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

在RTU模式中，每個(gè)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(yàn)時(shí)1位／無奇偶校驗(yàn)時(shí)0位、帶校驗(yàn)時(shí)1位停止位／無校驗(yàn)時(shí)2位停止位。本系統(tǒng)的錯(cuò)誤校驗(yàn)采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(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(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。表2所列即為RTU模式時(shí)的消息幀格式。
使用時(shí)，接收設(shè)備在信息的起點(diǎn)開始讀地址，并確定要尋址的設(shè)備(廣播時(shí)對(duì)全部設(shè)備)以及信息傳輸?shù)慕Y(jié)束時(shí)間。也可以檢測(cè)部分信息，有錯(cuò)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(gè)字符的靜止時(shí)間。依據(jù)使用的波特率，很容易計(jì)算這個(gè)靜止的時(shí)間(如表2中的T1-T2-T3-T4)。之后，第一個(gè)區(qū)的數(shù)據(jù)即為設(shè)備地址。各個(gè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)上的信息，包括靜止時(shí)間等。當(dāng)接收到第一個(gè)地址數(shù)據(jù)時(shí)，每臺(tái)設(shè)備都立即對(duì)它解碼，以決定是否是自己的地址。發(fā)送完最后一個(gè)字符號(hào)后，也將有一個(gè)3．5個(gè)字符的靜止時(shí)間，然后才能發(fā)送一個(gè)新的信息。
整個(gè)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(gè)字符的靜止時(shí)間，則接收設(shè)備將刷新不完整的信息，并假設(shè)下一個(gè)地址數(shù)據(jù)。
同樣，若在一個(gè)信息后立即發(fā)送一個(gè)新信息(若無3．5個(gè)字符的靜止時(shí)間)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤。這是因?yàn)楹喜⑿畔⒌腃RC校驗(yàn)碼無效而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。
RTU方式時(shí)，可采用CRC方法計(jì)算錯(cuò)誤校驗(yàn)碼，即用CRC校驗(yàn)傳送的全部數(shù)據(jù)。它會(huì)忽略信息中單個(gè)字符數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)方法。
2．4 錯(cuò)誤檢測(cè)方法
標(biāo)準(zhǔn)的Modbus串行網(wǎng)絡(luò)采用奇偶校驗(yàn)和幀檢測(cè)兩種錯(cuò)誤檢測(cè)方法，其中奇偶校驗(yàn)對(duì)每個(gè)字符都可用，而幀檢測(cè)(LRC或CRC)則應(yīng)用于整個(gè)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(yàn)方法，它可校驗(yàn)傳送的全部數(shù)據(jù)。其具體實(shí)現(xiàn)方法如下：
CRC碼為2個(gè)字節(jié)／16位的二進(jìn)制值。通常由發(fā)送設(shè)備計(jì)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(jì)算CRC值并與CRC的實(shí)際值進(jìn)行比較。若二者不一致，則產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤。校驗(yàn)開始時(shí)，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(gè)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(gè)字符的8位數(shù)據(jù)用于CRC處理，而起始位、停止位和校驗(yàn)位不參與CRC計(jì)算。
CRC校驗(yàn)時(shí)，每個(gè)8位數(shù)據(jù)先與該寄存器的內(nèi)容進(jìn)行異或運(yùn)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(duì)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(yùn)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(gè)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(shí)，低位在先，高位在后。CRC生成的多項(xiàng)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(gè)寄存器來進(jìn)行重點(diǎn)介紹。
(1)03讀保持寄存器
查詢信息時(shí)，寄存器尋址起始地址為0000，寄存器1～16所對(duì)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(gè)寄存器分別對(duì)應(yīng)2個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)為高位值數(shù)據(jù)，第二個(gè)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。