Modbus远程IO板-基于STM32F103C8T6-V1.1 - 嘉立创EDA开源硬件平台

# 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](https://item.taobao.com/item.htm?_u=k2qc7to57c3a&id=726246752648&spm=a1z09.2.0.0.34d42e8di4pMLV) 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](https://item.taobao.com/item.htm?_u=k2qc7to57b85&id=620666569256&skuId=4806387853896&spm=a1z09.2.0.0.34d42e8di4pMLV)   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](https://gitee.com/manrong_2008/remote-io.git) - [跳转到调试工具软件开源地址](https://gitee.com/manrong_2008/remote-ioguide.git) ### 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](https://item.taobao.com/item.htm?_u=k2qc7to50d81&id=26802964172&skuId=4861485891320&spm=a1z09.2.0.0.29cf2e8dqZ7G7h) - **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。