Modbus通信協(xié)議的FPGA實(shí)現
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現場(chǎng)總線(xiàn)是一種應用于生產(chǎn)現場(chǎng)，在現場(chǎng)設備之間，現場(chǎng)設備與控制裝置之間實(shí)現雙向、串行、多節點(diǎn)數字通信的技術(shù)。Modbus協(xié)議其節點(diǎn)安裝數量非常多，安裝的地區遍及世界各地。
今天的FPGA可包含內嵌乘法器、專(zhuān)用計算例程和片上RAM等，加上FPGA的并行性，其結果比最快的DSP芯片還要快上500倍乃至更多。隨著(zhù)FPGA價(jià)格不斷下降，甚至最小的器件都足以實(shí)現一個(gè)集成可選定制I／O功能的軟處理器核?？梢?jiàn)，FPGA對嵌入控制應用越來(lái)越具有吸引力。
目前Modbus協(xié)議實(shí)現方式多為單片機和PLC，隨著(zhù)FPGA的廣泛應用，研究Modbus現場(chǎng)總線(xiàn)的FPGA解決方案有很大的實(shí)用價(jià)值。
1 Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介
Modbus串行鏈路系統可以使用不同的物理接口(RS 485，RS 232)，最常用的是RS 485兩線(xiàn)制接口。為了提高通信模塊在工業(yè)應用中的抗干擾性和穩定性，接口芯片和FPGA核心模塊之間應加入高速光耦進(jìn)行隔離，總線(xiàn)兩端處放置線(xiàn)路終端電阻，采用屏蔽雙絞線(xiàn)作為通信線(xiàn)等。
在串行鏈路上，Modbus RTU(Remote Terminal Unit)模式報文中每8個(gè)位字節含有兩個(gè)4位十六進(jìn)制字符，這種模式的主要優(yōu)點(diǎn)是較高的數據密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。RTU模式每個(gè)字節(11位)的格式如圖1所示，支持奇、偶和無(wú)校驗，使用無(wú)校驗時(shí)要求2個(gè)停止位。Modbus RTU幀最大為256B，由發(fā)送設備將Modbus報文構造為帶有已知起始和結束標記的幀，報文幀由時(shí)長(cháng)至少為3．5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔區分，整個(gè)報文幀必須以連續的字符流發(fā)送，如果兩個(gè)字符之間的空閑間隔大于1．5個(gè)字符時(shí)間，則報文幀被認為不完整被接收節點(diǎn)丟棄，如圖1所示。
在應用層上，Modbus是一個(gè)請求／應答協(xié)議，并且提供功能碼規定的服務(wù)。有三類(lèi)Modbus功能碼：公共碼、用戶(hù)定義碼和保留碼，大多數情況下只用公共碼，其主要包括比特(線(xiàn)圈)訪(fǎng)問(wèn)、16 b(寄存器)訪(fǎng)問(wèn)、文件記錄訪(fǎng)問(wèn)、診斷和其他信息訪(fǎng)問(wèn)。
2 Modbus RTU通信協(xié)議接口設計
2．1 接口功能及模塊劃分
Modbus RTU接口框圖及輸入、輸出引腳示意圖如圖2所示。
在某一確定的主時(shí)鐘頻率、通信波特率和奇偶校驗方式下，通過(guò)設置CE_Modbus和R_Tn的狀態(tài)，可以控制該接口模塊處于接收Modbus協(xié)議幀模式、發(fā)送Modbus協(xié)議幀模式或輸入／輸出寄存器操作模式，如表1所示。
典型的波特率和奇偶校驗位設置如表2、表3所示。這兩組控制信號可以從端口引出接到撥碼開(kāi)關(guān)，然后可以通過(guò)調節撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)靈活控制該設備奇偶性與波特率，也可以通過(guò)寄存器配置方式控制。
2．2 接收過(guò)程
(1)系統處于接收Modbus協(xié)議幀模式下之后，清零標志位和定時(shí)器，然后啟動(dòng)定時(shí)器，如果檢測到有串口輸入數據，則清零定時(shí)器，如果沒(méi)有檢測到串口輸入數據且定時(shí)器第一次計時(shí)到3．5個(gè)字符時(shí)間，置幀起始標志；
(2)把接收到的第一個(gè)字符放入接收緩沖寄存器的0x00地址(協(xié)議幀最長(cháng)為256 B，故接收緩沖大小為256 B，地址為8 b)，置已開(kāi)始接收標志；
(3)將接收到的正確字符依次放入接收緩沖寄存器中，即地址每次加1，每接收完一個(gè)字符之后清零定時(shí)器；如果在接收字符時(shí)檢查到起始錯誤(起始位沒(méi)有持續波特率所對應bit時(shí)間的一半)，奇偶校驗錯誤，或者幀錯誤(停止位為O)，則丟棄該字符，重新同步起始位；
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