基于软硬件结合的分布式 IO 拓展系统设计

这是我的本科毕业设计项目，基于 STM32 与 Modbus RTU 协议设计了一套分布式 IO 拓展系统。系统采用模块化硬件架构和封装式软件设计，可根据具体应用场景灵活组合 IO 功能。

项目背景

在工业 4.0 与中国制造 2025 的背景下，工业控制系统对可扩展性和可维护性的要求越来越高。传统集中式 IO 系统在面对复杂生产设备时，布线成本高、扩展困难。分布式 IO 系统因其灵活部署和高可靠性的特点，被广泛应用于智能制造、能源管理、楼宇自动化等领域。

然而，市场上的分布式 IO 产品（如西门子 ET200SP、施耐德 Modicon Edge IO 等）价格较高，且不同厂商的产品之间兼容性有限。本项目旨在设计一套低成本、可灵活配置的分布式 IO 系统框架。

系统架构

整个系统由三类模块组成，通过统一的 PH2.0 2×20P 排针排母接口和内部 RS-485 总线连接：

核心板

系统的计算与控制核心，基于 STM32F103C8T6 最小系统设计。

• 128K Flash + 20K SRAM
• 引出 UART、SPI、I2C、CAN 等外设接口
• 外部 5V 供电，板载 AMS1117 LDO 稳压至 3.3V
• 双 LED 指示（运行状态 + 总线状态）

核心板通过标准接口与不同功能板配合，实现不同的 IO 功能。

Modbus RTU 接口板

作为系统网关，连接外部 PLC 与内部扩展总线。

• 外部 24V DC 供电（支持 18-36V 宽压输入）
• 板载防雷保护、ESD 防护、防反接整流、自恢复保险丝
• DCDC 降压（LGS5145，4.5-55V 输入）为核心板供 5V
• 双路 UART 转 RS-485（MAX485），分别用于外部通讯和内部总线
• 外部接口兼容西门子 S7-1200/S7-1500 PLC

数字量扩展板

实现具体的 IO 功能，挂载在内部总线上。

数字量输入板：

• 8 路晶体管数字量输入，带 LED 状态指示
• 1 路高速脉冲输入（≥1KHz，计数误差 ≤0.3%）
• 输入信号光耦隔离（TLP281-4，隔离度 ≥1000V DC）

数字量输出板：

• 8 路晶体管数字量输出，带 LED 状态指示
• 1 路高速脉冲输出（≥5KHz，误差 ≤0.3%），支持频率和占空比可调
• 输出信号光耦隔离

软件设计

软件架构采用封装式设计，便于移植到不同硬件平台。

Modbus RTU 协议栈

自行实现了完整的 Modbus RTU 从站协议栈，支持以下功能码：

功能码	功能
01	读取线圈寄存器
02	读取离散输入寄存器
03	读取保持寄存器
05	写单个线圈寄存器
06	写单个保持寄存器
0F	写多个线圈寄存器
10	写多个保持寄存器

协议栈采用分层设计：底层串口收发 → 帧解析与 CRC 校验 → 功能码分发 → 寄存器读写回调。各模块只需实现自己的寄存器回调函数即可。

Modbus 帧解析与功能码分发核心逻辑：

void Modbus_Process(uint8_t *frame, uint16_t len) {
    uint8_t addr = frame[0];
    uint8_t func = frame[1];

    // CRC 校验
    uint16_t crc_recv = (frame[len-1] << 8) | frame[len-2];
    uint16_t crc_calc = Modbus_CRC16(frame, len - 2);
    if (crc_recv != crc_calc) return;

    // 地址过滤
    if (addr != local_addr) return;

    // 功能码分发
    switch (func) {
        case 0x01: Modbus_ReadCoils(frame);           break;
        case 0x02: Modbus_ReadDiscreteInputs(frame);  break;
        case 0x03: Modbus_ReadHoldingRegs(frame);     break;
        case 0x05: Modbus_WriteSingleCoil(frame);     break;
        case 0x06: Modbus_WriteSingleReg(frame);      break;
        case 0x0F: Modbus_WriteMultiCoils(frame);     break;
        case 0x10: Modbus_WriteMultiRegs(frame);      break;
        default:   Modbus_ErrorResponse(addr, func, 0x01); break;
    }
}

接口板网关逻辑

接口板核心板运行网关转发程序，负责：

• 接收外部 PLC 的 Modbus RTU 请求
• 根据从站地址转发到内部总线上对应的扩展板
• 将扩展板的响应回传给 PLC

void Gateway_Forward(uint8_t *plc_frame, uint16_t len) {
    uint8_t target_addr = plc_frame[0];

    // 查询寄存器偏移表，定位目标扩展板
    uint8_t bus_addr = RegOffsetTable_Lookup(target_addr);
    if (bus_addr == 0xFF) {
        // 无设备响应
        return;
    }

