用示波器看透PLC中ModBus通讯的UART物理传输表达方式

ModBus通信协议

一种串行应用层软件通信协议 ，由Modicon公司（如今的施耐德电气）在1979年为PLC通信而制定。现已成为工业通讯业界标准，并且也设备间常用的通信协议。

UART / 串口

通用异步收发传输器

U niversal

A synchronous

R eceiver/T ransmitter

早于ModBus的硬件通讯器 ，用于并行数据转为串行进行传输，实现增距减线的目的。

同步收发，有时钟线，就像节拍器，打一拍，收发一个数位（0或1），短距离传输还好，长距离传输时钟线就会惹麻烦，这就有了异步收发。

异步收发，没有时钟线，那就得有约定，这个约定就是"UART硬件通讯协议"，本文的主角 。

只有看透了UART物理表达，PLC中ModBus通讯才不会"缺一门"。

下面我将通过示波器，让您看透"UART硬件通讯协议"——物理传输表达方式 。

ModBus通讯在串行链路上的约定

ModBus协议是一个层级很少的的协议，从应用层直接跨接到数据链路层。

UART是在最底层（第1层）负责用逻辑电平，来把信号，从一端传递到另外一端，并能正确接收。

一个ModBus数据帧是这样约定的，如下图：

UART负责传输的是添加了地址和CRC校验域的串行链路PDU。

每个串行链路PDU，都是由多个字节（8数位组成的最小记录单位）组成，用UART硬件协议格式实施物理传输，如下图：

由于TTL、RS422、RS485、RS232都能表达物理传输的逻辑，为了便于我们识别，我们使用基带信号TTL电平的表达方式来实验。

搭建测试电路 和 程序

1个usb转422通讯接口

1个422转TTL双向接口

1个stc单片机，并编一个echo程序，让收到的信息原样发送出来，同时生成一个波特率脉冲与数据对齐。

RS422实际上是双工的RS485，使用这种接口来下载程序和测试串口，可以使用机载电源，也就是不让usb给系统供电，这是产品化过程中的优化考虑。

下面我们把422通讯线连接起来

接入usb准备下载程序和串口调试

用充电宝，独立给系统供电，与usb供电无关。

接入示波器，通道1观察TXD发送端的TTL波形，通道2，观察程序产生的波特率脉冲，这样有助于我们理解每一个数位是在什么时刻传输的。

示波器解读UART的每一个数位的传送

1、空闲状态

2、发送55H

3、发送56H

4、发送57H

5、发送58H

6、用起始位解读数据位接收的采样过程

所有的UART硬件传输协议，都在上面这些图片里。

8位数据打包成带有校验功能的11位帧进行发送和接收。

ModBus协议规定：

波特率19200bps

偶校验

1位起始位、8位数据位

1位校验位、1位停止位

这样的11位传输格式是必须的，也可以有其他波特率和无校验位（校验位由1填充）的格式也是兼容的。

经济型EtherCAT运动控制器（九）：示波器使用

XPLC006E功能简介

XPLC006E是正运动运动控制器推出的一款多轴经济型EtherCAT总线运动控制器，XPLC系列运动控制器可应用于各种需要脱机或联机运行的场合。

XPLC006E自带6个电机轴，最多12轴运动控制（含虚拟轴数），支持12轴直线插补、电子凸轮、电子齿轮、同步跟随、虚拟轴设置等功能。

XPLC006E支持多任务同时运行，同时可以在PC上直接仿真运行，编程方式多种可选，支持ZDevelop软件的Basic/PLC梯形图/HMI组态和常用上位机软件编程。

XPLC006E只支持EtherCAT总线轴，不支持脉冲轴和编码器轴。采用EtherCAT总线与驱动器通讯，1ms的刷新周期。

XPLC006E支持PLC、Basic、HMI组态三种编程方式。PC上位机API编程支持C#、C++、LabVIEW、VB、matlab、Qt、Linux、.Net、iMAC、Python、 ROS等接口。

→此款产品有XPLC004E、XPLC006E、XPLC008E三个不同轴数的型号可选。

XPLC864E功能简介

XPLC864E在XPLC006E的功能基础上做了升级（即上节介绍的XPLC006E的功能都支持），部分资源空间优于XPLC006E，使用方法基本一致，不同之处在于XPLC864E，硬件支持32点输入、32点输出、2个ADC、2个DAC，支持脉冲轴和总线轴混合使用，总实轴轴数为8，除了带EtherCAT接口之外，输出口硬件上可配置为8个轴的脉冲方向信号输出，另带两路编码器输入，可由输入口配置

XPLC864E支持PLC、Basic、HMI组态三种编程方式。PC上位机API编程支持C#、C++、LabVIEW、VB、matlab、Qt、Linux、.Net、iMAC、Python、 ROS等接口。

