基于Picoblaze軟核的Modbus通信協(xié)議設(shè)計

目前，從各大FPGA廠商公布的銷售數(shù)據(jù)來看，Xilinx的FPGA市場份額占到了近50％。Spartan-3E系列的器件密度范圍為10萬到160萬系統(tǒng)門，其單位邏輯單元的成本是FPGA行業(yè)中最低的，能夠以標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品價格實現(xiàn)微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器的功能，并可支持18種通用I／O標(biāo)準(zhǔn)，還可通過ISE來操作PicoBlaze軟核。Spartan-3E同時結(jié)合了強大的平臺FPGA功能和超低價位。因而可使更多的設(shè)計人員享受可編程能力所帶來的益處。

　　1 Picoblaze核結(jié)構(gòu)

　　本文采用Xilinx公司的Spartan-3E*估板及其PicoBlaze IP核來進行基于Modbus通信協(xié)議的系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)是以PC做為上位機，并在*估板上嵌入Picoblaze軟核作為下位機，從而實現(xiàn)Modbus通信協(xié)議。PicoBlaze是Xilinx公司的一款8bit微控制器軟核，它非常之小。可以嵌入到Cool RunnerⅡ，Virtex-E，Virtex-II（Pro）和Spartan-3E的CPLD以及FPGA中。對于整個指令集，PicoBlaze執(zhí)行一條指令需要2個時鐘周期。

　　在對PicoBlaze進行開發(fā)時，首先需要將PicoBlaze認(rèn)識并執(zhí)行的程序經(jīng)過Assembler轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的HDL文件并存放在FPGA內(nèi)部的Block Memory中（因此，PicoBlaze執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期是固定的）。然后，微控制器核心KCPSM3再從Block Memory里面讀取程序并按順序執(zhí)行。PicoBlaze的存儲空間為1024x18bit，也就是說，它能夠存放1024條位長為18的指令。而PicoBlaze支持的指令集也很精簡（只有57條），其中包含程序控制類（跳轉(zhuǎn)，調(diào)用，返回）、算數(shù)類（加，減，比較）、邏輯類（與，或，異或）、中斷類（中斷開啟／關(guān)閉），移位／旋轉(zhuǎn)類（左移／右移，左旋／右旋）和輸入／輸出類（輸入，輸出）。PicoBlaze核的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

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圖1 PicoBlaze核的結(jié)構(gòu)框架圖

　　圖2是微控制器核心KCPSM3的結(jié)構(gòu)框架圖。KCPSM3中一共有16個長度為8位的通用寄存器，每個寄存器都可以在匯編代碼中分別命名。其中，Scratch Pad Memory的大小為64 Bytes，作用相當(dāng)于一塊臨時存儲區(qū)。KCPSM3只支持1個中斷信號，但實際上可以將多個中斷信號用邏輯組合的方式變成一個來使用（會降低單中斷通道的性能）。

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圖2 微控制器核心KCPSM3的結(jié)構(gòu)框架圖

　　2 Modbus協(xié)議

　　2.1 Modbus協(xié)議簡介

　　Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以實現(xiàn)通信。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus接口使用RS-232C兼容串行接口，控制器通信使用主從技術(shù)，它僅有一個設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其他設(shè)備（從設(shè)備）則根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。

　　2.2 串行傳輸模式

　　在標(biāo)準(zhǔn)Modbus上，控制器可使用ASCII或RTU通訊模式來進行通訊。在本設(shè)計采用的是RTU模式。當(dāng)控制器以RTU模式在Modbus總線上進行通訊時，信息中的每8位字節(jié)可分成2個4位16進制的字符，該模式的主要優(yōu)點是在相同波特率下，其傳輸?shù)淖址芏雀哂贏SCII模式，但每個信息必須連續(xù)傳輸。其RTU模式的數(shù)據(jù)傳輸格式如表1所列。

表1 RTU模式的數(shù)據(jù)傳輸格式

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　　在RTU模式中，每個字節(jié)格式的編碼系統(tǒng)可以為8位二進制、十六進制0～9和A～F。其數(shù)據(jù)位包括1位起始位，8位數(shù)據(jù)（低位先送）、奇／偶校驗時1位／無奇偶校驗時0位、帶校驗時1位停止位／無校驗時2位停止位。本系統(tǒng)的錯誤校驗采用循環(huán)冗余校驗（CRC）。

