变频器与PLC通讯的CRC校验程序设计与分析

变频器与PLC通讯的CRC校验程序设计与分析通常变频器与PLC进行通讯控制时，特别是在写频率时需要在PLC程序中加入CRC检验程序，很多人对检验程序看不懂，不明白是怎么一个原理。以下我们来详细说说这个CRC校验。何为CRC校验？采用CRC-16，即2字节冗余循环码CRC，低字节在前。CRC码由发端计算，放置于发送消息帧的尾部，接收端再重新计算接收到信息的CRC码，比较计算得到的CRC码是否与接收到的相符，若不符则表明出错。CRC码的计算包括整个消息内容，计算时只用8位数据位，而起始位、停止位及可能的校验位均不参与CRC计算。广州旭康自动化专注于为您提供专业的自动化系统解决方案！CRC校验可以100%检测出所有奇数个随机错误。CRC-16校验可以检测出长度小于等于16的突发错误，可以保证在1014bit码元中只含有1位未被检测出的错误。CRC-16的具体算法有多种，以下是一个例子。1.置16位寄存器为全1，作为CRC寄存器。2.把一个8位数据与16位CRC寄存器的低字节相异或，把结果放于CRC寄存器中。3.把寄存器的内容右移一位（朝低位），用0填补最高位，检查最低位（移出位）。4.如果最低位为0，重复③（再移位）；如果最低位为1，CRC寄存器与多项式A001H（1010000000000001）进行异或。5.重复③、④，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理。6.重复②－⑤，进行下一个8位数据的处理。7.将一帧的所有数据字节处理完后得到CRC-16寄存器。8.将CRC-16寄存器的低字节和高字节交换，得到的值即为CRC-16码。一、循环冗余校验码（CRC）CRC校验采用多项式编码方法。被处理的数据块可以看作是一个n阶的二进制多项式，由。如一个8位二进制数10110101可以表示为：。多项式乘除法运算过程与普通代数多项式的乘除法相同。多项式的加减法运算以2为模，加减时不进，错位，和逻辑异或运算一致。采用CRC校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式g（x）,并且g（x）的首位和最后一位的系数必须为1。CRC的处理方法是：发送方以g（x）去除t（x），得到余数作为CRC校验码。校验时，以计算的校正结果是否为0为据，判断数据帧是否出错。CRC校验可以100％地检测出所有奇数个随机错误和长度小于等于k（k为g（x）的阶数）的突发错误。所以CRC的生成多项式的阶数越高，那么误判的概率就越小。CCITT建议：2048kbit/s的PCM基群设备采用CRC-4方案，使用的CRC校验码生成多项式g（x）=。采用16位CRC校验，可以保证在bit码元中只含有一位未被检测出的错误。在IBM的同步数据链路控制规程SDLC的帧校验序列FCS中，使用CRC-16，其生成多项式g（x）=；而在CCITT推荐的高级数据链路控制规程HDLC的帧校验序列FCS中，使用CCITT-16，其生成多项式g（x）=。CRC-32的生成多项式g（x）=。CRC-32出错的概率比CRC-16低倍。由于CRC-32的可靠性，把CRC-32用于重要数据传输十分合适，所以在通信、计算机等领域运用十分广泛。在一些UART通信控制芯片（如MC6582、Intel8273和Z80-SIO）内，都采用了CRC校验码进行差错控制；以太网卡芯片、MPEG解码芯片中，也采用CRC-32进行差错控制。2、CRC校验码的算法分析CRC校验码的编码方法是用待发送的二进制数据t（x）除以生成多项式g（x），将最后的余数作为CRC校验码。其实现步骤如下：（1）设待发送的数据块是m位的二进制多项式t（x），生成多项式为r阶的g（x）。在数据块的末尾添加r个0，数据块的长度增加到m+r位，对应的二进制多项式为。（2）用生成多项式g（x）去除，求得余数为阶数为r-1的二进制多项式y（x）。此二进制多项式y（x）就是t（x）经过生成多项式g（x）编码的CRC校验码。（3）用以模2的方式减去y（x），得到二进制多项式。就是包含了CRC校验码的待发送字符串。从CRC的编码规则可以看出，CRC编码实际上是将代发送的m位二进制多项式t（x）转换成了可以被g（x）除尽的m+r位二进制多项式，所以解码时可以用接受到的数据去除g（x），如果余数位零，则表示传输过程没有错误；如果余数不为零，则在传输过程中肯定存在错误。许多CRC的硬件解码电路就是按这种方式进行检错的。同时可以看做是由t（x）和CRC校验码的组合，所以解码时将接收到的二进制数据去掉尾部的r位数据，得到的就是原始数据。为了更清楚的了解CRC校验码的编码过程，下面用一个简单的例子来说明CRC校验码的编码过程。由于CRC-32、CRC-16、CCITT和CRC-4的编码过程基本一致，只有位数和生成多项式不一样。为了叙述简单，用一个CRC-4编码的例子来说明CRC的编码过程。设待发送的数据t（x）为12位的二进制数据100100011100；CRC-4的生成多项式为g（x）=，阶数r为4，即10011。