XPLC系列经济型EtherCAT总线运动控制器支持多种编程方式，支持使用正运动技术自主研发的ZDevelop开发环境的Basic语言和PLC梯形图，上一节讲解了控制器的轴参数与运动指令说明，本节内容主要讲解控制器的示波器使用。

一、示波器的作用

示波器属于程序调试与运行中极其重要的一个部分，用于把肉眼看不到的信号转换成图形，便于研究各种信号变化过程，例如当前轴的速度和位置变化情况。

示波器利用控制器内部处理的数据，每隔一定的时间获取数据的当前值，然后把获取到的该数据的所有值显示成随时间变化的图形，利用示波器可以显示各种不同的信号，如轴参数、轴状态等。

在“视图”→“示波器”中，打开示波器窗口，示波器窗口如下图。

⊙示波器必须先启动后触发才能成功采样。打开示波器，设置好相关参数之后点击“启动”，可点击“手动触发”采样，也可在程序里加入“TRIGGER”指令自动触发示波器采样。

二、示波器面板介绍

1.主界面

示波器主界面的按钮功能阐述。

（1）基础设置

设置： 打开示波器设置窗口，设置示波器相关参数。

启动： 启动示波器(表示示波器准备好，等待触发采样)。

停止： 停止示波器采样。

水平刻度： YT模式下横轴（时间）一格的刻度，其他模式下此参数无效。

<<： 按下隐藏通道名称和峰值显示，只显示通道编号。

连续采集： 不开启连续采集时，到达采样深度后便停止采样，开启了连续采集之后示波器会持续采样。

跟随： 开启跟随后，横轴自动移动到实时采样处，跟随波形显示。

手动触发： 手动触发示波器采样按钮（自动触发使用TRIGGER指令）。

导入导出： 将示波器采样的数据点导出txt文件，再次加载显示点击导入，详细说明参加下节。

（2）显示模式

YT模式： 不同数据源随时间变化的曲线。

XY模式： 显示两个轴在某个平面的合成轨迹，将第一二个通道的曲线合成显示，适用于两轴插补。

XYZ模式： 显示三个轴在空间的合成轨迹，将第一二三个通道的曲线合成显示，适用于三轴插补。

（3）采样数据设置

显示： 选择当前通道曲线是否显示。

编号： 选择需要采集的数据源编号，需参考数据源，如：轴号、数字量IO编号、模拟量IO编号、TABLE编号、VR编号、MODBUS编号等。

数据源： 选择采集的数据类型，如下图，下拉菜单选择，多种类型参数可选。

偏移： 波形纵轴偏移量设置。

垂直刻度： 纵轴一格的刻度。

⊙若要设置示波器参数，如轴编号、数据源以及启动示波器设置窗口，要先停止示波器再设置。

2.设置界面

点击主界面的“设置”按钮，弹出如下图所示“示波器设置”窗口。

通道数 ：要采样的数据通道总数，最多支持8通道同时采样。

深度： 总共采样的数据次数，深度越大采样的数据点越多，连续采集模式下此数据无效。

间隔： 采样时间间隔，此参数参考系统周期SERVO_PERIOD，系统周期出厂默认为1ms，即间隔设置为1表示1ms采样一次，系统周期与控制器固件版本有关。一般来说，间隔越小，采样数据越准确，单位时间内数据量越大。

TABLE位置： 设置不开启连续采集时抓取数据存放的位置，一般默认自动使用TABLE数据末尾空间，也可以自定义配置，但是设置时注意不要与程序使用的TABLE数据区域重合；连续采集下采样数据缓存在PC。

背景颜色/通道颜色： 设置背景与每个通道波形对应的颜色。

显示类型： 点和线段两种曲线类型可选。线段是将采样点集拟合成线，更容易发现异常的数据。

导出参数： 需要导出示波器数据时在采样前勾选，等待采样结束，在主界面选择导出。

3.示波器采样数据导入导出

导入： 示波器必须在停止状态下才能导入数据，导入成功能将采样波形复现出来。

导入采样数据方法： 点击“导入”，选择导入的数据文件为之前从示波器导出的文件类型后打开即可。

导出： 导出参数包括示波器参数设置情况，以及各个通道的数据类型和每个采样点的数据。

导出采样数据方法： 先在设置里勾选“导出参数”，启动示波器采样，采样完成后点击“导出”，选择文件夹保存示波器数据，导出数据为文本文件。

如下图，采样轴0的DPOS位置和MSPEED速度两个通道导出的数据。

三、示波器采样方法

1.示波器采样参考步骤

第一步： 打开工程项目，连接控制器或仿真器，再打开示波器窗口(操作示波器窗口之前需要连接到控制器或仿真器才可以操作)。

第二步： 在示波器窗口点击“设置”，选择采样通道数，采样深度，采样间隔，采样数据TABLE存储位置（一般来说自动使用TABLE数组末尾空间即可）和采样类型等，设置完成确认保存当前设置。

