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Modbus通信协议的FPGA实现

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  3．3 发送模块
  发送模块包括发送控制模块，发送机模块，发送状态寄存器模块等。
  发送机模块是基于普通UART发送原理设计，其发送过程如下：
  (1)等待TDRE=‘1’，即等待发送数据寄存器(TDR)为空，随后TDR中载入一个字节数据，并把TDRE清零。
  (2)根据波特率设置Sel_baud[1．．0]对TDR里的数据进行奇偶校验计算。
  (3)把TDR里的数据放入发送移位寄存器TSR的1～8位，TSR第O位放起始位(‘O’)，TSR第9位放入奇偶校验位或者停止位(‘1’)。
  (4)通过对TSR右移，一位一位地发送出9位数据比特，最后发送停止位(‘1’)。
  3．4 CRC模块
  CRC模块包括接收CRC控制模块，发送CRC控制模块，CRC产生模块三部分。

  

  
  生成CRC的过程为：
  (1)将一个16位寄存器装入十六进制FFFF(全1)，将之称作CRC寄存器。
  (2)将报文的第一个8位字节与16位CRC寄存器的低字节异或，结果置于CRC寄存器。
  (3)将CRC寄存器右移1位(向LSB方向)，MSB充零，提取并检测LSB。
  (4)如果LSB为0：重复步骤(3)(另一次移位)；如果LSB为1：对CRC寄存器异或多项式值0xA00l(1010000000000001)。
  (5)重复步骤(3)和(4)，直到完成8次移位。当做完此操作后，将完成对8位字节的完整操作。
  (6)对报文中的下一个字节重复步骤(2)～(5)，继续此操作直至所有报文被处理完毕。
  (7)CRC寄存器中的最终内容为CRC值。

  

  
  这种方式计算CRC值的时间比其他方式计算CRC(比如查表法等)的时间稍微要长，但是它节省了资源，比如查表法计算CRC需要一个数组来存放所有可能的CRC结果值。图5为对数据串“010300000001”(十绕行电感器六进制)CRC-16运算的仿真时序图，时钟周期为50 MHz，由图可见，整个计算时间在2．5 μs内，估算一个含有240个字符的消息，CRC校验总时间约为2．5μs×(240／6)=100μs，这样长的校验计算时间对于Modbus协议来说是完全可以接受的。
  
  4 基于该接口的MODBUS从站协处理器实现
  协处理器框图如图6所示。

  

  
  从站协处理器控制模块程序控制过程如下：
  (1)置CE_Modbus为‘1’，把MAX485芯片信号输出置低，即控制RS 485接口芯片处于接收状态。
  (2)等待一段延迟时间(RS 485接口芯片稳定时间)，使能Modbus协议接口模块即置CE_Modbus为‘1’，并置接收Modbus协议帧模式。
  (3)如果接收到一个完整的帧(消息)，则转到步骤(4)，如果没接收到一个完整的消息，一直处于等待状态。
  (4)先置CE_Modbus为‘O’，再解释接收缓冲寄存器里消息，等待消息处理完毕，如果消息不是发往该从站或者为广播电感磁环消息，则转到步骤(2)；否则把信号输出置高，转到步骤(5)。
  (5)等待一段延迟时间，使能Modbus协议接口模块即置电感生产CE_Modbus为‘1’，并置发送Modbus协议帧模式。
  (6)等待发送完成，转到步骤(1)。
  解释模块主要由解释控制模块、分析模块、各功能码解释模块、错误功能码处理模块组成。分析模块首先分析接收消息起始两个字节，即地址码和功能码。如果地址为广播消息地址(地址为0)或者地址码和本从站地址不相等，则不处理本消息，解释控制模块发出解释完毕并置不响应信号为“1”，顶层控制模块继续处于等待接收消息状态。如果功能码为非支持功能码，则选择错误功能代码处理模块；如果为某一支持的功能码，则选择相应的功能模块解释接收消息，按照功能码要求解码(例如读／写某一指定寄存器或者线圈)。处理完之后把相应的异常码响应消息或者正常响应消息写入Modbus协议接口模块里的发送缓冲寄存器里，完毕之后通过Ld_TbNCE信号把发送缓冲寄存器锁存消息的末地址(不带CRC校验位)Trbuf_add[7．．O](保证在Ld_TbNCE有效时它为末地址

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