小小毛

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【原创】ModBUS协议中如何使用CRC?

2021-4-25 08:46:06 显示全部楼层
1、什么是CRC校验?
CRC即循环冗余校验码:是数据通信领域中最常用的一种查错校验码,其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查(CRC)是一种数据传输检错功能,对数据进行多项式计算,并将得到的结果附在帧的后面,接收设备也执行类似的算法,以保证数据传输的正确性和完整性。
2、CRC校验原理:
其根本思想就是先在要发送的帧后面附加一个数(这个就是用来校验的校验码,但要注意,这里的数也是二进制序列的,下同),生成一个新帧发送给接收端。当然,这个附加的数不是随意的,它要使所生成的新帧能与发送端和接收端共同选定的某个特定数整除(注意,这里不是直接采用二进制除法,而是采用一种称之为模2除法。到达接收端后,再把接收到的新帧除以(同样采用“模2除法”)这个选定的除数。因为在发送端发送数据帧之前就已通过附加一个数,做了“去余”处理(也就已经能整除了),所以结果应该是没有余数。如果有余数,则表明该帧在传输过程中出现了差错。
模2除法:
模2除法与算术除法类似,但每一位除的结果不影响其它位,即不向上一位借位,所以实际上就是异或。在循环冗余校验码(CRC)的计算中有应用到模2除法。
3、CRC校验步骤:
CRC校验中有两个关键点,一是预先确定一个发送送端和接收端都用来作为除数的二进制比特串(或多项式),可以随机选择,也可以使用国际标准,但是最高位和最低位必须为1;二是把原始帧与上面计算出的除数进行模2除法运算,计算出CRC码。
4、具体步骤:
选择合适的除数
看选定除数的二进制位数,然后再要发送的数据帧上面加上这个位数-1位的0,然后用新生成的帧以模2除法的方式除上面的除数,得到的余数就是该帧的CRC校验码。注意,余数的位数一定只比除数位数少一位,也就是CRC校验码位数比除数位数少一位,如果前面位是0也不能省略。
将计算出来的CRC校验码附加在原数据帧后面,构建成一个新的数据帧进行发送;最后接收端在以模2除法方式除以前面选择的除数,如果没有余数,则说明数据帧在传输的过程中没有出错。
5、CRC校验码计算示例:
现假设选择的CRC生成多项式为G(X) = X4 + X3 + 1,要求出二进制序列10110011的CRC校验码。下面是具体的计算过程:
①将多项式转化为二进制序列,由G(X) = X4 + X3 + 1可知二进制一种有五位,第4位、第三位和第零位分别为1,则序列为11001
②多项式的位数位5,则在数据帧的后面加上5-1位0,数据帧变为101100110000,然后使用模2除法除以除数11001,得到余数。
③将计算出来的CRC校验码添加在原始帧的后面,真正的数据帧为101100110100,再把这个数据帧发送到接收端。
④接收端收到数据帧后,用上面选定的除数,用模2除法除去,验证余数是否为0,如果为0,则说明数据帧没有出错。
STM32F4的CRC介绍
STM32F4的循环冗余校验计算单元是根据股东的生成多项式的到任一32位全字的CRC计算结果。在其他应用中,CRC技术主要应用于合适数据传输的或者数据存储的正确性和完整性。标准的EN/IEC60335-1提供了一种核实闪存存储器完整性的方法。CRC计算单元可以在程序运行时计算出软件的标识,之后在连接是生成的参考表示比较,然后存放在指定的存储器空间。
CRC的主要特性
· 使用CRC-32(以太网)多项式:0x4C11DB7
· X32+ X26+ X23+ X22+ X16+ X12+ X11+ X10+ X8+ X7+ X4+ X2+ X+1
· 一个32为数据寄存器用于输入/输出
· CRC计算时间:4个AHB时钟周期(HCLK)
· 通用8位寄存器(可用于存放临时数据)
CRC计算单元含有一个32位数据寄存器。
对该寄存器进行写操作时,作为输入寄存器,可以输入要进行CRC金算的新数据。
对该寄存器进行读操作时,返回上一次CRC的计算结果。
每一次写入数据寄存器,其计算结构是前一次CRC计算结果和新计算结果的组合(队2位字进行CRC计算而不是逐个字节计算)。在CRC计算期间会暂停CPU的写操作,因此可以对寄存器CRC_DR进行背靠背或者连续的写-读操作。可以通过寄存器设置CRC_CR的RESET位来重置寄存器CRC_DR为0xFFFF FFFF。该操作不影响寄存器CRC_IDR没得数据。
STM32F4的CRC库
void CRC_ResetDR(void)复位CRC数据寄存器
uint32_t CRC_CalcCRC(uint32_t Data)计算32位数的CRC
uint32_t CRC_CalcBlockCRC(uint32_t pBuffer[],uint32_t BufferLength)计算多个32位数的CRC
uint32_t CRC_GetCRC(void)返回当前CRC数值
void CRC_SetIDRegister(uint8_t ID_Value)存入一个8位数据到独立寄存器
uint8_t CRC_GetIDRegister(void)从独立数据寄存器读出8为数据
这里列举了运用在Modbus协议中的CRC算法:
RTU检查码(CRC)计算,运算规则如下:
步骤1:令16位暂存器(CRC暂存器)= 0xFFFF。
步骤2:异或第一个8位字节的消息指令与低位元16位CRC暂存器,做异或将结果存入CRC暂存器内。
步骤3:右移一位CRC暂存器,将0填入高位元处。
步骤4:检查右移的值,如果是0将步骤3的新值存入CRC暂存器内,否则异或0xA001与CRC暂存器,将结果存入CRC暂存器内。
步骤5:重复步骤3〜步骤4,将8位全部运算完成。
步骤6:重复步骤2〜步骤5,取下一个8位的消息指令,直到所有消息指令运算完成。最后,得到的CRC缓存器的值,即CRC的检查码。值得注意的是CRC的检查码必须交换放置于讯息指令的检查码中。
  1. //计算方式实现
  2. int16_t factory_crc16 ( uint8_t *bufData, uint16_t buflen)
  3. {
  4.     uint16_t TCPCRC = 0xffff;
  5.     uint16_t POLYNOMIAL = 0xa001;
  6.     uint8_t i, j;
  7.    
  8.     for (i = 0; i < buflen; i++)
  9.     {
  10.         TCPCRC ^= bufData[i];
  11.         for (j = 0; j < 8; j++)
  12.         {
  13.             if ((TCPCRC & 0x0001) != 0)
  14.             {
  15.                 TCPCRC >>= 1;
  16.                 TCPCRC ^= POLYNOMIAL;
  17.             }
  18.             else
  19.             {
  20.                 TCPCRC >>= 1;
  21.             }
  22.         }
  23.     }
  24.     return TCPCRC;
  25. }

