Modbus既然是一種通信協(xié)議，那它就應該有規(guī)定的通信格式用于在設備之間的指令接收與識別。

本文就著重講講Modbus協(xié)議的RTU幀和ASCII幀。

Modbus幀在串行鏈路上的格式如下：

在上圖的格式中：

1）地址域：指代的是子節(jié)點地址。合法的子節(jié)點地址為 0 – 247。 每個子設備被賦予 1 – 247 范圍中的地址。主節(jié)點通過將子節(jié)點的地址放到報文的地址域?qū)ψ庸?jié)點尋址。當子節(jié)點返回應答時， 它將自己的地址放到應答報文的地址域以讓主節(jié)點知道哪個子節(jié)點在回答。

2）功能碼：指明服務器要執(zhí)行的動作。

3）數(shù)據(jù)域：功能碼后面的有表示含有請求和響應參數(shù)的數(shù)據(jù)。

4）錯誤檢驗：是對報文內(nèi)容執(zhí)行 "冗余校驗" 的計算結(jié)果。根據(jù)不同的傳輸模式 (RTU or ASCII)使用兩種不同的計算方法。

上面說明了Modbus的幀格式，是一種規(guī)定的數(shù)據(jù)打包的規(guī)約。

Modbus中有兩種串行傳輸模式: RTU 模式 和 ASCII 模式。它定義了報文域的內(nèi)容在線路上串行的傳送。它確定了信息如何打包為報文和解碼。

所有設備必須實現(xiàn) RTU 模式，ASCII 模式是備選項。

1、Modbus RTU幀模式

RTU幀指的是什么呢？簡單而言就是報文中的每個字節(jié)都是用十六進制表示的。

RTU幀中的每個字節(jié)數(shù)據(jù)的格式定義如下：

每個字節(jié)為8bit
報文中每個 8 位字節(jié)含有兩個 4 位十六進制字符(0–9， A–F)


Bits per Byte: 
1 起始位
8 數(shù)據(jù)位，首先發(fā)送最低有效位
1 位作為奇偶校驗
1 停止位


注 : 使用無校驗要求 2 個停止位。

字符的傳送流是LSB先發(fā)送，最后才是MSB，如下：

有奇偶校驗的：

無奇偶校驗的：

重點來了，RTU的報文幀格式：

Modbus RTU幀的最大長度為256個字節(jié)。

2、Modbus ASCII幀模式

Modbus ASCII幀中規(guī)定報文的每個字節(jié)數(shù)據(jù)以兩個ASCII字符進行發(fā)送。

怎么理解呢？

例 : 有一個數(shù)據(jù)字節(jié)為 0X5B，它會被編碼為兩個字符 : 0x35 和 0x42 (ASCII 編碼 0x35 ="5"， 0x42 ="B" )。

ASCII 模式節(jié)每個字節(jié) (10 位 ) 為的格式為 :

報文中每個 ASCII 字符含有 1 個十六進制字符
Bits per Byte: 
1 起始位
7 數(shù)據(jù)位， 首先發(fā)送最低有效位
1 位作為奇偶校驗
1 停止位


注 : 使用無校驗要求 2 個停止位。

字符是如何串行傳送的:

有奇偶校驗的：

無奇偶校驗的：

Modbus ASCII的報文幀格式：

ASCII報文幀與RTU報文幀有很大的不同，ASCII報文幀中是帶有開頭和結(jié)束標識符的，這對設備接收報文幀很方便。設備可以很方便的知道一個新報文幀的開頭，并且知道報文什么時候結(jié)束了。

RTU報文幀中并沒有這樣的標識符，所以在接收報文幀的時候就需要做些處理，方能判斷報文是否完成了一幀數(shù)據(jù)的接收。

ASCII報文幀中用冒號(:)(ASCII的十六進制為0x3A)作為起始，用回車換行(CR LF)(ASCII的十六進制為0x0D 0x0A)作為結(jié)束。

由于ASCII模式下每個字符字節(jié)需要用兩個字符編碼，所以為了確保 ASCII 模式 和 RTU 模式在 Modbus 應用級兼容，ASCII數(shù)據(jù)域最大數(shù)據(jù)長度為 (2x252) 是 RTU 數(shù)據(jù)域 (252) 的兩倍。因此，ModbusASCII 幀的最大尺寸為 513 個字符。

3、RTU幀與ASCII幀的傳輸區(qū)別

前面已經(jīng)分析了RTU報文幀和ASCII報文幀的區(qū)別，RTU報文幀是不帶開始和結(jié)束標識符的，而ASCII報文幀中帶有開始和結(jié)束標識符。所以在設備接收RTU幀和ASCII幀的時候處理方式就會有所不同。