第三步： 再选择采样数据编号和数据源

第四步： 参数设置完毕，点击“启动”按钮，等待触发采样。

第五步： 将程序下载到控制器运行，程序里需要包含TRIGGER自动触发示波器采样指令，此时示波器开始采样，显示出不同数据源的波形。可调整显示刻度和波形偏移，便于观察不同波形。

⊙若波形精度不高或显示不完整，可点击“停止”按钮后再打开“设置”，调整好采样间隔和采样深度后重新执行上述采样过程。

⊙若需要采样的时间较长，开启“连续采集”功能。

2.示波器使用注意事项

（1）连续采集功能

不选择连续采集时，到达采样深度后示波器自动停止采样。

在示波器主界面勾选连续采集，再开启示波器，示波器触发采样后会持续采样，到达采样深度后仍继续采样，忽略设置的采样深度，直到按下停止才会停止采样。

连续采集的所有波形采样数据均能导出。

（2）XY模式/XYZ模式

由于这两种采集模式是把前两个/三个通道的数据合成，要注意数据源的类型，有部分数据合成是没有意义的，比如速度和位置曲线的合成曲线便无意义，一般用于查看合成插补轨迹。

（3）示波器采样时间计算

例如: 深度：10000，间隔：5

非连续采集模式下，如果系统周期SERVO_PERIOD=1000，也就是1ms轨迹规划周期，间隔5表示每5ms采集一个数据点，一共采集10000次数据，采集时间长度为50s。

采样时间间隔最小为一个系统周期，设置更小无效。

（4）TABLE数据末尾存储空间计算

非连续采集模式设置抓取数据存放的位置，一般默认自动使用TABLE数据末尾空间，此时根据采样数据占用空间大小自动计算起始空间地址。

计算方法： 采样数据占用空间大小=通道数*深度

例： 若控制器的TABLE空间大小为320000，采样4个通道，深度为30000，每个采样点占用一个TABLE，所以会占用4*30000 = 120000个TABLE位置，320000-120000=200000，此时TABLE的起始位置为200000

数据存放的位置也可以自定义配置，若按上面的通道数和深度，起始TABLE空间自定义时不能超过200000，否则无法设置，如下图所示。

⊙示波器采样数据占用的空间不要与程序使用的TABLE数据区域重合。

⊙控制器TABLE空间大小可使用TSIZE指令读取、在“控制器状态”窗口查看或在线命令“?*max”打印查看。

四、示波器使用例程

1.直线插补的例程

（1）YT模式下三个轴的DPOS位置随时间变化的曲线

（2）XYZ模式下三轴位置合成轨迹，即为实际加工的轨迹

2.自动凸轮飞剪的例程

假设要切的型材长度为4m，工作台运行距离1m，轴1为基本轴（型材传送），轴0为跟随轴（追剪工作台），OUT0口控制刀具，飞剪部分程序如下：

速度和位置的波形如下图 ：轴1为匀速运动的传送带，轴0为追剪轴。

工作台(跟随轴)的运动距离： 0.4(加速阶段)+0.2(跟随同步)+0.4(减速阶段)=1m单位，然后-1m返回运动。

型材(参考轴)的运动距离： 1+0.8+0.2+0.8+1.2=4m单位，全程匀速。

3.单轴PSO位置同步输出

硬件比较输出指令触发后，到达比较点输出OP信号，PSO示意图如下图所示，以ZMC432为例进行演示。

位置同步输出示意图

输出随轨迹变化的波形如下图，HW_PSWITCH2控制每到达一个TABLE点位置OP便反转一次，TABLE的所有点比较结束之后，OP不再反转，保持最后一次的电平状态。

4.二维或者三维的PSO输出

二轴PSO位置同步输出,到达比较点输出OP信号，以ZMC432为例进行演示。

PSO功能支持固定周期输出，也支持固定距离输出，如下右图，固定距离输出使得在拐角等需要减速的场合，拐角处的输出也是均匀的，不会堆积。

（1）YT模式下的波形如下图所示

比较20个点，每次比较OP反转一次，每段运动最后部分因为加入了SRAMP速度平滑处理，处于减速段，所以相同距离，运动时间更长，OP反转的时间间隔也相应延长。

（2）XYZ模式下的3D波形如下图所示

本次，正运动技术经济型EtherCAT运动控制器(九）：示波器使用，就分享到这里。

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