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线激光器上位机与运动控制器 Modbus RTU 通信协议
1. 协议概述
本协议用于焊缝识别设备(简称视觉设备)(主站)与运动控制器(从站)之间的双向通信，实现6轴位置/姿态数据传输、工作模式控制、设备状态反馈，覆盖系统标定、焊前示教、在线跟踪、轨迹批量复现全工作阶段。协议采用Modbus RTU标准，支持后期切换至Modbus TCP(寄存器地址、数据格式、功能码完全不变)。
2. 基础通信参数
2.1 串口参数
| 参数名称 | 参数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 波特率 | 115200 bps | |
| 数据位 | 8位 | |
| 停止位 | 1位 | |
| 校验位 | 无校验(8N1) | 依赖CRC16校验保证数据完整性，简化配置 |
| 帧间隔 | ≥3.5个字符时间 | Modbus RTU标准要求，避免帧粘连 |
2.2 协议核心规则
| 规则名称 | 具体要求 | 说明 |
|---|---|---|
| 主从角色 | 主站：视觉设备 从站：运动控制器 |
主站主动发起读写请求，从站被动响应、执行指令 |
| 从站地址(Slave ID) | 0x08(固定) | 后期切换Modbus TCP时，Unit ID保持一致 |
| 寄存器类型 | 仅使用保持寄存器(Holding Register) | 支持读写操作，适配位置、姿态、命令、状态等数据传输 |
| 核心功能码 | 0x03(读保持寄存器), 0x10(写多个保持寄存器) | 不使用其他功能码 |
| 字节序 | 大端模式(Big-Endian) | 高寄存器高字节在前，解析时需按此规则拼接数据 |
| 编址方式 | 寄存器从0xD000开始绝对编址 | 后期可切换到Modbus TCP |
| CRC16校验 | 多项式0xA001，初始值0xFFFF，低字节在前、高字节在后 | 每帧数据末尾添加2字节CRC校验，确保数据传输无误 |
3. 保持寄存器地址映射
| 起始地址(十六进制) | 寄存器数量 | 数据类型 | 通信方向 | 寄存器名称 | 详细说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0xD000 | 1 | ushort | 视觉→控制器 | 模式命令字 | 控制控制器切换工作模式，取值范围0~5(详见4.1) |
| 0xD001 | 1 | ushort | 控制器→视觉 | 设备状态字 | 反馈控制器当前运行状态，取值范围0~6(详见4.2) |
| 0xD002 ~ 0xD009 | 8 | 保留 | — | 预留扩展寄存器 | 暂不使用，用于后期功能扩展(如新增参数配置) |
| 0xD00A | 14 | uint32 float |
控制器→视觉 | 4字节无符号整型时间戳+当前6轴位姿 | 反馈控制器当前实际位置(X/Y/Z)和姿态(A/B/C)，具体排布详见5.1 |
| 0xD018 ~ 0xD01F | 8 | 保留 | — | 预留扩展寄存器 | 暂不使用，用于后期功能扩展 |
| 0xD020 | 14 | uint32 float |
视觉→控制器 | 4字节无符号整型时间戳+目标示教位姿 | 激光扫描后下发的标准轨迹位姿(X/Y/Z/A/B/C)，具体排布详见5.2 |
| 0xD02E ~ 0xD035 | 8 | 保留 | — | 预留扩展寄存器 | 暂不使用，用于后期功能扩展 |
| 0xD036 | 14 | uint32 float |
视觉→控制器 | 4字节无符号整型时间戳+6轴全量纠偏量 | 实时下发的位置偏差(ΔX/ΔY/ΔZ)和姿态偏差(ΔA/ΔB/ΔC)，具体排布详见5.3 |
| 0xD044 ~ 0xD04B | 8 | 保留 | — | 预留扩展寄存器 | 暂不使用，用于后期功能扩展 |
| 0xD04C ~ 0xD06B | 32 | float | — | 标定参数预留 | 用于存储手眼标定相关参数，后期可扩展使用 |
4. 模式命令字与设备状态字详细定义
4.1 模式命令字(地址：0xD000，视觉→控制器)
用于切换工作模式，由运动控制上位机下发到运动控制器，视觉设备轮询运动控制器读取设置值并执行对应逻辑，取值范围0~5。
| 模式值 | 模式名称 | 主辅角色 | 核心功能 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 待机复位模式 | 空闲态 | 控制器停机、轨迹清空、纠偏量清零，处于就绪待命状态；视觉仅监控状态，不下发任何控制指令 | 上电初始、停机复位、模式切换前过渡 |