（1）RTU幀的報文傳輸

現(xiàn)在思考一個問題：RTU幀中因為沒有開始和結(jié)束的標識符，設備要怎么知道已經(jīng)接收完成了一幀報文了呢？

為了能夠確認報文被完整接收，不至于接收到不完整的報文就進行報文解析和處理，所以必須要想辦法去確認一幀報文已經(jīng)完成接收，然后再去處理。

在RTU模式中，為了標識不同的報文幀，在報文幀之間插入一個空閑時間間隔，在兩幀報文之間用至少3.5個字符的空閑時間來區(qū)分不同的幀，同時標識一幀是否已經(jīng)完成接收。這個時間也稱為t3.5時間間隔。

這樣的操作方式看下圖進行理解：

如果前面開始了一次報文幀的傳輸，接收設備從空閑狀態(tài)中被喚起，就需要多接收進行一個超時計時機制，用以確認報文幀是否已經(jīng)接收完成。就如上圖中的幀1和幀2之間如果間隔的時間等于或者超過了t3.5所設定的空閑等待時間，就可以認為前面的幀1已經(jīng)接收完成，后面再過來的數(shù)據(jù)就屬于幀2的數(shù)據(jù)。

在RTU幀中還有一個講究的地方：因為報文幀本質(zhì)是用字符流進行發(fā)送的，所謂為了區(qū)分不同的報文幀就需要用到t3.5的字符間隔。但是報文幀中的每個字符要怎么確認是連續(xù)的呢？

所以為了確認字符流的發(fā)送連續(xù)，就要使用到t1.5字符時間。看下圖：

從上圖中可以清晰看到：如果兩個字符之間的空閑間隔大于 1.5 個字符時間，則報文幀被認為不完整應該被接收節(jié)點丟棄。小于或者等于1.5個字符的時間則認為正常。

上面說的t1.5和t3.5這兩個時間，其實并不是一定應用的。為什么呢？

因為時間項目應用中，很多時候多報文幀的接收都會涉及到中斷，特別是在通信速率很高的情況下，會頻繁的快速中斷，對cpu的負擔是很重的，這個時候這t1.5和t3.5的時間就會變得很短暫，并不是很好處理。

所以，t1.5和t3.5這兩個時間一般是在通信速率在19200Bps或以下的時候才需要去嚴格約定。

（2）ASCII幀的報文傳輸

由于ASCII報文幀與RTU報文幀有著很大的不同，ASCII報文幀是有起始和結(jié)束標識符的，而RTU幀沒有這樣的標識。所以ASCII報文幀的接收就簡單方便多了，也不需要什么t3.5的幀間隔時間。

但是呢，為了保證接收的報文幀連續(xù)，還是可以約定字符間的傳輸時間的。一般認為，報文中的字符時間間隔可以達到一秒，如果超過了這個時間間隔，就認為發(fā)生了錯誤，要廢棄掉這一幀報文數(shù)據(jù)，重新開始接收。

4、RTU幀和ASCII幀的傳輸狀態(tài)分析

（1）RTU幀的傳輸狀態(tài)：

上面狀態(tài)圖可以獲取的信息:

1）從 "初始" 態(tài)到 “空閑” 態(tài)轉(zhuǎn)換需要 t 3.5 定時超時，用以保證幀間延遲。

2）“空閑” 態(tài)是沒有發(fā)送和接收報文要處理的正常狀態(tài)。

3）在 RTU 模式， 當沒有活動的傳輸?shù)臅r間間隔達 3.5 個字符長時，通信鏈路被認為在 “空閑”態(tài)。

4）當鏈路空閑時， 在鏈路上檢測到的任何傳輸?shù)淖址蛔R別為 幀起始。 鏈路變?yōu)?"活動" 狀態(tài)。然后， 當鏈路上沒有字符傳輸?shù)臅r間間個達到 t3.5 后，被識別為 幀結(jié)束。

5）檢測到幀結(jié)束后，完成 CRC 計算和檢驗。然后，分析地址域以確定幀是否發(fā)往此設備，如果不是，則丟棄此幀。 為了減少接收處理時間，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整個幀結(jié)束。這樣，CRC 計算只需要在幀尋址到該節(jié)點 (包括廣播幀) 時進行。

（2）ASCII幀的傳輸狀態(tài)

上面狀態(tài)圖可以得到的信息:

1）“空閑” 態(tài)是沒有發(fā)送和接收報文要處理的正常狀態(tài)。

2）每次接收到 ":" 字符表示新的報文的開始。如果在一個報文的接收過程中收到該字符，則當前地報文被認為不完整并被丟棄。而一個新的接收緩沖區(qū)被重新分配。

3）檢測到幀結(jié)束后，完成 LRC 計算和檢驗。然后，分析地址域以確定幀是否發(fā)往此設備，如果不是，則丟棄此幀。 為了減少接收處理時間，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整個幀結(jié)束。