3．3 發送模塊

　　發送模塊包括發送控制模塊，發送機模塊，發送狀態寄存器模塊等。

　　發送機模塊是基于普通UART發送原理設計，其發送過程如下：

　　(1)等待TDRE=‘1’，即等待發送數據寄存器(TDR)為空，隨后TDR中載入一個字節數據，并把TDRE清零。

　　(2)根據波特率設置Sel_baud[1．．0]對TDR里的數據進行奇偶校驗計算。

　　(3)把TDR里的數據放入發送移位寄存器TSR的1～8位，TSR第O位放起始位(‘O’)，TSR第9位放入奇偶校驗位或者停止位(‘1’)。

　　(4)通過對TSR右移，一位一位地發送出9位數據比特，最后發送停止位(‘1’)。

　　3．4 CRC模塊

　　CRC模塊包括接收CRC控制模塊，發送CRC控制模塊，CRC產生模塊三部分。

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　　生成CRC的過程為：

　　(1)將一個16位寄存器裝入十六進制FFFF(全1)，將之稱作CRC寄存器。

　　(2)將報文的第一個8位字節與16位CRC寄存器的低字節異或，結果置于CRC寄存器。

　　(3)將CRC寄存器右移1位(向LSB方向)，MSB充零，提取并檢測LSB。

　　(4)如果LSB為0：重復步驟(3)(另一次移位)；如果LSB為1：對CRC寄存器異或多項式值0xA00l(1010000000000001)。

　　(5)重復步驟(3)和(4)，直到完成8次移位。當做完此操作后，將完成對8位字節的完整操作。

　　(6)對報文中的下一個字節重復步驟(2)～(5)，繼續此操作直至所有報文被處理完畢。

　　(7)CRC寄存器中的最終內容為CRC值。

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　　這種方式計算CRC值的時間比其他方式計算CRC(比如查表法等)的時間稍微要長，但是它節省了資源，比如查表法計算CRC需要一個數組來存放所有可能的CRC結果值。圖5為對數據串“010300000001”(十六進制)CRC-16運算的仿真時序圖，時鐘周期為50 MHz，由圖可見，整個計算時間在2．5 μs內，估算一個含有240個字符的消息，CRC校驗總時間約為2．5μs×(240／6)=100μs，這樣長的校驗計算時間對于Modbus協議來說是完全可以接受的。

　　4 基于該接口的MODBUS從站協處理器實現

　　協處理器框圖如圖6所示。

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　　從站協處理器控制模塊程序控制過程如下：

　　(1)置CE_Modbus為‘1’，把MAX485芯片信號輸出置低，即控制RS 485接口芯片處于接收狀態。

　　(2)等待一段延遲時間(RS 485接口芯片穩定時間)，使能Modbus協議接口模塊即置CE_Modbus為‘1’，并置接收Modbus協議幀模式。

　　(3)如果接收到一個完整的幀(消息)，則轉到步驟(4)，如果沒接收到一個完整的消息，一直處于等待狀態。

　　(4)先置CE_Modbus為‘O’，再解釋接收緩沖寄存器里消息，等待消息處理完畢，如果消息不是發往該從站或者為廣播消息，則轉到步驟(2)；否則把信號輸出置高，轉到步驟(5)。

　　(5)等待一段延遲時間，使能Modbus協議接口模塊即置CE_Modbus為‘1’，并置發送Modbus協議幀模式。

　　(6)等待發送完成，轉到步驟(1)。

　　解釋模塊主要由解釋控制模塊、分析模塊、各功能碼解釋模塊、錯誤功能碼處理模塊組成。分析模塊首先分析接收消息起始兩個字節，即地址碼和功能碼。如果地址為廣播消息地址(地址為0)或者地址碼和本從站地址不相等，則不處理本消息，解釋控制模塊發出解釋完畢并置不響應信號為“1”，頂層控制模塊繼續處于等待接收消息狀態。如果功能碼為非支持功能碼，則選擇錯誤功能代碼處理模塊；如果為某一支持的功能碼，則選擇相應的功能模塊解釋接收消息，按照功能碼要求解碼(例如讀／寫某一指定寄存器或者線圈)。處理完之后把相應的異常碼響應消息或者正常響應消息寫入Modbus協議接口模塊里的發送緩沖寄存器里，完畢之后通過Ld_TbNCE信號把發送緩沖寄存器鎖存消息的末地址(不帶CRC校驗位)Trbuf_add[7．．O](保證在Ld_TbNCE有效時它為末地址)存入Modbus協議接口模塊，發出解釋完畢信號，不響應信號置“O”，之后由頂層控制模塊控制接口模塊發送響應消息。對于某些功能碼，比如01碼和02碼，03碼和04碼，由于對它們的解釋差別很小，可以共用一個模塊，達到節省資源的目的。對于特定的系統，完全可以選擇某一些功能碼甚至某一個功能碼，而達到需求，故這里采用這種模塊化方式，可以很容易在不改變其他功能模塊的情況下刪除不需要的功能碼模塊或者增加新需要的功能碼模塊。

　　該協處理器與從設備其他部分接口僅僅為雙口RAM，從設備完全被映射為寄存器組的抽象，這比啟用寄存器直接實現要節省邏輯資源。由于這些雙口RAM是完全透明的，用戶可以根據整個Modbus系統需要自定義各個寄存器的實際含義。Modbus主設備可以在任何時候隨機地訪問這些寄存器組。Modbus從設備控制、執行模塊對這些寄存器組的訪問需要尋求一種較好的方式，由于FPGA的高速度及并行機制，一般情況下可以采取輪詢的機制即可滿足工業實時性需求。對于某些特殊情況需要更高優先級的控制方式，也可以采取中斷方式。如圖7所示，可以通過雙口RAM的地址線和寫使能信號線進行中斷檢測和沖突檢測：當從站協處理模塊對某些特定寄存器讀／寫完畢之后，產生一個中斷信號，對某些可能存在從站協處理器模塊和從設備控制執行模塊都要對其進行寫操作的寄存器，如果有寫操作同時發生，則從設備控制執行模塊應該等待從站協處理器寫完再寫，以保證寫操作是原子的。圖8為03碼應答的完整仿真時序。

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　　圖9為示波器在通信線路上檢測到的波形，圖9(a)展現了一系列連續幀通信實況；圖9(b)展現某一應答情況，可以看出主機和從機通信電平有差異，但都在RS 485范圍之內；圖9(c)展現了某一幀的具體情況。

　　5 結語

　　該設計基于Altera公司FPGA，首先設計了一個可以通用于Modbus主設備和從設備的Modbus協議接口，然后基于該協議接口設計了一個通用的Modbus從設備協處理器，該接口也可以方便地用于主協議設備中。本設計通過了多款FPGA芯片的綜合驗證，并與WEINVIEW公司觸摸屏MT-506MV和INVT公司CHF1OO-5R5G／7R5P變頻器成功通信。目前該設計已在某工業EPS系統和某沖擊試驗臺中穩定運行半年，可見其有一定應用前景。

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