| 1 | 系统标定模式 | 控制器主、视觉辅 | 控制器按标定流程自动走位到标定点；视觉读取控制器当前位姿，完成手眼标定计算，下发标定参数 | 设备首次调试、视觉与控制器坐标系校准 |
| 2 | 焊前扫描示教模式 | 视觉主、控制器辅 | 视觉扫描工件轮廓，拟合空间轨迹，循环下发目标示教位姿；控制器跟随走位，记录轨迹点并内部保存 | 批量生产前，生成标准工艺轨迹 |
| 3 | 在线全轴跟踪模式 | 视觉主、控制器辅 | 视觉20ms周期读取控制器当前位姿，计算6轴全量偏差并下发；控制器按“基准轨迹+实时纠偏”连续运动 | 工件偏差较大、需实时跟随的生产场景(如焊接、坡口切割) |
| 4 | 轨迹批量复现模式 | 控制器主、视觉辅 | 控制器调用内部保存的标准轨迹，自动循环批量运行；视觉仅监控位姿，小幅下发纠偏量，超差报警 | 工件一致性好、批量量产的场景 |
| 5 | 紧急停止模式 | 系统强制态 | 任意模式下可立即切入，控制器立刻断使能、急停刹车；视觉暂停扫描、停止下发指令，仅保持通信监听 | 设备故障、安全隐患、紧急停机场景 |
4.2 设备状态字(地址：0xD001，控制器→视觉)
用于反馈运动控制器当前的运行状态，由控制器实时更新，视觉设备读取后判断设备工况，取值范围0~6。
| 状态值 | 状态名称 | 对应模式 | 详细说明 |
|---|---|---|---|
| 0 | 待机就绪 | 0(待机复位) | 控制器停机、无故障、无轨迹，等待模式指令下发 |
| 1 | 运动运行中 | 2(示教)、3(跟踪)、4(复现) | 控制器正在执行运动指令(跟随示教、实时跟踪、批量复现) |
| 2 | 示教完成 | 2(示教) | 视觉扫描示教完成，控制器已保存完整标准轨迹，可切换至跟踪或复现模式 |
| 3 | 在线跟踪正常 | 3(跟踪) | 实时跟踪正常，纠偏量在合理范围，无超差、无故障 |
| 4 | 设备报警 | 任意模式 | 出现异常(轨迹超差、限位触发、通信故障、电机故障等)，控制器停机，等待排查 |
| 5 | 标定完成 | 1(标定) | 系统标定流程完成，坐标系校准成功，可切换至其他运行模式 |
| 6 | 急停已触发 | 5(急停) | 紧急停止指令已执行，控制器锁定所有运动，仅可切换至待机模式 |
5. 6轴数据(位置/姿态/纠偏)详细格式
当前位姿、目标示教位姿、6轴纠偏量数据均由1个32位uint(时间戳)与6个32位float构成，排布顺序统一(TS→X→Y→Z→A→B→C)，每个uint或float占用2个连续寄存器，大端模式存储。
5.1 当前6轴位姿(地址：0xD00A ~ 0xD017，控制器→视觉)
反馈控制器当前实际的位置和姿态，视觉设备读取后用于标定计算、跟踪偏差分析、状态监控。
| 寄存器地址范围 | 数据类型 | 对应物理量 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 0xD00A ~ 0xD00B | uint32 | 时间戳 | ms | 指示当前数据时间 |
| 0xD00C ~ 0xD00D | float | X 位置 | mm | 空间X轴坐标，根据实际设备坐标系定义 |
| 0xD00E ~ 0xD00F | float | Y 位置 | mm | 空间Y轴坐标 |
| 0xD010 ~ 0xD011 | float | Z 位置 | mm | 空间Z轴坐标(垂直方向) |
| 0xD012 ~ 0xD013 | float | A 姿态角 | °(度) | 绕X轴翻滚角 |
| 0xD014 ~ 0xD015 | float | B 姿态角 | °(度) | 绕Y轴俯仰角 |
| 0xD016 ~ 0xD017 | float | C 姿态角 | °(度) | 绕Z轴偏航角 |
5.2 目标示教位姿(地址：0xD020 ~ 0xD02D，视觉→控制器)
激光扫描工件后，拟合生成的标准轨迹位姿，下发给控制器后，控制器跟随走位并保存轨迹，排布与当前位姿完全一致。
| 寄存器地址范围 | 数据类型 | 对应物理量 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 0xD020 ~ 0xD021 | uint32 | 时间戳 | ms | 指示当前数据时间 |
| 0xD022 ~ 0xD023 | float | X 目标位置 | mm | 示教轨迹的X轴坐标 |
| 0xD024 ~ 0xD025 | float | Y 目标位置 | mm | 示教轨迹的Y轴坐标 |
| 0xD026 ~ 0xD027 | float | Z 目标位置 | mm | 示教轨迹的Z轴坐标 |
