Modbus通信協議的FPGA實現

摘 要:Modbus協議是一個應用廣泛的工業現場總線協議，鑒于其簡單、開放、幀格式緊湊等優點，于2008年正式成為我國國家標準。介紹一種通過Cyclone系列FPGA實現Modbus RTU模式的方法，首先給出一個可以通用于Modbus主設備和從設備的協議接口單元，然后基于該接口設計了一個通用的Modbus從設備協處理器。實踐證明該方法能夠滿足工業環境的通訊要求，此外，該方法在其他FPGA上也具有一定通用性和推廣價值。

關鍵詞:Modbus; RTU; FPGA; VHDL

中圖分類號:TP316 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0203-05

Modbus Communication Protocol Based on FPGA

YU Zheng-lin， ZHANG Long， HUANG Yong

(Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

Abstract: Modbus protocol is a popular fieldbus， and has become one of national standards in China with easy perfor-mance， widely opening and compact frame format. A method of implementing Modbus RTU protocol based on Cyclone FPGA is introduced. A interface can be used both in Modbus server and client， a Modbus slave coprocessor was designed based on it. The test results show that the design meets the communication requirement of industry environment， and has certain value in other kinds of FPGA.

Keywords: Modbus; RTU; FPGA; VHDL

0 引 言

現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間，現場設備與控制裝置之間實現雙向、串行、多節點數字通信的技術[1]。Modbus協議其節點安裝數量非常多，安裝的地區遍及世界各地。

今天的FPGA可包含內嵌乘法器、專用計算例程和片上RAM等，加上FPGA的并行性，其結果比最快的DSP芯片還要快上500倍乃至更多。隨著FPGA價格不斷下降，甚至最小的器件都足以實現一個集成可選定制I/O功能的軟處理器核?？梢?，FPGA對嵌入控制應用越來越具有吸引力[2]。

目前Modbus協議實現方式多為單片機和PLC，隨著FPGA的廣泛應用，研究Modbus現場總線的FPGA解決方案有很大的實用價值。

1 Modbus協議簡介[3-4]

Modbus串行鏈路系統可以使用不同的物理接口(RS 485，RS 232)，最常用的是RS 485兩線制接口。為了提高通信模塊在工業應用中的抗干擾性和穩定性，接口芯片和FPGA核心模塊之間應加入高速光耦進行隔離，總線兩端處放置線路終端電阻，采用屏蔽雙絞線作為通信線等。

在串行鏈路上，Modbus RTU(Remote Terminal Unit)模式報文中每8個位字節含有兩個4位十六進制字符，這種模式的主要優點是較高的數據密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。……