  26. //查表方式实现
  27. static const uint8_t aucCRCHi[] = {
  28. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  29. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
  30. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  31. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  32. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  33. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
  34. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
  35. 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
  36. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  37. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
  38. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  39. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  40. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  41. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  42. 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  43. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  44. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  45. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
  46. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  47. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  48. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
  49. 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40
  50. };

  51. static const uint8_t aucCRCLo[] = {
  52. 0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06, 0x07, 0xC7,
  53. 0x05, 0xC5, 0xC4, 0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD, 0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E,
  54. 0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09, 0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9,
  55. 0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A, 0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD, 0x1D, 0x1C, 0xDC,
  56. 0x14, 0xD4, 0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3,
  57. 0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3, 0xF2, 0x32,
  58. 0x36, 0xF6, 0xF7, 0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4, 0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D,
  59. 0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A, 0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38,
  60. 0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29, 0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE, 0x2E, 0x2F, 0xEF,
  61. 0x2D, 0xED, 0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26,
  62. 0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60, 0x61, 0xA1,
  63. 0x63, 0xA3, 0xA2, 0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67, 0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4,
  64. 0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F, 0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB,
  65. 0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68, 0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB, 0x7B, 0x7A, 0xBA,
  66. 0xBE, 0x7E, 0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5,
  67. 0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71, 0x70, 0xB0,
  68. 0x50, 0x90, 0x91, 0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92, 0x96, 0x56, 0x57, 0x97,
  69. 0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C, 0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E,
  70. 0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B, 0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88, 0x48, 0x49, 0x89,
  71. 0x4B, 0x8B, 0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C,
  72. 0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42, 0x43, 0x83,
  73. 0x41, 0x81, 0x80, 0x40
  74. };

  75. static uint16_t _bMBCRC16( uint8_t * pucFrame, uint16_t usLen )
  76. {
  77.     uint8_t ucCRCHi = 0xFF;
  78.     uint8_t ucCRCLo = 0xFF;
  79.     int iIndex;

  80. while( usLen-- )
  81. {
  82.     iIndex = ucCRCLo ^ *( pucFrame++ );
  83.     ucCRCLo = ( uint8_t )( ucCRCHi ^ aucCRCHi[iIndex] );
  84.     ucCRCHi = aucCRCLo[iIndex];
  85. }
  86.     return ( uint16_t )( ucCRCHi << 8 | ucCRCLo );
  87. }
这里没有使用MCU自带的crc单元,而是纯软件实现的,通用性较强。


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SnailWillow

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SnailWillow 2021-4-25 09:04:19 显示全部楼层
这里用的CRC16 ,硬件一般都是32位的吧

点评

是的呢,没有用mcu内部的CRC  详情 回复 发表于 2021-4-25 09:06

小小毛

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小小毛 2021-4-25 09:06:05 显示全部楼层
SnailWillow 发表于 2021-4-25 09:04
这里用的CRC16 ,硬件一般都是32位的吧

是的呢,没有用mcu内部的CRC

fzyiye

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