變頻器與PLC通訊的CRC校驗程序設(shè)計與分析

1、變頻器與PLC通訊的CRC校驗程序設(shè)計與分析通常變頻器與PLC進行通訊控制時，特別是在寫頻率時需要在PLC程序中加入CRC檢驗程序，很多人對檢驗程序看不懂，不明白是怎么一個原理。以下我們來詳細說說這個CRC校驗。何為CRC校驗？采用CRC-16，即2字節(jié)冗余循環(huán)碼CRC，低字節(jié)在前。CRC碼由發(fā)端計算，放置于發(fā)送消息幀的尾部，接收端再重新計算接收到信息的CRC碼，比較計算得到的CRC碼是否與接收到的相符，若不符則表明出錯。CRC碼的計算包括整個消息內(nèi)容，計算時只用8位數(shù)據(jù)位，而起始位、停止位及可能的校驗位均不參與CRC計算。廣州旭康自動化專注于為您提供專業(yè)的自動化系統(tǒng)解決方案！CRC校驗可以1

2、00%檢測出所有奇數(shù)個隨機錯誤。CRC-16校驗可以檢測出長度小于等于16的突發(fā)錯誤，可以保證在1014 bit碼元中只含有1位未被檢測出的錯誤。CRC-16的具體算法有多種，以下是一個例子。1.置16位寄存器為全1，作為CRC寄存器。2.把一個8位數(shù)據(jù)與16位CRC寄存器的低字節(jié)相異或，把結(jié)果放于CRC寄存器中。3.把寄存器的內(nèi)容右移一位（朝低位），用0填補最高位，檢查最低位（移出位）。4.如果最低位為0，重復(fù)（再移位）；如果最低位為1，CRC寄存器與多項式A001H（1010 0000 0000 0001）進行異或。5.重復(fù)、，直到右移8次，這樣整個8位數(shù)據(jù)全部進行了處理。6.重復(fù)，進行下

3、一個8位數(shù)據(jù)的處理。7.將一幀的所有數(shù)據(jù)字節(jié)處理完后得到CRC-16寄存器。8.將CRC-16寄存器的低字節(jié)和高字節(jié)交換，得到的值即為CRC-16碼。一、循環(huán)冗余校驗碼（CRC）CRC校驗采用多項式編碼方法。被處理的數(shù)據(jù)塊可以看作是一個n階的二進制多項式，由 。如一個8位二進制數(shù)10110101可以表示為： 。多項式乘除法運算過程與普通代數(shù)多項式的乘除法相同。多項式的加減法運算以2為模，加減時不進，錯位，和邏輯異或運算一致。采用CRC校驗時，發(fā)送方和接收方用同一個生成多項式g（x）,并且g（x）的首位和最后一位的系數(shù)必須為1。CRC的處理方法是：發(fā)送方以g（x）去除t（x），得到余數(shù)作為CRC

4、校驗碼。校驗時，以計算的校正結(jié)果是否為0為據(jù)，判斷數(shù)據(jù)幀是否出錯。CRC校驗可以100地檢測出所有奇數(shù)個隨機錯誤和長度小于等于k（k為g（x）的階數(shù)）的突發(fā)錯誤。所以CRC的生成多項式的階數(shù)越高，那么誤判的概率就越小。CCITT建議：2048 kbit/s的PCM基群設(shè)備采用CRC-4方案，使用的CRC校驗碼生成多項式g（x）= 。采用16位CRC校驗，可以保證在 bit碼元中只含有一位未被檢測出的錯誤 。在IBM的同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程SDLC的幀校驗序列FCS中，使用CRC-16，其生成多項式g（x）= ；而在CCITT推薦的高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC的幀校驗序列FCS中，使用CCITT-

5、16，其生成多項式g（x）= 。CRC-32的生成多項式g（x）= 。CRC-32出錯的概率比CRC-16低 倍 。由于CRC-32的可靠性，把CRC-32用于重要數(shù)據(jù)傳輸十分合適，所以在通信、計算機等領(lǐng)域運用十分廣泛。在一些UART通信控制芯片（如MC6582、Intel8273和Z80-SIO）內(nèi)，都采用了CRC校驗碼進行差錯控制；以太網(wǎng)卡芯片、MPEG解碼芯片中，也采用CRC-32進行差錯控制。2、CRC校驗碼的算法分析CRC校驗碼的編碼方法是用待發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)t（x）除以生成多項式g（x），將最后的余數(shù)作為CRC校驗碼。其實現(xiàn)步驟如下：（1） 設(shè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)塊是m位的二進制多項式t（

