Modbus协议详解3：数据帧格式 - RTU帧 ASCII帧的区别

Modbus既然是一种通信协议，那它就应该有规定的通信格式用于在设备之间的指令接收与识别。

本文就着重讲讲Modbus协议的RTU帧和ASCII帧。

Modbus帧在串行链路上的格式如下：

在上图的格式中：

1）地址域：指代的是子节点地址。合法的子节点地址为 0 – 247。 每个子设备被赋予 1 – 247 范围中的地址。主节点通过将子节点的地址放到报文的地址域对子节点寻址。当子节点返回应答时， 它将自己的地

址放到应答报文的地址域以让主节点知道哪个子节点在回答。

2）功能码：指明服务器要执行的动作。

3）数据域：功能码后面的有表示含有请求和响应参数的数据。

4）错误检验：是对报文内容执行 "冗余校验" 的计算结果。根据不同的传输模式 (RTU or ASCII)使用两种不同的计算方法。

上面说明了Modbus的帧格式，是一种规定的数据打包的规约。

Modbus中有两种串行传输模式: RTU 模式 和 ASCII 模式。它定义了报文域的位内容在线路上串行的传送。它确定了信息如何打包为报文和解码。

所有设备必须现 必须实现 RTU 模式，ASCII 模式是备选项。

1、Modbus RTU帧模式

RTU帧指的是什么呢？简单而言就是报文中的每个字节都是用十六进制表示的。

RTU帧中的每个字节数据的格式定义如下：

每个字节为8bit
报文中每个 8 位字节含有两个 4 位十六进制字符(0–9， A–F)Bits per Byte: 
1 起始位
8 数据位，首先发送最低有效位
1 位作为奇偶校验
1 停止位注 : 使用无校验要求 2 个停止位。

字符的传送流是LSB先发送，最后才是MSB，如下：

有奇偶校验的：

无奇偶校验的：

重点来了，RTU的报文帧格式：       

Modbus RTU帧的最大长度为256个字节。

2、Modbus ASCII帧模式

Modbus ASCII帧中规定报文的每个字节数据以两个ASCII字符进行发送。

怎么理解呢？

 例 : 有一个数据字节为 0X5B，它会被编码为两个字符 : 0x35 和 0x42 (ASCII 编码 0x35 ="5"， 0x42 ="B" )。

ASCII 模式节每个字节 (10 位 )  为的格式为 : 

报文中每个 ASCII 字符含有 1 个十六进制字符
Bits per Byte: 
1 起始位
7 数据位， 首先发送最低有效位
1 位作为奇偶校验
1 停止位注 : 使用无校验要求 2 个停止位。

字符是如何串行传送的: 

有奇偶校验的：

无奇偶校验的：

Modbus ASCII的报文帧格式：

ASCII报文帧与RTU报文帧有很大的不同，ASCII报文帧中是带有开头和结束标识符的，这对设备接收报文帧很方便。设备可以很方便的知道一个新报文帧的开头，并且知道报文什么时候结束了。

RTU报文帧中并没有这样的标识符，所以在接收报文帧的时候就需要做些处理，方能判断报文是否完成了一帧数据的接收。

ASCII报文帧中用冒号(:)(ASCII的十六进制为0x3A)作为起始，用回车换行(CR LF)(ASCII的十六进制为0x0D 0x0A)作为结束。

由于ASCII模式下每个字符字节需要用两个字符编码，所以为了确保 ASCII 模式 和 RTU 模式在 Modbus 应用级兼容，ASCII数据域最大数据长度为 (2x252) 是 RTU 数据域 (252) 的两倍。因此，ModbusASCII 帧的最大尺寸为 513 个字符。

3、RTU帧与ASCII帧的传输区别

前面已经分析了RTU报文帧和ASCII报文帧的区别，RTU报文帧是不带开始和结束标识符的，而ASCII报文帧中带有开始和结束标识符。所以在设备接收RTU帧和ASCII帧的时候处理方式就会有所不同。

