Modbus通信協(xié)議的FPGA實現(xiàn)

引言

　　現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間，現(xiàn)場設備與控制裝置之間實現(xiàn)雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術。Modbus協(xié)議其節(jié)點安裝數(shù)量非常多，安裝的地區(qū)遍及世界各地。

　　今天的FPGA可包含內嵌乘法器、專用計算例程和片上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FPGA價格不斷下降，甚至最小的器件都足以實現(xiàn)一個集成可選定制I／O功能的軟處理器核。可見，F(xiàn)PGA對嵌入控制應用越來越具有吸引力。

　　目前Modbus協(xié)議實現(xiàn)方式多為單片機和PLC，隨著FPGA的廣泛應用，研究Modbus現(xiàn)場總線的FPGA解決方案有很大的實用價值。

　　1 Modbus協(xié)議簡介

　　Modbus串行鏈路系統(tǒng)可以使用不同的物理接口(RS 485，RS 232)，最常用的是RS 485兩線制接口。為了提高通信模塊在工業(yè)應用中的抗干擾性和穩(wěn)定性，接口芯片和FPGA核心模塊之間應加入高速光耦進行隔離，總線兩端處放置線路終端電阻，采用屏蔽雙絞線作為通信線等。

　　在串行鏈路上，Modbus RTU(Remote Terminal Unit)模式報文中每8個位字節(jié)含有兩個4位十六進制字符，這種模式的主要優(yōu)點是較高的數(shù)據(jù)密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。RTU模式每個字節(jié)(11位)的格式如圖1所示，支持奇、偶和無校驗，使用無校驗時要求2個停止位。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，報文幀由時長至少為3．5個字符時間的空閑間隔區(qū)分，整個報文幀必須以連續(xù)的字符流發(fā)送，如果兩個字符之間的空閑間隔大于1．5個字符時間，則報文幀被認為不完整被接收節(jié)點丟棄，如圖1所示。

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　　在應用層上，Modbus是一個請求／應答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務。有三類Modbus功能碼：公共碼、用戶定義碼和保留碼，大多數(shù)情況下只用公共碼，其主要包括比特(線圈)訪問、16 b(寄存器)訪問、文件記錄訪問、診斷和其他信息訪問。

　　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。

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　　在某一確定的主時鐘頻率、通信波特率和奇偶校驗方式下，通過設置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。

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　　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關，然后可以通過調節(jié)撥碼開關來靈活控制該設備奇偶性與波特率，也可以通過寄存器配置方式控制。

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　　2．2 接收過程

　　(1)系統(tǒng)處于接收Modbus協(xié)議幀模式下之后，清零標志位和定時器，然后啟動定時器，如果檢測到有串口輸入數(shù)據(jù)，則清零定時器，如果沒有檢測到串口輸入數(shù)據(jù)且定時器第一次計時到3．5個字符時間，置幀起始標志；

　　(2)把接收到的第一個字符放入接收緩沖寄存器的0x00地址(協(xié)議幀最長為256 B，故接收緩沖大小為256 B，地址為8 b)，置已開始接收標志；

　　(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，每接收完一個字符之后清零定時器；如果在接收字符時檢查到起始錯誤(起始位沒有持續(xù)波特率所對應bit時間的一半)，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；

　　(4)如果檢測到兩個字符時間間隔大于1．5個字符時間，則重置幀起始標志，把下一個接收到的字符放入接收緩沖寄存器的0x00地址，再繼續(xù)步驟(3)；

　　(5)當檢測到?jīng)]有字符輸入且定時器第二次檢測到3．5個字符時間，置協(xié)議幀接收完全標志；

　　(6)把接收緩沖區(qū)接收的數(shù)據(jù)作CRC校驗，如果校驗不正確，置幀起始標志，轉到步驟(3)，繼續(xù)等待接收；如果是基于該接口的主Modbus協(xié)議設備，一般應設置超時時間，以避免無限等待；如果校驗正確，則Re_finish發(fā)出一個脈沖，認為接收了一個在數(shù)據(jù)鏈路層上正確的Mod-bus協(xié)議幀。

　　對于幀錯誤(停止位為0)標志FE，奇偶校驗錯誤標志PE，最后一個接收到的數(shù)據(jù)所在接收緩沖區(qū)中的位置Rebuf_end[7．．O]，對外并不必須，可以留出這些端口備用，所以用虛線表示。

　　2．3 輸入／輸出寄存器操作

　　接收緩沖數(shù)據(jù)寄存器和發(fā)送緩沖數(shù)據(jù)寄存器都采用雙口RAM實現(xiàn)，這比寄存器實現(xiàn)要節(jié)省很多資源。為了保證對它們的操作是原子的，即為了避免同時對相同地址執(zhí)行寫操作，故要求當CE_Modbus置低時，外部才可以對輸入輸出寄存器執(zhí)行寫操作，此時接口內部不會對接收／輸出寄存器執(zhí)行任何讀寫操作。