| 0xD028 ~ 0xD029 | float | A 目标姿态角 | °(度) | 示教轨迹的绕X轴翻滚角 |
| 0xD02A ~ 0xD02B | float | B 目标姿态角 | °(度) | 示教轨迹的绕Y轴俯仰角 |
| 0xD02C ~ 0xD02D | float | C 目标姿态角 | °(度) | 示教轨迹的绕Z轴偏航角 |
5.3 6轴全量纠偏量(地址：0xD036 ~ 0xD043，视觉→控制器)
视觉设备根据当前位姿与目标轨迹的偏差，实时计算并下发纠偏数据，控制器接收后叠加到基准轨迹，实现高精度跟踪。
| 寄存器地址范围 | 数据类型 | 对应偏差量 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 0xD036 ~ 0xD037 | uint32 | 时间戳 | ms | 指示当前数据时间 |
| 0xD038 ~ 0xD039 | float | ΔX 偏差 | mm | X轴方向偏差，正值=正向纠偏，负值=反向纠偏 |
| 0xD03A ~ 0xD03B | float | ΔY 偏差 | mm | Y轴方向偏差 |
| 0xD03C ~ 0xD03D | float | ΔZ 偏差 | mm | Z轴方向偏差 |
| 0xD03E ~ 0xD03F | float | ΔA 偏差 | °(度) | 绕X轴姿态偏差 |
| 0xD040 ~ 0xD041 | float | ΔB 偏差 | °(度) | 绕Y轴姿态偏差 |
| 0xD042 ~ 0xD043 | float | ΔC 偏差 | °(度) | 绕Z轴姿态偏差 |
6. Modbus RTU 帧格式标准
所有通信帧均遵循以下格式，CRC16校验码位于帧末尾，用于验证数据完整性；仅使用0x03(读)和0x10(写)两个功能码。
6.1 读保持寄存器(功能码：0x03)
用于视觉设备读取控制器的寄存器数据(如当前位姿、设备状态字)，控制器被动响应并返回数据。
6.1.1 请求帧格式(主站→从站)
| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08 |
| 2 | 1B | 功能码 | 0x03(读保持寄存器) |
| 3~4 | 2B | 起始寄存器地址 | 大端模式，如读取模式+状态，起始地址为0xD000 |
| 5~6 | 2B | 读取寄存器数量 | 大端模式，如读取2个寄存器(模式+状态)，数量为0x0002 |
| 7~8 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 |
6.1.2 响应帧格式(从站→主站)
| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08，与请求帧一致 |
| 2 | 1B | 功能码 | 0x03，与请求帧一致 |
| 3 | 1B | 数据字节长度 | 后续数据的总字节数(1个16位ushort=2B，1个float=4B) |
| 4~N | NB | 寄存器数据 | 按大端模式排列，连续存储 |
| N+1~N+2 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 |
6.2 写多个保持寄存器(功能码：0x10)
用于视觉设备向控制器下发数据(如模式命令、目标位姿、纠偏量)，控制器接收后执行并返回确认帧。
6.2.1 请求帧格式(主站→从站)
| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08 |
| 2 | 1B | 功能码 | 0x10(写多个保持寄存器) |
| 3~4 | 2B | 起始寄存器地址 | 大端模式，如写模式命令，起始地址为0xD000 |
| 5~6 | 2B | 写入寄存器数量 | 大端模式，如写1个寄存器(模式命令)，数量为0x0001 |
| 7 | 1B | 后续字节数 | 写入数据的总字节数(1个16位ushort=2B，1个float=4B) |
| 8~N | NB | 寄存器数据 | 按大端模式排列，连续存储 |
| N+1~N+2 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 |
6.2.2 响应帧格式(从站→主站)
控制器接收并执行写指令后，返回确认帧，仅反馈写指令的关键信息，不返回写入的数据。
| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08，与请求帧一致 |
| 2 | 1B | 功能码 | 0x10，与请求帧一致 |