    // 转发到内部 RS-485 总线
    IBUS_Send(plc_frame, len);

    // 等待扩展板响应（超时机制）
    uint16_t resp_len = IBUS_WaitResponse(resp_buf, TIMEOUT_MS);
    if (resp_len > 0) {
        // 回传给外部 PLC
        EBUS_Send(resp_buf, resp_len);
    }
}

扩展板 IO 控制

• 数字量输入：GPIO 配置为输入模式，通过 IDR 寄存器读取引脚电平，映射到离散输入寄存器
• 高速脉冲输入：TIM 配置为外部时钟模式，上升沿触发 CNT 计数，映射到保持寄存器
• 数字量输出：GPIO 配置为推挽输出，通过 ODR 寄存器控制，映射到线圈寄存器
• 高速脉冲输出：TIM 配置为 PWM 比较输出模式，72MHz 主频预分频至 1MHz，通过 ARR/CCR 寄存器控制频率和占空比

数字量输入——读取 8 路 GPIO 状态并映射到离散输入寄存器：

// 02 功能码回调：读取离散输入寄存器
uint8_t Modbus_ReadDiscreteInputs_CB(uint16_t addr, uint16_t qty) {
    uint8_t state = Get_GPIO_Ports();  // 读取全部 IO 状态
    // 按寄存器地址偏移返回对应位
    return (state >> addr) & ((1 << qty) - 1);
}

uint8_t Get_GPIO_Ports(void) {
    uint8_t state = 0;
    state |= ((GPIOB->IDR >> 10) & 0x01) << 0;  // PB10 → Port1
    state |= ((GPIOB->IDR >> 11) & 0x01) << 1;  // PB11 → Port2
    state |= ((GPIOB->IDR >> 12) & 0x01) << 2;  // PB12 → Port3
    // ... 其余端口类似
    return state;
}

高速脉冲输出——TIM PWM 配置与保持寄存器控制：

void TIM_PWM_Init(void) {
    // 72MHz / (71+1) = 1MHz 计数频率
    htim.Init.Prescaler = 71;
    htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim.Init.Period = 0xFFFF;        // ARR: 控制输出频率
    htim.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim);

    // PWM 通道配置
    sConfig.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfig.Pulse = 0;                // CCR: 控制占空比
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfig, TIM_CHANNEL_3);
}

// 03/06/10 功能码回调：读写保持寄存器
void Modbus_HoldingReg_CB(uint16_t addr, uint16_t value, uint8_t rw) {
    if (rw == WRITE) {
        switch (addr) {
            case 0x00: TIM3->ARR  = value; break;  // 频率控制
            case 0x01: TIM3->CCR3 = value; break;  // 占空比控制
            case 0x02:                              // 脉冲数量
                if (value > 0) HAL_TIM_PWM_Start_IT(&htim, TIM_CHANNEL_3);
                break;
        }
    } else {
        // 读取对应寄存器值返回
    }
}

总线寻址

每块扩展板通过硬件拨码开关设置从站地址，ADC 读取分压电阻值识别地址，支持总线上多设备挂载。

uint8_t Get_Bus_Address(void) {
    uint16_t adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);  // 读取 AIN 引脚电压
    // 根据分压电阻阶梯映射到地址 1~8
    if (adc_val < 512)  return 1;
    if (adc_val < 1024) return 2;
    if (adc_val < 1536) return 3;
    if (adc_val < 2048) return 4;
    // ...
    return 0xFF;  // 无效地址
}

硬件设计

所有 PCB 使用嘉立创 EDA 设计，核心板与功能板通过统一的排针排母接口对接。

主要设计要点：

• 电源保护：防雷空气放电管 + ESD 保护二极管 + 防反接整流 + 自恢复保险丝
• 信号隔离：输入输出均采用光耦隔离（TLP281-4），隔离度 ≥1000V DC
• 电平转换：UART 转 RS-485 采用 MAX485 芯片
• 模块化接口：统一 PH2.0 2×20P 连接器，核心板可即插即用

测试结果

• 数字量输入输出功能正常，LED 指示准确
• 高速脉冲输入计数频率 ≥1KHz，误差在 0.3% 以内
• 高速脉冲输出频率 ≥5KHz，误差在 0.3% 以内
• 与西门子 S7-1200 PLC 通过 Modbus RTU 通讯正常
• 系统在 18-36V 供电范围内稳定运行

总结

这个项目让我完整经历了从需求分析、硬件选型、原理图设计、PCB Layout、焊接调试到固件开发的全流程。模块化的设计思路使系统具备良好的可扩展性——后续只需设计新的功能板（如模拟量输入输出板），挂载到内部总线上即可。软件的封装式设计也使协议栈和驱动代码可以方便地移植到其他 MCU 平台。