　　2．4 發(fā)送過程

　　(1)在發(fā)送模式使能之前，應先處于輸入／輸出寄存器模式，通過Trbuf_data[7．．0]，Trbuf_add[7．．0]，Trbuf_wren把待發(fā)送的不包括兩位CRC校驗的Modbus協(xié)議幀從地址0x00依次寫入發(fā)送緩沖寄存器中，然后使能Ld_TbNCE信號(一個時鐘周期)，同時存入發(fā)送緩存寄存器所裝最后一個數(shù)據(jù)的地址，然后把該接口置于發(fā)送Modbus協(xié)議幀模式。

　　(2)發(fā)送模塊先對發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的所有數(shù)做CRC-16校驗，然后把計算所得結果按低位在前高位在后的順序依次放到用Ld_TbNCE信號鎖存的地址的下兩個地址位置處。

　　(3)發(fā)送模塊從發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器Ox00開始，依次讀出數(shù)據(jù)并按所給的波特率發(fā)送出去，如果要求奇偶校驗，則發(fā)送完數(shù)據(jù)之后加上計算所得的奇偶校驗位發(fā)送出去。

　　(4)當發(fā)送完最后一個數(shù)據(jù)即CRC-16的高8位數(shù)據(jù)之后，Tr_finish發(fā)出一個脈沖表示發(fā)送完畢。

　　3 接口模塊實現(xiàn)

　　3．1 波特率發(fā)生器

　　波特率發(fā)生器就是一個分頻器，根據(jù)系統(tǒng)時鐘分別發(fā)出位時鐘(Tx_clk)和1／16位時鐘(RX_clkl6)。由于系統(tǒng)的時鐘周期可能不同，為了模塊的通用性，該模塊用一個類屬(Generic)語句產(chǎn)生各種分頻系數(shù)。為了保證同步設計，產(chǎn)生的位時鐘和1／16位時鐘作為控制信號在主時鐘的驅動下控制其他模塊。

　　3．2 接收模塊

　　接收模塊組包括同步濾波模塊、接收機模塊、接收控制模塊、接收狀態(tài)寄存器模塊、時間標志產(chǎn)生模塊等。

　　Modbus網(wǎng)絡中設備是運行在不相關時鐘上的，為了避免亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，要求通信信號進入FPGA時通過兩個級聯(lián)的寄存器。異步輸入信號必須在足夠的時間內保持數(shù)據(jù)有效，從而保證被目標時鐘域檢測到，在接收端則認為最少是大于幾個脈沖寬度的信號才是應該被檢測到的信號，于是在接收端加入濾波模塊，具體算法如下：連續(xù)3次檢測到為高(或低)電平時，才往接收寄存器寫入高(或低)電平，否則保持原來檢測到的電平，不到3個脈沖寬度的信號被過濾。顯然，同步濾波模塊引入了5個時鐘的延遲，但這樣的延時對于Modbus協(xié)議來說可以忽略。

　　接收機模塊是一個改進的UART接收模塊，其工作流程如下：

　　(1)當檢測到起始位時，繼續(xù)讀取其他位并通過移位把它們移人接收移位寄存器RSR中；

　　(2)當所有的數(shù)據(jù)位和停止位都接收完畢后，置RDR寄存器滿標志RDRF位為1；

　　(3)檢測停止位和奇偶校驗位，如果發(fā)現(xiàn)錯誤置相關錯誤標志位；

　　(4)如果所接收數(shù)據(jù)正確，RSR中數(shù)據(jù)載入到接收數(shù)據(jù)寄存器RDR中，清除錯誤標志。

　　從Rxd_syn上進入的比特流與本地的位時鐘不是同步的，為了避免可能在錯誤的時間讀取一些位，在每個比特時間采樣16次，在時鐘Rx_-clkl6的每個上升沿采樣，為了保證最大可行度，在理想情況下將在每比特時間中間進行采樣。首先判斷起始位，當檢測Rxd_syn至少連續(xù)半個位時鐘為低電平時，即從第一次檢測到低電平之后，再連續(xù)9次檢測，如果Rxd_syn為低電平的次數(shù)大于等于8次，則認為起始位到來，此時應該在起始位中間后兩個Rx_clkl6處。之后每隔16個Rx_clkl6時鐘周期在14，15，16個上升沿到來時分別采樣，然后對3次采樣結果取至少兩次相等的數(shù)據(jù)作為所接收到的值，以保證接收數(shù)據(jù)的準確性。8個數(shù)據(jù)位采集完畢之后，根據(jù)Sel_parity[1．．O]信號判斷是否奇偶校驗，如果有校驗需求，則對第9個數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)同樣做3次采樣取兩次相同值作為接收到的奇偶校驗位，同時計算奇偶校驗結果。在停止位(不包括起始位，無校驗時為第9位，有校驗時為第10位)到來時，同樣經(jīng)過3次采樣，但是只要檢測到1位為高就認為停止位正確，為了減少狀態(tài)機數(shù)量，可以在停止位到來時比較計算所得奇偶校驗位和接收到的奇偶校驗位從而判定接收數(shù)據(jù)是否奇偶校驗錯誤。由于接收控制器一定會讀取前一個數(shù)據(jù)字節(jié)并清零RDRF，所以常見的UART里的超限(overrun)錯誤這里并沒有出現(xiàn)。圖3為用QuartusⅡ軟件自帶仿真器仿真結果。

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