基于FPGA的Picoblaze核实现Modbus通信协议

    摘要：给出了一种在Xinlinx的Spartan-3E评估板上实现Modbus通信协议的方法。该方法以PC为上位机，并在评估板上嵌入Picoblaze软核作为下位机来实现Modbus通信协议的功能。文中同时介绍了使用Xilinx ISE和Picoblaze软核进行开发的方法。

0 引言

    目前，从各大FPGA厂商公布的销售数据来看，Xilinx的FPGA市场份额占到了近50％。Spartan-3E系列的器件密度范围为10万到160万系统门，其单位逻辑单元的成本是FPGA行业中最低的，能够以标准产品价格实现微处理器、微控制器和数字信号处理器的功能，并可支持18种通用I/O标准，还可通过ISE来操作PicoBlaze软核。Spartan-3E同时结合了强大的平台FPGA功能和超低价位。因而可使更多的设计人员享受可编程能力所带来的益处。

1 Picoblaze核结构

    本文采用Xilinx公司的Spartan-3E评估板及其PicoBlaze IP核来进行基于Modbus通信协议的系统设计。该系统的整体结构是以PC做为上位机，并在评估板上嵌入Picoblaze软核作为下位机，从而实现Modbus通信协议。PicoBlaze是Xilinx公司的一款8bit微控制器软核，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。对于整个指令集，PicoBlaze执行一条指令需要2个时钟周期。

    在对PicoBlaze进行开发时，首先需要将PicoBlaze认识并执行的程序经过Assembler转换成相应的HDL文件并存放在FPGA内部的Block Memory中(因此，PicoBlaze执行一条指令所需的时钟周期是固定的)。然后，微控制器核心KCPSM3再从Block Memory里面读取程序并按顺序执行。PicoBlaze的存储空间为1024x18bit，也就是说，它能够存放1024条位长为18的指令。而PicoBlaze支持的指令集也很精简(只有57条)，其中包含程序控制类(跳转，调用，返回)、算数类(加，减，比较)、逻辑类(与，或，异或)、中断类(中断开启/关闭)，移位/旋转类(左移/右移，左旋/右旋)和输入/输出类(输入，输出)。PicoBlaze核的结构框架如图1所示。

    图2是微控制器核心KCPSM3的结构框架图。KCPSM3中一共有16个长度为8位的通用寄存器，每个寄存器都可以在汇编代码中分别命名。其中，Scratch Pad Memory的大小为64 Bytes，作用相当于一块临时存储区。KCPSM3只支持1个中断信号，但实际上可以将多个中断信号用逻辑组合的方式变成一个来使用(会降低单中断通道的性能)。

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2 Modbus协议

2．1 Modbus协议简介

    Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以实现通信。标准的Modbus接口使用RS-232C兼容串行接口，控制器通信使用主从技术，它仅有一个设备(主设备)能初始化传输(查询)。其他设备(从设备)则根据主设备查询提供的数据作出相应反应。

2．2 串行传输模式

    在标准Modbus上，控制器可使用ASCII或RTU通讯模式来进行通讯。在本设计采用的是RTU模式。当控制器以RTU模式在Modbus总线上进行通讯时，信息中的每8位字节可分成2个4位16进制的字符，该模式的主要优点是在相同波特率下，其传输的字符密度高于ASCII模式，但每个信息必须连续传输。其RTU模式的数据传输格式如表1所列。

    在RTU模式中，每个字节格式的编码系统可以为8位二进制、十六进制0～9和A～F。其数据位包括1位起始位，8位数据(低位先送)、奇/偶校验时1位/无奇偶校验时0位、带校验时1位停止位/无校验时2位停止位。本系统的错误校验采用循环冗余校验(CRC)。

2．3 Modbus的信息帧

    无论是ASCII模式还是RTU模式，Modbus信息都以帧的方式传输，每帧有确定的起始点和结束点。表2所列即为RTU模式时的消息帧格式。
使用时，接收设备在信息的起点开始读地址，并确定要寻址的设备(广播时对全部设备)以及信息传输的结束时间。也可以检测部分信息，有错误也可作为一种结果设定。本文使用的是RTU消息帧。

    在RTU模式中，信息开始至少需要3．5个字符的静止时间。依据使用的波特率，很容易计算这个静止的时间(如表2中的T1-T2-T3-T4)。之后，第一个区的数据即为设备地址。各个区允许发送的字符均为16进制的0—9，A—F。

