基于FPGA的Picoblaze核實現(xiàn)Modbus通信協(xié)議

摘要：給出了一種在Xinlinx的Spartan-3E評估板上實現(xiàn)Modbus通信協(xié)議的方法。該方法以PC為上位機，并在評估板上嵌入Picoblaze軟核作為下位機來實現(xiàn)Modbus通信協(xié)議的功能。文中同時介紹了使用Xilinx ISE和Picoblaze軟核進(jìn)行開發(fā)的方法。
關(guān)鍵詞：Modbus通信協(xié)議；Picoblaze核；FPGA；Spartan-3E評估板

0 引言
    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評估板及其PicoBlaze IP核來進(jìn)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，并在評估板上嵌入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?？梢郧度氲紺ool 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(jìn)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。

    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)。

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(jìn)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(jìn)行通訊時，信息中的每8位字節(jié)可分成2個4位16進(jìn)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。

    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(jìn)制、十六進(jìn)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。
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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行重點介紹。
    (1)03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(jìn)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。

    (2) 06預(yù)置單個寄存器
    該寄存器在查詢信息時，寄存器尋址起始地址為0，寄存器1所對應(yīng)的地址為0。請求的預(yù)置值位于查詢數(shù)據(jù)區(qū)。寄存器內(nèi)容被預(yù)置后，返回正常響應(yīng)。表4所列是06預(yù)置單個寄存器的功能舉例。

3 程序設(shè)計
    首先，程序設(shè)計時要明確所實現(xiàn)的Modbus協(xié)議的功能，并且要確定傳輸模式和錯誤校驗方法。本文主要是實現(xiàn)Modbus協(xié)議中的03讀保持寄存器和06預(yù)置單個寄存器的功能，并選用RTU模式進(jìn)行通訊，使用的是CRC錯誤校驗方法。
    其次，要熟悉Picoblaze核的結(jié)構(gòu)、編程方法及指令集，同時確定要使用的寄存器編號和I＼O接口，文本的編輯器中使用匯編指令編寫程序，并以．psm格式保存。
    然后，要使用Kcpsm3進(jìn)行編譯綜合并將已經(jīng)編寫好的程序(．psm)轉(zhuǎn)換成．vhd格式。具體操作時，首先要將程序(．psm文件)保存到Kcpsm3文件夾下面的Assembler文件夾下，然后設(shè)置一個．txt文件，以用來保存編譯后的結(jié)果(如result．txt)。這樣，打開result.txt文件就可以在最下面發(fā)現(xiàn)程序是否出錯，如果出錯，系統(tǒng)應(yīng)提示相關(guān)錯誤；如果程序無誤，則會顯示success。這樣，就可以在Dos環(huán)境下使用Kcpsm3編譯器。圖3所示是本系統(tǒng)的軟件程序流程圖。圖4給出了其相關(guān)命令圖。

    接下來，便可使用ISE下載綜合，以將剛生成的．VHD文件添加到工程中。然后再生成工程文件，這樣，等運行結(jié)束后，就可以下載程序了。
    最后，可以通過一個安裝好的Modbus上位機程序Modbus Poll來檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，再選擇要實現(xiàn)的功能、地址和寄存器，并寫入數(shù)據(jù)，之后便可選擇發(fā)送，其發(fā)送后的結(jié)果如圖5所示。一切就緒后，便可將數(shù)據(jù)寫到相應(yīng)的地址。

4 結(jié)束語
    本文研究了工業(yè)上常用的Modbus通訊協(xié)議的基本通信方式，并基于Xilinx Spartan-3E FPGA的Picoblaze軟核實現(xiàn)了RTU模式的Modbus通信協(xié)議。實驗證明，該方式的收、發(fā)雙方通信良好，可以達(dá)到預(yù)計效果。從而證明，該設(shè)計方法具有一定的實用性。