基于FPGA的Picoblaze核实现Modbus通信协议

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。

作者：同济大学 张晶磊 来源：电子元器件应用