    网络上的设备可连续监测网络上的信息，包括静止时间等。当接收到第一个地址数据时，每台设备都立即对它解码，以决定是否是自己的地址。发送完最后一个字符号后，也将有一个3．5个字符的静止时间，然后才能发送一个新的信息。

    整个信息必须连续发送。如果在发送帧信息期间出现大于1．5个字符的静止时间，则接收设备将刷新不完整的信息，并假设下一个地址数据。

    同样，若在一个信息后立即发送一个新信息(若无3．5个字符的静止时间)，将会产生一个错误。这是因为合并信息的CRC校验码无效而产生的错误。

    RTU方式时，可采用CRC方法计算错误校验码，即用CRC校验传送的全部数据。它会忽略信息中单个字符数据的奇偶校验方法。

2．4 错误检测方法

    标准的Modbus串行网络采用奇偶校验和帧检测两种错误检测方法，其中奇偶校验对每个字符都可用，而帧检测(LRC或CRC)则应用于整个消息。由于本文采用RTU模式进行数据传输，故使用CRC校验方法，它可校验传送的全部数据。其具体实现方法如下：

    CRC码为2个字节/16位的二进制值。通常由发送设备计算CRC值，并把它附到信息中去；接收设备则在接收信息过程中再次计算CRC值并与CRC的实际值进行比较。若二者不一致，则产生一个错误。校验开始时，先把16位寄存器的各位都置为“1”，然后把信息中的相邻2个8位字节数据放到当前寄存器中处理。一般只有每个字符的8位数据用于CRC处理，而起始位、停止位和校验位不参与CRC计算。

    CRC校验时，每个8位数据先与该寄存器的内容进行异或运算，然后向最低有效位(LSB)方向移位，当用零填入最高有效位(MSB)后，再对LSB检查，若LSB=1，则寄存器与预置的固定值进行异或，若LSB=0，则不作异或运算。

    之后，重复上述处理过程，直至移位8次。最后一次(第8次)移位后，下一个8位字节数据再与寄存器的当前值进行异或，然后再重复上述过程。全部处理完信息中的数据字节后，最终得到的寄存器值即为CRC值。

   CRC值附加到信息时，低位在先，高位在后。CRC生成的多项式是：。

2．5 功能选择

    本文选择03读保持寄存器和06预置单个寄存器来进行重点介绍。

(1)03读保持寄存器

    查询信息时，寄存器寻址起始地址为0000，寄存器1～16所对应的地址分别为0～15。

    响应信息中的寄存器数据为二进制数据，每个寄存器分别对应2个字节，第一个字节为高位值数据，第二个字节为低位数据。表3所列是03读保持寄存器的功能举例。

2 Modbus协议

2．1 Modbus协议简介

    Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以实现通信。标准的Modbus接口使用RS-232C兼容串行接口，控制器通信使用主从技术，它仅有一个设备(主设备)能初始化传输(查询)。其他设备(从设备)则根据主设备查询提供的数据作出相应反应。

2．2 串行传输模式

    在标准Modbus上，控制器可使用ASCII或RTU通讯模式来进行通讯。在本设计采用的是RTU模式。当控制器以RTU模式在Modbus总线上进行通讯时，信息中的每8位字节可分成2个4位16进制的字符，该模式的主要优点是在相同波特率下，其传输的字符密度高于ASCII模式，但每个信息必须连续传输。其RTU模式的数据传输格式如表1所列。

    在RTU模式中，每个字节格式的编码系统可以为8位二进制、十六进制0～9和A～F。其数据位包括1位起始位，8位数据(低位先送)、奇/偶校验时1位/无奇偶校验时0位、带校验时1位停止位/无校验时2位停止位。本系统的错误校验采用循环冗余校验(CRC)。

2．3 Modbus的信息帧

    无论是ASCII模式还是RTU模式，Modbus信息都以帧的方式传输，每帧有确定的起始点和结束点。表2所列即为RTU模式时的消息帧格式。
使用时，接收设备在信息的起点开始读地址，并确定要寻址的设备(广播时对全部设备)以及信息传输的结束时间。也可以检测部分信息，有错误也可作为一种结果设定。本文使用的是RTU消息帧。

    在RTU模式中，信息开始至少需要3．5个字符的静止时间。依据使用的波特率，很容易计算这个静止的时间(如表2中的T1-T2-T3-T4)。之后，第一个区的数据即为设备地址。各个区允许发送的字符均为16进制的0—9，A—F。

    网络上的设备可连续监测网络上的信息，包括静止时间等。当接收到第一个地址数据时，每台设备都立即对它解码，以决定是否是自己的地址。发送完最后一个字符号后，也将有一个3．5个字符的静止时间，然后才能发送一个新的信息。