6、x），生成多項式為r階的g（x）。在數(shù)據(jù)塊的末尾添加r個0，數(shù)據(jù)塊的長度增加到m+r位，對應(yīng)的二進制多項式為 。（2） 用生成多項式g（x）去除 ，求得余數(shù)為階數(shù)為r-1的二進制多項式y(tǒng)（x）。此二進制多項式y(tǒng)（x）就是t（x）經(jīng)過生成多項式g（x）編碼的CRC校驗碼。（3） 用 以模2的方式減去y（x），得到二進制多項式 。 就是包含了CRC校驗碼的待發(fā)送字符串。從CRC的編碼規(guī)則可以看出，CRC編碼實際上是將代發(fā)送的m位二進制多項式t（x）轉(zhuǎn)換成了可以被g（x）除盡的m+r位二進制多項式 ，所以解碼時可以用接受到的數(shù)據(jù)去除g（x），如果余數(shù)位零，則表示傳輸過程沒有錯誤；如果余數(shù)不為零，則在

7、傳輸過程中肯定存在錯誤。許多CRC的硬件解碼電路就是按這種方式進行檢錯的。同時 可以看做是由t（x）和CRC校驗碼的組合，所以解碼時將接收到的二進制數(shù)據(jù)去掉尾部的r位數(shù)據(jù)，得到的就是原始數(shù)據(jù)。為了更清楚的了解CRC校驗碼的編碼過程，下面用一個簡單的例子來說明CRC校驗碼的編碼過程。由于CRC-32、CRC-16、CCITT和CRC-4的編碼過程基本一致，只有位數(shù)和生成多項式不一樣。為了敘述簡單，用一個CRC-4編碼的例子來說明CRC的編碼過程。設(shè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)t（x）為12位的二進制數(shù)據(jù)；CRC-4的生成多項式為g（x）= ，階數(shù)r為4，即10011。首先在t（x）的末尾添加4個0構(gòu)成 ，數(shù)據(jù)塊

8、就成了。然后用g（x）去除 ，不用管商是多少，只需要求得余數(shù)y（x）。下表為給出了除法過程。除數(shù)次數(shù) 被除數(shù)/ g（x）/結(jié)果 余數(shù)從上面表中可以看出，CRC編碼實際上是一個循環(huán)移位的模2運算。對CRC-4，我們假設(shè)有一個5 bits的寄存器，通過反復(fù)的移位和進行CRC的除法，那么最終該寄存器中的值去掉最高一位就是我們所要求的余數(shù)。所以可以將上述步驟用下面的流程描述：/reg是一個5 bits的寄存器把reg中的值置0.把原始的數(shù)據(jù)后添加r個0.While (數(shù)據(jù)未處理完BeginIf (reg首位是1reg = reg XOR 0011.把reg中的值左移一位，讀入一個新的數(shù)據(jù)并置于regi

9、ster的0 bit的位置。Endreg的后四位就是我們所要求的余數(shù)。這種算法簡單，容易實現(xiàn)，對任意長度生成多項式的G（x）都適用。在發(fā)送的數(shù)據(jù)不長的情況下可以使用。但是如果發(fā)送的數(shù)據(jù)塊很長的話，這種方法就不太適合了。它一次只能處理一位數(shù)據(jù)，效率太低。為了提高處理效率，可以一次處理4位、8位、16位、32位。由于處理器的結(jié)構(gòu)基本上都支持8位數(shù)據(jù)的處理，所以一次處理8位比較合適。為了對優(yōu)化后的算法有一種直觀的了解，先將上面的算法換個角度理解一下。在上面例子中，可以將編碼過程看作如下過程：由于最后只需要余數(shù)，所以我們只看后四位。構(gòu)造一個四位的寄存器reg，初值為0，數(shù)據(jù)依次移入reg0（reg的0

10、位），同時reg3的數(shù)據(jù)移出reg。有上面的算法可以知道，只有當移出的數(shù)據(jù)為1時，reg才和g（x）進行XOR運算；移出的數(shù)據(jù)為0時，reg不與g（x）進行XOR運算，相當與和0000進行XOR運算。就是說，reg和什么樣的數(shù)據(jù)進行XOR移出的數(shù)據(jù)決定。由于只有一個bit，所以有 種選擇。上述算法可以描述如下，/reg是一個4 bits的寄存器初始化t=0011,0000把reg中的值置0.把原始的數(shù)據(jù)后添加r個0.While (數(shù)據(jù)未處理完Begin把reg中的值左移一位，讀入一個新的數(shù)據(jù)并置于register的0 bit的位置。reg = reg XOR t移出的位End上面算法是以bit

