0 引言
    目前，從各大FPGA廠商公布的銷售數據來看，Xilinx的FPGA市場份額占到了近50％。Spartan-3E系列的器件密度范圍為10萬到160萬系統門，其單位邏輯單元的成本是FPGA行業中最低的，能夠以標準產品價格實現微處理器、微控制器和數字信號處理器的功能，并可支持18種通用I／O標準，還可通過ISE來操作PicoBlaze軟核。Spartan-3E同時結合了強大的平臺FPGA功能和超低價位。因而可使更多的設計人員享受可編程能力所帶來的益處。

1 Picoblaze核結構
    本文采用Xilinx公司的Spartan-3E評估板及其PicoBlaze IP核來進行基于Modbus通信協議的系統設計。該系統的整體結構是以PC做為上位機，并在評估板上嵌入Picoblaze軟核作為下位機，從而實現Modbus通信協議。PicoBlaze是Xilinx公司的一款8bit微控制器軟核，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。對于整個指令集，PicoBlaze執行一條指令需要2個時鐘周期。
    在對PicoBlaze進行開發時，首先需要將PicoBlaze認識并執行的程序經過Assembler轉換成相應的HDL文件并存放在FPGA內部的Block Memory中(因此，PicoBlaze執行一條指令所需的時鐘周期是固定的)。然后，微控制器核心KCPSM3再從Block Memory里面讀取程序并按順序執行。PicoBlaze的存儲空間為1024x18bit，也就是說，它能夠存放1024條位長為18的指令。而PicoBlaze支持的指令集也很精簡(只有57條)，其中包含程序控制類(跳轉，調用，返回)、算數類(加，減，比較)、邏輯類(與，或，異或)、中斷類(中斷開啟／關閉)，移位／旋轉類(左移／右移，左旋／右旋)和輸入／輸出類(輸入，輸出)。PicoBlaze核的結構框架如圖1所示。

    圖2是微控制器核心KCPSM3的結構框架圖。KCPSM3中一共有16個長度為8位的通用寄存器，每個寄存器都可以在匯編代碼中分別命名。其中，Scratch Pad Memory的大小為64 Bytes，作用相當于一塊臨時存儲區。KCPSM3只支持1個中斷信號，但實際上可以將多個中斷信號用邏輯組合的方式變成一個來使用(會降低單中斷通道的性能)。

2 Modbus協議
2．1 Modbus協議簡介
    Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間可以實現通信。標準的Modbus接口使用RS-232C兼容串行接口，控制器通信使用主從技術，它僅有一個設備(主設備)能初始化傳輸(查詢)。其他設備(從設備)則根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。
2．2 串行傳輸模式
    在標準Modbus上，控制器可使用ASCII或RTU通訊模式來進行通訊。在本設計采用的是RTU模式。當控制器以RTU模式在Modbus總線上進行通訊時，信息中的每8位字節可分成2個4位16進制的字符，該模式的主要優點是在相同波特率下，其傳輸的字符密度高于ASCII模式，但每個信息必須連續傳輸。其RTU模式的數據傳輸格式如表1所列。

    在RTU模式中，每個字節格式的編碼系統可以為8位二進制、十六進制0～9和A～F。其數據位包括1位起始位，8位數據(低位先送)、奇／偶校驗時1位／無奇偶校驗時0位、帶校驗時1位停止位／無校驗時2位停止位。本系統的錯誤校驗采用循環冗余校驗(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和結束點。表2所列即為RTU模式時的消息幀格式。
使用時，接收設備在信息的起點開始讀地址，并確定要尋址的設備(廣播時對全部設備)以及信息傳輸的結束時間。也可以檢測部分信息，有錯誤也可作為一種結果設定。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個字符的靜止時間。依據使用的波特率，很容易計算這個靜止的時間(如表2中的T1-T2-T3-T4)。之后，第一個區的數據即為設備地址。各個區允許發送的字符均為16進制的0—9，A—F。