    整个信息必须连续发送。如果在发送帧信息期间出现大于1．5个字符的静止时间，则接收设备将刷新不完整的信息，并假设下一个地址数据。

    同样，若在一个信息后立即发送一个新信息(若无3．5个字符的静止时间)，将会产生一个错误。这是因为合并信息的CRC校验码无效而产生的错误。

    RTU方式时，可采用CRC方法计算错误校验码，即用CRC校验传送的全部数据。它会忽略信息中单个字符数据的奇偶校验方法。

2．4 错误检测方法

    标准的Modbus串行网络采用奇偶校验和帧检测两种错误检测方法，其中奇偶校验对每个字符都可用，而帧检测(LRC或CRC)则应用于整个消息。由于本文采用RTU模式进行数据传输，故使用CRC校验方法，它可校验传送的全部数据。其具体实现方法如下：

    CRC码为2个字节/16位的二进制值。通常由发送设备计算CRC值，并把它附到信息中去；接收设备则在接收信息过程中再次计算CRC值并与CRC的实际值进行比较。若二者不一致，则产生一个错误。校验开始时，先把16位寄存器的各位都置为“1”，然后把信息中的相邻2个8位字节数据放到当前寄存器中处理。一般只有每个字符的8位数据用于CRC处理，而起始位、停止位和校验位不参与CRC计算。

    CRC校验时，每个8位数据先与该寄存器的内容进行异或运算，然后向最低有效位(LSB)方向移位，当用零填入最高有效位(MSB)后，再对LSB检查，若LSB=1，则寄存器与预置的固定值进行异或，若LSB=0，则不作异或运算。

    之后，重复上述处理过程，直至移位8次。最后一次(第8次)移位后，下一个8位字节数据再与寄存器的当前值进行异或，然后再重复上述过程。全部处理完信息中的数据字节后，最终得到的寄存器值即为CRC值。

    CRC值附加到信息时，低位在先，高位在后。CRC生成的多项式是：。

2．5 功能选择

    本文选择03读保持寄存器和06预置单个寄存器来进行重点介绍。

(1)03读保持寄存器

    查询信息时，寄存器寻址起始地址为0000，寄存器1～16所对应的地址分别为0～15。

    响应信息中的寄存器数据为二进制数据，每个寄存器分别对应2个字节，第一个字节为高位值数据，第二个字节为低位数据。表3所列是03读保持寄存器的功能举例。

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(2) 06预置单个寄存器

    该寄存器在查询信息时，寄存器寻址起始地址为0，寄存器1所对应的地址为0。请求的预置值位于查询数据区。寄存器内容被预置后，返回正常响应。表4所列是06预置单个寄存器的功能举例。

3 程序设计

    首先，程序设计时要明确所实现的Modbus协议的功能，并且要确定传输模式和错误校验方法。本文主要是实现Modbus协议中的03读保持寄存器和06预置单个寄存器的功能，并选用RTU模式进行通讯，使用的是CRC错误校验方法。

    其次，要熟悉Picoblaze核的结构、编程方法及指令集，同时确定要使用的寄存器编号和I＼O接口，文本的编辑器中使用汇编指令编写程序，并以．psm格式保存。

    然后，要使用Kcpsm3进行编译综合并将已经编写好的程序(．psm)转换成．vhd格式。具体操作时，首先要将程序(．psm文件)保存到Kcpsm3文件夹下面的Assembler文件夹下，然后设置一个．txt文件，以用来保存编译后的结果(如result．txt)。这样，打开result.txt文件就可以在最下面发现程序是否出错，如果出错，系统应提示相关错误；如果程序无误，则会显示success。这样，就可以在Dos环境下使用Kcpsm3编译器。图3所示是本系统的软件程序流程图。图4给出了其相关命令图。

    接下来，便可使用ISE下载综合，以将刚生成的．VHD文件添加到工程中。然后再生成工程文件，这样，等运行结束后，就可以下载程序了。

    最后，可以通过一个安装好的Modbus上位机程序Modbus Poll来检测数据传输的正确性，再选择要实现的功能、地址和寄存器，并写入数据，之后便可选择发送，其发送后的结果如图5所示。一切就绪后，便可将数据写到相应的地址。

4 结束语

    本文研究了工业上常用的Modbus通讯协议的基本通信方式，并基于Xilinx Spartan-3E FPGA的Picoblaze软核实现了RTU模式的Modbus通信协议。实验证明，该方式的收、发双方通信良好，可以达到预计效果。从而证明，该设计方法具有一定的实用性。