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双向、串行、多节点数字的技术。其节点安装数量非常多，安装的地区遍及世界各地。
今天的可包含内嵌乘法器、专用计算例程和片上RAM等，加上的并行性，其结果比最快的DSP芯片还要快上500倍乃至更多。随着价格不断下降，甚至最小的器件都足以一个集成可选定制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。
目前方式多为单片机和PLC，随着FPGA的广泛应用，研究现场总线的FPGA解决方案有很大的实用价值。

1 Modbus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。为了提高模块在工业应用中的抗干扰性和稳定性，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ASCII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／输出寄存器操作模式，如表1所示。

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；