（1）RTU帧的报文传输

现在思考一个问题：RTU帧中因为没有开始和结束的标识符，设备要怎么知道已经接收完成了一帧报文了呢？

为了能够确认报文被完整接收，不至于接收到不完整的报文就进行报文解析和处理，所以必须要想办法去确认一帧报文已经完成接收，然后再去处理。

在RTU模式中，为了标识不同的报文帧，在报文帧之间插入一个空闲时间间隔，在两帧报文之间用至少3.5个字符的空闲时间来区分不同的帧，同时标识一帧是否已经完成接收。这个时间也称为t3.5时间间隔。

这样的操作方式看下图进行理解：

如果前面开始了一次报文帧的传输，接收设备从空闲状态中被唤起，就需要多接收进行一个超时计时机制，用以确认报文帧是否已经接收完成。就如上图中的帧1和帧2之间如果间隔的时间等于或者超过了t3.5所设定的空闲等待时间，就可以认为前面的帧1已经接收完成，后面再过来的数据就属于帧2的数据。

在RTU帧中还有一个讲究的地方：因为报文帧本质是用字符流进行发送的，所谓为了区分不同的报文帧就需要用到t3.5的字符间隔。但是报文帧中的每个字符要怎么确认是连续的呢？

所以为了确认字符流的发送连续，就要使用到t1.5字符时间。看下图理解：

从上图中可以清晰看到：如果两个字符之间的空闲间隔大于 1.5 个字符时间，则报文帧被认为不完整应该被接收节点丢弃。小于或者等于1.5个字符的时间则认为正常。

上面说的t1.5和t3.5这两个时间，其实并不是一定应用的。为什么呢？

因为时间项目应用中，很多时候多报文帧的接收都会涉及到中断，特别是在通信速率很高的情况下，会频繁的快速中断，对cpu的负担是很重的，这个时候这t1.5和t3.5的时间就会变得很短暂，并不是很好处理。

所以，t1.5和t3.5这两个时间一般是在通信速率在19200Bps或以下的时候才需要去严格约定。

（2）ASCII帧的报文传输

由于ASCII报文帧与RTU报文帧有着很大的不同，ASCII报文帧是有起始和结束标识符的，而RTU帧没有这样的标识。所以ASCII报文帧的接收就简单方便多了，也不需要什么t3.5的帧间隔时间。

但是呢，为了保证接收的报文帧连续，还是可以约定字符间的传输时间的。一般认为，报文中的字符时间间隔可以达到一秒，如果超过了这个时间间隔，就认为发生了错误，要废弃掉这一帧报文数据，重新开始接收。

4、RTU帧和ASCII帧的传输状态分析

（1）RTU帧的传输状态：

上面状态图可以获取的信息:

1）从 "初始" 态到 “空闲” 态转换需要 t 3.5 定时超时，用以保证帧间延迟。

2）“空闲” 态是没有发送和接收报文要处理的正常状态。

3）在 RTU 模式， 当没有活动的传输的时间间隔达 3.5 个字符长时，通信链路被认为在 “空闲”态。

4）当链路空闲时， 在链路上检测到的任何传输的字符被识别为 帧起始。 链路变为 "活动" 状态。然后， 当链路上没有字符传输的时间间个达到 t3.5 后，被识别为 帧结束。

5）检测到帧结束后，完成 CRC 计算和检验。然后，分析地址域以确定帧是否发往此设备，如果不是，则丢弃此帧。 为了减少接收处理时间，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整个帧结束。这样，CRC 计算只需要在帧寻址到该节点 (包括广播帧) 时进行。

（2）ASCII帧的传输状态

上面状态图可以得到的信息:

1）“空闲” 态是没有发送和接收报文要处理的正常状态。

2）每次接收到 ":" 字符表示新的报文的开始。如果在一个报文的接收过程中收到该字符，则当前地报文被认为不完整并被丢弃。而一个新的接收缓冲区被重新分配。

3）检测到帧结束后，完成 LRC 计算和检验。然后，分析地址域以确定帧是否发往此设备，如果不是，则丢弃此帧。 为了减少接收处理时间，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整个帧结束。