Modbus通信協議的FPGA實現

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。

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。

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。

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。