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Modbus通信协议的FPGA实现

• O 引言
  现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间，现场设备与控制装置之间实现双向、串行、多节点数字通信的技术。Modbus协议其节点安装数量非常多，安装的地区遍及世界各地。
  今天的FPGA可包含内嵌乘法器、专用计算例程和片上RAM等，加上FPGA的并行性，其结果比最快的DSP芯片还要快上500倍乃至更多。随着FPGA价格不断下降，甚至最小的器件都足以实现一个集成可选定制I／O功能的软处理器核。可见，FPGA对嵌入控制应用越来越具有吸引力。
  目前Modbus协议实现方式多为单片机和PLC，随着FPGA的广泛应用，研究Modbus现场总线的FPGA解决方案有很大的实用价值。
  
  1 Modbus协议简介
  Modbus串行链路系统可以使用不同的物理接口(RS 485，RS 232)，最常用的是RS 485两线制接口。为了提高通信模块在工业应用中的抗变压器与电感器设计干扰性和稳定性，接口芯片和FPGA核心模块之间应加入高速光耦进行隔离，总线两端处放置线路终端电阻，采用屏蔽双绞线作为通信线等。
  在串行链路上，Modbus RTU(Remote Terminal Unit)模式报文中每8个位字节含有两个4位十六进制字符，这种模式的主要优点是较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCI电感生产厂家I模式有更高的吞吐率。RTU模式每个字节(11位)的格式如图1所示，支持奇、偶和无校验，使用无校验时要求2个停止位。Modbus RTU帧最大为256B，由发送设备将Modbus报文构造为带有已知起始和结束标记的帧，报文帧由时长至少为3．5个字符时间的空闲间隔区分，整个报文帧必须以连续的字符流发送，如果两个字符之间的空闲间隔大于1．5个字符时间，则报文帧被认为不完整被接收节点丢弃，如图1所示。

  

  
  在应用层上，Modbus是一个请求／应答协议，并且提供功能码规定的服务。有三类Modbus功能码：公共码、用户定义码和保留码，大多数情况下只用公共码，其主要包括比特(线圈)访问、16 b(寄存器)访问、文件记录访问、诊断和其他信息访问。
  
  2 Modbus RTU通信协议接口设计
  2．1 接口功能及模块划分
  Modbus RTU接口框图及输入、输出引脚示意图如图2所示。

  

  
  在某一确定的主时钟频率、通信波特率和奇偶校验方式下，通过设置CE_Modbus和R_Tn的状态，可以控制该接口模块处于接收Modbus协议帧模式、发送Modbus协议帧模式或输入／输出寄电感生产厂家存器操作模式，如表1所示。

  大电流电感

  
  典型的波特率和奇偶校验位设置如表2、表3所示。这两组控制信号可以从端口引出接到拨码开关，然后可以通过调节拨码开关来灵活控制该设备奇偶性与波特率，也可以通过寄存器配置方式控制。

  

  
  2．2 接收过程
  (1)系统处于接收Modbus协议帧模式下之后，清零标志位和定时器，然后启动定时器，如果检测到有串口输入数据，则清零定时器，如果没有检测到串口输入数据且定时器第一次计时到3．5个字符时间，置帧起始标志；
  (2)把接收到的第一个字符放入接收缓冲寄存器的0x00地址(协议帧最长为256 B，故接收缓冲大小为256 B，地址为8 b)，置已开始接收标志；
  (3)将接收到的正确字符依次放入接收缓冲寄存器中，即地址每次加1，每接收完一个字符之后清零定时器；如果在接收字符时检查到起始错误(起始位没有持续波特率所对应bit时间的一半)，奇偶校验错误，或者帧错误(停止位为O)，则丢弃该字符，重新同步起始位；
  (4)如果检测到两个字符时间间隔大于1．5个字符时间，则重置帧起始标志，把下一个接收到的字符放入接收缓冲寄存器的0x00地址，再继续步骤(3)；
  (5)当检测到没有字符输入且定时器第二次检测到3．5个字符时间，置协议帧接收完全标志；
  (6)把接收缓冲区接收的数据作CRC校验，如果校验不正确，置帧起始标志，转到步骤(3)，继续等待接收；如果是基于该接口的主Modbus协议设备，一般应设置超时时间，以避免无限等待；如果校验正确，则Re_finish发出一个脉冲，认为接收了一个在数据链路层上正确的Mod-bus协议帧。

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