| 3~4 | 2B | 起始寄存器地址 | 与请求帧一致，大端模式 |
| 5~6 | 2B | 写入寄存器数量 | 与请求帧一致，大端模式 |
| 7~8 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 |
7. 常用指令帧示例
以下指令帧均为十六进制格式，CRC16校验码已计算(可根据实际数据重新校验)，适配所有工作阶段，直接下发即可执行。
| 指令用途 | 指令帧(十六进制) | 说明 |
|---|---|---|
| 读模式命令字+设备状态字(一次读2个寄存器) | 08 03 D0 00 00 02 FC 52 | 从站0x08，读起始地址0xD000，读2个寄存器，CRC= FC 52 |
| 写模式：进入待机复位模式(0xD000=0) | 08 10 D0 00 00 01 02 00 00 1D CD | 从站0x08，写起始地址0xD000，写1个寄存器，数据=0x0000，CRC=1D CD |
| 写模式：进入系统标定模式(0xD000=1) | 08 10 D0 00 00 01 02 00 01 DC 0D | 数据=0x0001，CRC= DC 0D |
| 写模式：进入焊前扫描示教模式(0xD000=2) | 08 10 D0 00 00 01 02 00 02 9C 0C | 数据=0x0002，CRC=9C 0C |
| 写模式：进入在线全轴跟踪模式(0xD000=3) | 08 10 D0 00 00 01 02 00 03 5D CC | 数据=0x0003，CRC=5D CC |
| 写模式：进入轨迹批量复现模式(0xD000=4) | 08 10 D0 00 00 01 02 00 04 1C 0E | 数据=0x0004，CRC=1C 0E |
| 写模式：紧急停止(0xD000=5) | 08 10 D0 00 00 01 02 00 05 DD CE | 数据=0x0005，CRC= DD CE |
| 读当前6轴位姿(起始0xD00A，读14个寄存器) | 08 03 D0 0A 00 0E DC 55 | 读X/Y/Z/A/B/C当前位姿，CRC=DC 55 |
| 写6轴全量纠偏量(起始0xD036，写14个寄存器) | 01 10 D0 36 00 0E 1C 00 00 03 E8 3F 80 00 00 40 00 00 00 40 40 00 00 00 00 00 00 3F 80 00 00 40 00 00 00 D0 72 | 示例数据：ts=1000 ΔX=1.0、ΔY=2.0、ΔZ=3.0、ΔA=0.0、ΔB=1.0、ΔC=2.0，CRC=D0 72 |
| 读设备状态字(单独读，起始0xD001，读1个寄存器) | 08 03 D0 01 00 01 ED 93 | 单独读取当前设备状态，CRC= ED 93 |
8. 各模式下通信行为规范
明确各工作模式下，主站(视觉)与从站(控制器)的通信职责，确保主辅关系清晰、通信高效，避免数据冲突。
8.1 待机复位模式(0)
控制器：轴停机、轨迹清空、纠偏清零、就绪待命。
视觉设备：只读取状态字与当前位姿，不下发目标位姿、不下发纠偏量。
8.2 系统标定模式(1)
控制器：按标定流程自动走标定点位。
视觉设备：周期读取 6 轴当前位姿，进行手眼标定计算，不启用示教与实时纠偏。
8.3 焊前扫描示教模式(2)
控制器：跟随激光下发的目标 6 轴位姿运动，自动记录并保存完整轨迹。
视觉设备：扫描工件轮廓，连续生成并下发 XYZABC 目标示教位姿。
8.4 在线全轴跟踪模式(3)
视觉设备以 50ms 固定周期轮询：
读取控制器当前 6 轴位姿；
对比理论轨迹，计算 ΔX ΔY ΔZ ΔA ΔB ΔC 全量偏差；
写入 6 轴纠偏量寄存器。
控制器：基准轨迹叠加实时全轴纠偏，连续插补运动。
8.5 轨迹批量复现模式(4)
控制器主导：调用内部已保存标准轨迹，自动循环批量运行。
视觉辅助：仅周期读取位姿做轨迹监控；仅小装夹偏差做微量 6 轴纠偏；偏差超阈值直接报警停机，不重新规划轨迹。
8.6 紧急停止模式(5)
任意模式可立即切入；控制器立刻停止所有轴运动、锁定使能；视觉设备停止轨迹下发、停止纠偏输出，仅保持通信监听。
9 模式状态机切换规则
-
(1)任意模式可随时切换至 0 待机、5 急停；
-
(2)急停 5 只能退回 0 待机，不能直接进入运行模式；
-
(3)标定完成自动回待机；
-
(4)示教完成可切待机、在线跟踪、批量复现；
-
(5)在线跟踪与轨迹批量复现可互相切换；
-
(6)非法模式值控制器直接拒收不执行。
10 通信时序与稳定性要求
-
(1)视觉设备独立线程轮询周期：50ms；
-
(2)单帧通信超时：150ms，超时重发，多次超时判定通信断开；