：192.168.1.168
     • 端口：502
   • 寄存器地址说明：详见后附的Modbus寄存器说明。
10. 开发环境：全球最牛逼IDE Visual Studio的弟弟Visual Studio Code。
11. 开发框架：PlatfromIO+Arduino
    • PlatformIO：集成了很多工具，非常好用。
    • Arduino:简单好用。
12. 程序架构：FreeRTOS+看门狗

预留的IIC接口

• 板子上预留了一个带5V电源的IIC接口，可以通过IIC接口去再次扩展更多的输入输出口。

引脚定义

程序软件部分

• 跳转到单片机程序开源地址
• 跳转到调试工具软件开源地址

PCB程序下载

• 程序文件：附件中已包含HEX文件
• stlink下载：推荐使用stlink下载器，某宝十来块钱。只需要接3根线，不需要切换模式，方便快捷。看看stlink
• 串口下载：需要准备USB转串口工具，板子上已预留下载口，下载时需要将Boot0设置为1，下载后boot0再切换回0。

Modbus寄存器说明

Modbus地址	参数定义	默认值	单位	范围	读写	说明
0	固件版本号	40408	/		R	固件版本号,一位年尾号+2位月份+2位日
1	当前站号	1	/		R	全off为1，其他按位组合，修改后需重启生效 DIP3 DIP2 DIP1 000：1 001：1 010：2 依次类推,最大为111：7
2	当前波特率	0	bps		R	全off位115200，，修改后需重启生效 DIP5 DIP4 00：115200 01：9600 10：19200 11：38400
3	参数保存	0	/		R/W	写入对应数值后，程序会自动清零 = 10, // 将Modbus寄存器的值保存到EEPROM中 = 20, // 从EEPROM中加载Modbus寄存器的值 = 30, // 重启设备 = 66, // 恢复出厂设置并重启设备
4	输入滤波时间	5	ms	1-100	R/W	输入端口的滤波时间
5	MAC地址字节1和2	0XCDAB	/		R/W	初始化时是以单片机ID自动生成
6	MAC地址字节3和4	0X12EF	/		R/W
7	MAC地址字节5和6	0X5634	/		R/W
8	IP地址低16位	0X01A8	/		R/W	例如：192.168.1.168，修改IP地址后必须重启才会生效。 15：高字节01=1，低字节A8=168 16：高字节C0=192，低字节A8=168
9	IP地址高16位	0XC0A8	/		R/W
10	设备运行时间		秒	0-65535	R	设备运行时间，重复0-65535，可用于心跳检测
11	输入状态反馈				R	bit0-bit7分别对应X0-X7
12	输出状态反馈				R/W	bit0-bit5分别对应Y0-Y5
13	扩展输入状态反馈				R	bit0-bit7分别对应X10-X17 bit8-bit15分别对应X20-X27
14	扩展输出状态反馈				R/W	bit0-bit7分别对应Y10-Y17 bit8-bit15分别对应Y20-Y27
15	AI0模拟量电压输入				R	AI0的模拟量电压输入转换的数字量，电压输入范围0-5V，精度0.01V,数字量经过转换公式（测量值*0.0001818）后得到时实际输入电压值。例如数字值为27415，则输入电压为27415*0.0001818=4.98V。 注：如果读取值为32767，则表似乎模拟输入芯片部分未初始化完成，存在故障。
16	AI1模拟量电压输入				R	参考AI0计算
17	AI2模拟量电压输入				R	参考AI0计算
18	AI3模拟量电压输入				R	参考AI0计算

配线

测试部分

使用ModbusPoll软件测试

• 测试软件:我使用的Modbus软件。
  链接：https://pan.baidu.com/s/1gVSAOsch675w53tLc9f6kw?pwd=um7m 提取码：um7m 复制这段内容后打开百度网盘手机App，操作更方便哦
• 硬件配线：连接IO板电源，可根据需要连接输出或输入侧的电源。
  
• 软件：用了ModbusRTU和ModbusTCP同时连接IO板
  

通过ModbusPoll软件修改IP地址

• 例如需要设置IP地址为192.168.10.5。
  1. 连接IO板：通过ModbusRTU或者ModbusTCP连接到IO板。
  2. IP地址转换16进制：可使用电脑计算器计算，计算16进制得C0.A8.0A,05。
  3. 设置IP：地址9设置为0xC0A8，地址8设置为0x0A05。
  4. 保存参数：设置地址3为10。
  5. 重启：设置地址3为30。
  6. 配置完成，IO板的IP地址就修改完成了。

使用调试工具软件

• 附件中包含调试工具软件
• 使用方式请查看帮助
  

其他

需要手动添加的物料

• 有三种拔插式接线端子不在BOM种，请手动添加：
  • 1*6P：物料号：C7247，用量1个
  • 1*3P：物料号：C8413，用量1个
  • 1*9P；物料号：C31287，用量2个

关于一些问题

1. 使用STM32最小开发板：能够快速验证自己的思路，并降低一些想学习的小伙伴复刻难度。
2. 使用W5500模块：考虑一些场合不需要使用以太网时可以不接这个模块。需要注意的是模块的引脚默认是向上的，需要将引脚修改成向下，这可能是比较麻烦的地方。
3. 模拟输入部分：为提高分辨率和提高输入阻抗，模拟电压经过电阻分压后进入运放做的电压跟随器，运放输出再进入ADS1115的输入，所以转换公式为（输入值*4.096/32767）*1.4545。

写在最后

再次感谢在网络上开源软硬件的大神们，让我们能站在他们的肩膀上做一些有意义的事情。