Modbus既然是一種通信協議，那它就應該有規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：指代的是子節點地址。合法的子節點地址為 0 – 247。 每個子設備被賦予 1 – 247 范圍中的地址。主節點通過將子節點的地址放到報文的地址域對子節點尋址。當子節點返回應答時， 它將自己的地址放到應答報文的地址域以讓主節點知道哪個子節點在回答。

2）功能碼：指明服務器要執行的動作。

3）數據域：功能碼后面的有表示含有請求和響應參數的數據。

4）錯誤檢驗：是對報文內容執行 "冗余校驗" 的計算結果。根據不同的傳輸模式 (RTU or ASCII)使用兩種不同的計算方法。

上面說明了Modbus的幀格式，是一種規定的數據打包的規約。

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 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都是用十六進制表示的。

RTU幀中的每個字節數據的格式定義如下：

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


Bits per Byte: 
1 起始位
8 數據位，首先發送最低有效位
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。

2、Modbus ASCII幀模式

Modbus ASCII幀中規定報文的每個字節數據以兩個ASCII字符進行發送。

怎么理解呢？

例 : 有一個數據字節為 0X5B，它會被編碼為兩個字符 : 0x35 和 0x42 (ASCII 編碼 0x35 ="5"， 0x42 ="B" )。

ASCII 模式節每個字節 (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 數據位， 首先發送最低有效位
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據的接收。

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)作為結束。

由于ASCII模式下每個字符字節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數據域最大數據長度為 (2x252) 是 RTU 數據域 (252) 的兩倍。因此，ModbusASCII 幀的最大尺寸為 513 個字符。

3、RTU幀與ASCII幀的傳輸區別

前面已經分析了RTU報文幀和ASCII報文幀的區別，RTU報文幀是不帶開始和結束標識符的，而ASCII報文幀中帶有開始和結束標識符。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

現在思考一個問題：RTU幀中因為沒有開始和結束的標識符，設備要怎么知道已經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分不同的幀，同時標識一幀是否已經完成接收。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已經接收完成，后面再過來的數據就屬于幀2的數據。

在RTU幀中還有一個講究的地方：因為報文幀本質是用字符流進行發送的，所謂為了區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的呢？

所以為了確認字符流的發送連續，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，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，就認為發生了錯誤，要廢棄掉這一幀報文數據，重新開始接收。

4、RTU幀和ASCII幀的傳輸狀態分析

（1）RTU幀的傳輸狀態：

上面狀態圖可以獲取的信息:

1）從 "初始" 態到 “空閑” 態轉換需要 t 3.5 定時超時，用以保證幀間延遲。

2）“空閑” 態是沒有發送和接收報文要處理的正常狀態。

3）在 RTU 模式， 當沒有活動的傳輸的時間間隔達 3.5 個字符長時，通信鏈路被認為在 “空閑”態。

4）當鏈路空閑時， 在鏈路上檢測到的任何傳輸的字符被識別為 幀起始。 鏈路變為 "活動" 狀態。然后， 當鏈路上沒有字符傳輸的時間間個達到 t3.5 后，被識別為 幀結束。

5）檢測到幀結束后，完成 CRC 計算和檢驗。然后，分析地址域以確定幀是否發往此設備，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束。這樣，CRC 計算只需要在幀尋址到該節點 (包括廣播幀) 時進行。

（2）ASCII幀的傳輸狀態

上面狀態圖可以得到的信息:

1）“空閑” 態是沒有發送和接收報文要處理的正常狀態。

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被重新分配。

3）檢測到幀結束后，完成 LRC 計算和檢驗。然后，分析地址域以確定幀是否發往此設備，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束。