Modbus通信协议的FPGA实现

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1、万方数据Modbus通信协议的FPGA实现于正林，张龙，黄勇(长春理工大学，吉林长春130022)摘要：Modbus协议是一个应用广泛的工业现场总线协议，鉴于其简单、开放、帧格式紧凑等优点，于2008年正式成为我国国家标准。介绍一种通过Cyclone系列FPGA实现ModbusRTU模式的方法，首先给出一个可以通用于Modbus主设备和从设备的协议接口单元，然后基于该接口设计了一个通用的Modbus从设备协处理器。实践证明该方法能够满足工业环境的通讯要求，此外，该方法在其他FPGA上也具有一定通用性和推广价值。关键词

2、：Modbus；RTU；FPGA；VHDL中图分类号：TP316文献标识码：A文章编号：1004—373X(2010)1l-0203—05ModbusCommunicationProtocolBasedonFPGAYUZheng-lin·ZHANGLong。HUANGYong(ChangchunUniversityofScienceandTechnology，Changchun130022。China)Abstract：Modbusprotocolisapopularfieldbus，andhasbecomeoneo

3、fnationalstandardsinChinawitheasyperforomance，widelyopeningandcompactframeformat．AmethodofimplementingModbusRTUprotocolbasedonCycloneFPGAisintroduced．AinterfacecanbeusedbothinModbusserverandclient，aModbusslavecoprocessorwasdesignedbasedonit．Thetestresultsshowth

4、atthedesignmeetsthecommunicationrequirementofindustryenvironment，andhascertainvalueinotherkindsofFPGA．Keywords：Modbus，RTU}FPGA；VHDL0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实现双向、串行、多节点数字通信的技术[1]。Modbus协议其节点安装数量非常多，安装的地区遍及世界各地。今天的FPGA可包含内嵌乘法器、专用计算例程和片上RAM等，加上FPGA的并行性

5、，其结果比最快的DSP芯片还要快上500倍乃至更多。随着FPGA价格不断下降，甚至最小的器件都足以实现一个集成可选定制I／0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比]。目前Modbus协议实现方式多为单片机和PLC，随着FPGA的广泛应用，研究Modbus现场总线的FPGA解决方案有很大的实用价值。1Modbus协议简介[341Modbus串行链路系统可以使用不同的物理接口(RS485，RS232)，最常用的是RS485两线制接口。为了提高通信模块在工业应用中的抗干扰性和稳定性，接口芯片和FP

6、GA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，采用屏蔽双绞线收甍日期：2010-01—22作为通信线等。在串行链路上，ModbusRTU(RemoteTerminalUnit)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。ModbusRTU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，

7、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。帧I帧2帧3，————。、————、，————。、————、，—————√^-————、口口口口口口口口，。≥35个7蕊曲惜报文≤1：个字符起始地址功能代码教据CRC投验结束I>／357符8位N8位16位≥35字符图1RTU模式位序列和报文帧在应用层上，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

8、共203万方数据码、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、16b(寄存器)访问、文件记录访问、诊断和其他信息访问。2ModbusRTU通信协议接口设计2．1接口功能及模块3t,】分ModbusRTU接口框图及输入、输出引脚示意图如图2所示。图2Modbus接口示意图在某一确定的主时钟频率、通信波特率和奇偶校验方