基于Picoblaze软核的Modbus通信协议设计

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*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*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1 PicoBlaze核的结构框架图

　　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）。

图2 微控制器核心KCPSM3的结构框架图

　　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。

表1 RTU模式的数据传输格式

　　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。

表2 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