11、為單位進行處理的，可以將上述算法擴展到8位，即以Byte為單位進行處理，即CRC-32。構(gòu)造一個四個Byte的寄存器reg，初值為0x00000000，數(shù)據(jù)依次移入reg0（reg的0字節(jié)，以下類似），同時reg3的數(shù)據(jù)移出reg。用上面的算法類推可知，移出的數(shù)據(jù)字節(jié)決定reg和什么樣的數(shù)據(jù)進行XOR。由于有8個bit，所以有 種選擇。上述算法可以描述如下：/reg是一個4 Byte的寄存器初始化t/共有 256項把reg中的值置0.把原始的數(shù)據(jù)后添加r/8個0字節(jié).While (數(shù)據(jù)未處理完Begin把reg中的值左移一個字節(jié)，讀入一個新的字節(jié)并置于reg的第0個byte的位置。reg =

12、reg XOR t移出的字節(jié)End算法的依據(jù)和多項式除法性質(zhì)有關(guān)。如果一個m位的多項式t（x）除以一個r階的生成多項式g（x）， ，將每一位 （0= ）提出來，在后面不足 r 個 0 后，單獨去除 g （ x ），得到的余式位 。則將 后得到的就是 t （ x ）由生成多項式 g （ x ）得到的余式。對于 CRC-32 ，可以將每個字節(jié)在后面補上 32 個 0 后與生成多項式進行運算，得到余式和此字節(jié)唯一對應(yīng)，這個余式就是上面算法種 t 中的值，由于一個字節(jié)有 8 位，所以 t 共有 256 項。多項式運算性質(zhì)可以參見參考文獻 1 。這種算法每次處理一個字節(jié)，通過查表法進行運算，大大提高了處

13、理速度，故為大多數(shù)應(yīng)用所采用。 明白了嗎？ 3 、 CRC-32 的程序?qū)崿F(xiàn)。 為了提高編碼效率，在實際運用中大多采用查表法來完成 CRC-32 校驗，下面是產(chǎn)生 CRC-32 校驗嗎的子程序。 unsigned long crc_32_tab256= 0x00000000, 0x77073096, 0xee0e612c, 0x990951ba, 0x076dc419, 0x706af48f, 0xe963a535, 0x9e6495a3,0x0edb8832, , 0x5a05df1b, 0x2d02ef8d ;/ 事先計算出的參數(shù)表，共有 256 項，未全部列出。 unsigned lon

14、g GenerateCRC32(char xdata * DataBuf,unsigned long lenunsigned long oldcrc32;unsigned long crc32;unsigned long oldcrc;unsigned int charcnt;char c,t;oldcrc32 = 0x00000000; /初值為0charcnt=0;while (len- t= (oldcrc32 >> 24 & 0xFF; /要移出的字節(jié)的值oldcrc=crc_32_tabt; /根據(jù)移出的字節(jié)的值查表c=DataBufcharcnt; /新移進來的

15、字節(jié)值oldcrc32= (oldcrc32 << 8 | c; /將新移進來的字節(jié)值添在寄存器末字節(jié)中oldcrc32=oldcrc32oldcrc; /將寄存器與查出的值進行xor運算charcnt+;crc32=oldcrc32;return crc32;參數(shù)表可以先在PC機上算出來，也可在程序初始化時完成。下面是用于計算參數(shù)表的c語言子程序，在Visual C+ 6.0下編譯通過。#include ; unsigned long int crc32_table256;unsigned long int ulPolynomial = 0x04c11db7;unsigned l

16、ong int Reflect(unsigned long int ref, char ch unsigned long int value(0;/ 交換bit0和bit7，bit1和bit6，類推for(int i = 1; i < (ch + 1; i+ if(ref & 1value |= 1 << (ch - i;ref >>= 1; return value;init_crc32_table( unsigned long int crc,temp;/ 256個值for(int i = 0; i <= 0xFF; i+ temp=Reflect(i, 8;crc32_tablei= temp<< 24;for (int j = 0; j < 8; j+unsigned long int t1,t2;unsigned long int flag=crc32_tablei&0x80000000;t1=(cr