　　2.3 Modbus的信息幀

　　無論是ASCII模式還是RTU模式，Modbus信息都以幀的方式傳輸，每幀有確定的起始點和結(jié)束點。表2所列即為RTU模式時的消息幀格式。

表2 RTU模式時的消息幀格式

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　　使用時，接收設(shè)備在信息的起點開始讀地址，并確定要尋址的設(shè)備（廣播時對全部設(shè)備）以及信息傳輸?shù)慕Y(jié)束時間。也可以檢測部分信息，有錯誤也可作為一種結(jié)果設(shè)定。本文使用的是RTU消息幀。

　　在RTU模式中，信息開始至少需要3.5個字符的靜止時間。依據(jù)使用的波特率，很容易計算這個靜止的時間（如表2中的T1-T2-T3-T4）。之后，第一個區(qū)的數(shù)據(jù)即為設(shè)備地址。各個區(qū)允許發(fā)送的字符均為16進制的0—9，A—F。

　　網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上的信息，包括靜止時間等。當(dāng)接收到第一個地址數(shù)據(jù)時，每臺設(shè)備都立即對它解碼，以決定是否是自己的地址。發(fā)送完最后一個字符號后，也將有一個3.5個字符的靜止時間，然后才能發(fā)送一個新的信息。

　　整個信息必須連續(xù)發(fā)送。如果在發(fā)送幀信息期間出現(xiàn)大于1.5個字符的靜止時間，則接收設(shè)備將刷新不完整的信息，并假設(shè)下一個地址數(shù)據(jù)。

　　同樣，若在一個信息后立即發(fā)送一個新信息（若無3.5個字符的靜止時間），將會產(chǎn)生一個錯誤。這是因為合并信息的CRC校驗碼無效而產(chǎn)生的錯誤。

　　RTU方式時，可采用CRC方法計算錯誤校驗碼，即用CRC校驗傳送的全部數(shù)據(jù)。它會忽略信息中單個字符數(shù)據(jù)的奇偶校驗方法。

　　2.4 錯誤檢測方法

　　標(biāo)準(zhǔn)的Modbus串行網(wǎng)絡(luò)采用奇偶校驗和幀檢測兩種錯誤檢測方法，其中奇偶校驗對每個字符都可用，而幀檢測（LRC或CRC）則應(yīng)用于整個消息。由于本文采用RTU模式進行數(shù)據(jù)傳輸，故使用CRC校驗方法，它可校驗傳送的全部數(shù)據(jù)。其具體實現(xiàn)方法如下：

　　CRC碼為2個字節(jié)／16位的二進制值。通常由發(fā)送設(shè)備計算CRC值，并把它附到信息中去；接收設(shè)備則在接收信息過程中再次計算CRC值并與CRC的實際值進行比較。若二者不一致，則產(chǎn)生一個錯誤。校驗開始時，先把16位寄存器的各位都置為“1”，然后把信息中的相鄰2個8位字節(jié)數(shù)據(jù)放到當(dāng)前寄存器中處理。一般只有每個字符的8位數(shù)據(jù)用于CRC處理，而起始位、停止位和校驗位不參與CRC計算。

　　CRC校驗時，每個8位數(shù)據(jù)先與該寄存器的內(nèi)容進行異或運算，然后向最低有效位（LSB）方向移位，當(dāng)用零填入最高有效位（MSB）后，再對LSB檢查，若LSB=1，則寄存器與預(yù)置的固定值進行異或，若LSB=0，則不作異或運算。

　　之后，重復(fù)上述處理過程，直至移位8次。最后一次（第8次）移位后，下一個8位字節(jié)數(shù)據(jù)再與寄存器的當(dāng)前值進行異或，然后再重復(fù)上述過程。全部處理完信息中的數(shù)據(jù)字節(jié)后，最終得到的寄存器值即為CRC值。

　　CRC值附加到信息時，低位在先，高位在后。CRC生成的多項式是：。

　　2.5 功能選擇

　　本文選擇03讀保持寄存器和06預(yù)置單個寄存器來進行重點介紹。

　?。?）讀保持寄存器

　　查詢信息時，寄存器尋址起始地址為0000，寄存器1～16所對應(yīng)的地址分別為0～15。

　　響應(yīng)信息中的寄存器數(shù)據(jù)為二進制數(shù)據(jù)，每個寄存器分別對應(yīng)2個字節(jié)，第一個字節(jié)為高位值數(shù)據(jù)，第二個字節(jié)為低位數(shù)據(jù)。表3所列是03讀保持寄存器的功能舉例。

表3 讀保持寄存器的功能舉例

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