    網絡上的設備可連續監測網絡上的信息，包括靜止時間等。當接收到第一個地址數據時，每臺設備都立即對它解碼，以決定是否是自己的地址。發送完最后一個字符號后，也將有一個3．5個字符的靜止時間，然后才能發送一個新的信息。
    整個信息必須連續發送。如果在發送幀信息期間出現大于1．5個字符的靜止時間，則接收設備將刷新不完整的信息，并假設下一個地址數據。
    同樣，若在一個信息后立即發送一個新信息(若無3．5個字符的靜止時間)，將會產生一個錯誤。這是因為合并信息的CRC校驗碼無效而產生的錯誤。
    RTU方式時，可采用CRC方法計算錯誤校驗碼，即用CRC校驗傳送的全部數據。它會忽略信息中單個字符數據的奇偶校驗方法。
2．4 錯誤檢測方法
    標準的Modbus串行網絡采用奇偶校驗和幀檢測兩種錯誤檢測方法，其中奇偶校驗對每個字符都可用，而幀檢測(LRC或CRC)則應用于整個消息。由于本文采用RTU模式進行數據傳輸，故使用CRC校驗方法，它可校驗傳送的全部數據。其具體實現方法如下：
    CRC碼為2個字節／16位的二進制值。通常由發送設備計算CRC值，并把它附到信息中去；接收設備則在接收信息過程中再次計算CRC值并與CRC的實際值進行比較。若二者不一致，則產生一個錯誤。校驗開始時，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8位字節數據放到當前寄存器中處理。一般只有每個字符的8位數據用于CRC處理，而起始位、停止位和校驗位不參與CRC計算。
    CRC校驗時，每個8位數據先與該寄存器的內容進行異或運算，然后向最低有效位(LSB)方向移位，當用零填入最高有效位(MSB)后，再對LSB檢查，若LSB=1，則寄存器與預置的固定值進行異或，若LSB=0，則不作異或運算。
    之后，重復上述處理過程，直至移位8次。最后一次(第8次)移位后，下一個8位字節數據再與寄存器的當前值進行異或，然后再重復上述過程。全部處理完信息中的數據字節后，最終得到的寄存器值即為CRC值。
    CRC值附加到信息時，低位在先，高位在后。CRC生成的多項式是：。
2．5 功能選擇
    本文選擇03讀保持寄存器和06預置單個寄存器來進行重點介紹。
    (1)03讀保持寄存器
    查詢信息時，寄存器尋址起始地址為0000，寄存器1～16所對應的地址分別為0～15。
    響應信息中的寄存器數據為二進制數據，每個寄存器分別對應2個字節，第一個字節為高位值數據，第二個字節為低位數據。表3所列是03讀保持寄存器的功能舉例。

    (2) 06預置單個寄存器
    該寄存器在查詢信息時，寄存器尋址起始地址為0，寄存器1所對應的地址為0。請求的預置值位于查詢數據區。寄存器內容被預置后，返回正常響應。表4所列是06預置單個寄存器的功能舉例。

3 程序設計
    首先，程序設計時要明確所實現的Modbus協議的功能，并且要確定傳輸模式和錯誤校驗方法。本文主要是實現Modbus協議中的03讀保持寄存器和06預置單個寄存器的功能，并選用RTU模式進行通訊，使用的是CRC錯誤校驗方法。
    其次，要熟悉Picoblaze核的結構、編程方法及指令集，同時確定要使用的寄存器編號和I＼O接口，文本的編輯器中使用匯編指令編寫程序，并以．psm格式保存。
    然后，要使用Kcpsm3進行編譯綜合并將已經編寫好的程序(．psm)轉換成．vhd格式。具體操作時，首先要將程序(．psm文件)保存到Kcpsm3文件夾下面的Assembler文件夾下，然后設置一個．txt文件，以用來保存編譯后的結果(如result．txt)。這樣，打開result.txt文件就可以在最下面發現程序是否出錯，如果出錯，系統應提示相關錯誤；如果程序無誤，則會顯示success。這樣，就可以在Dos環境下使用Kcpsm3編譯器。圖3所示是本系統的軟件程序流程圖。圖4給出了其相關命令圖。

    接下來，便可使用ISE下載綜合，以將剛生成的．VHD文件添加到工程中。然后再生成工程文件，這樣，等運行結束后，就可以下載程序了。
    最后，可以通過一個安裝好的Modbus上位機程序Modbus Poll來檢測數據傳輸的正確性，再選擇要實現的功能、地址和寄存器，并寫入數據，之后便可選擇發送，其發送后的結果如圖5所示。一切就緒后，便可將數據寫到相應的地址。

4 結束語
    本文研究了工業上常用的Modbus通訊協議的基本通信方式，并基于Xilinx Spartan-3E FPGA的Picoblaze軟核實現了RTU模式的Modbus通信協議。實驗證明，該方式的收、發雙方通信良好，可以達到預計效果。從而證明，該設計方法具有一定的實用性。