首先在t（x）的末尾添加4个0构成，数据块就成了1001000111000000。然后用g（x）去除，不用管商是多少，只需要求得余数y（x）。下表为给出了除法过程。除数次数被除数/g（x）/结果余数010010001110000001001110000001001100001001110000001100111000000100000010011000001000000210000001100100110001100从上面表中可以看出，CRC编码实际上是一个循环移位的模2运算。对CRC-4，我们假设有一个5bits的寄存器，通过反复的移位和进行CRC的除法，那么最终该寄存器中的值去掉最高一位就是我们所要求的余数。所以可以将上述步骤用下面的流程描述：//reg是一个5bits的寄存器把reg中的值置0.把原始的数据后添加r个0.While(数据未处理完)BeginIf(reg首位是1)reg=regXOR0011.把reg中的值左移一位，读入一个新的数据并置于register的0bit的位置。Endreg的后四位就是我们所要求的余数。这种算法简单，容易实现，对任意长度生成多项式的G（x）都适用。在发送的数据不长的情况下可以使用。但是如果发送的数据块很长的话，这种方法就不太适合了。它一次只能处理一位数据，效率太低。为了提高处理效率，可以一次处理4位、8位、16位、32位。由于处理器的结构基本上都支持8位数据的处理，所以一次处理8位比较合适。为了对优化后的算法有一种直观的了解，先将上面的算法换个角度理解一下。在上面例子中，可以将编码过程看作如下过程：由于最后只需要余数，所以我们只看后四位。构造一个四位的寄存器reg，初值为0，数据依次移入reg0（reg的0位），同时reg3的数据移出reg。有上面的算法可以知道，只有当移出的数据为1时，reg才和g（x）进行XOR运算；移出的数据为0时，reg不与g（x）进行XOR运算，相当与和0000进行XOR运算。就是说，reg和什么样的数据进行XOR移出的数据决定。由于只有一个bit，所以有种选择。上述算法可以描述如下，//reg是一个4bits的寄存器初始化t[]={0011,0000}把reg中的值置0.把原始的数据后添加r个0.While(数据未处理完)Begin把reg中的值左移一位，读入一个新的数据并置于register的0bit的位置。reg=regXORt[移出的位]End上面算法是以bit为单位进行处理的，可以将上述算法扩展到8位，即以Byte为单位进行处理，即CRC-32。构造一个四个Byte的寄存器reg，初值为0x00000000，数据依次移入reg0（reg的0字节，以下类似），同时reg3的数据移出reg。用上面的算法类推可知，移出的数据字节决定reg和什么样的数据进行XOR。由于有8个bit，所以有种选择。上述算法可以描述如下：//reg是一个4Byte的寄存器初始化t[]＝{…}//共有＝256项把reg中的值置0.把原始的数据后添加r/8个0字节.While(数据未处理完)Begin把reg中的值左移一个字节，读入一个新的字节并置于reg的第0个byte的位置。reg=regXORt[移出的字节]End算法的依据和多项式除法性质有关。如果一个m位的多项式t（x）除以一个r阶的生成多项式g（x），，将每一位（0=km）提出来，在后面不足r个0后，单独去除g（x），得到的余式位。则将后得到的就是t（x）由生成多项式g（x）得到的余式。对于CRC-32，可以将每个字节在后面补上32个0后与生成多项式进行运算，得到余式和此字节唯一对应，这个余式就是上面算法种t[]中的值，由于一个字节有8位，所以t[]共有＝256项。多项式运算性质可以参见参考文献[1]。这种算法每次处理一个字节，通过查表法进行运算，大大提高了处理速度，故为大多数应用所采用。明白了吗？、CRC-32的程序实现。为了提高编码效率，在实际运用中大多采用查表法来完成CRC-32校验，下面是产生CRC-32校验吗的子程序。unsignedlongcrc_32_tab[256]={0x00000000,0x77073096,0xee0e612c,0x990951ba,0x076dc419,0x706af48f,0xe963a535,0x9e6495a3,0x0edb8832,…,0x5a05df1b,0x2d02ef8d};//事先计算出的参数表，共有256项，未全部列出。unsignedlongGenerateCRC32(charxdata*DataBuf,unsignedlonglen){unsignedlongoldcrc32;unsignedlongcrc32;unsignedlongoldcrc;unsignedintcharcnt;charc,t;oldcrc32=0x00000000;//初值为0charcnt=0;while(len--){t=(oldcrc32;;24)&0xFF;//要移出的字节的值oldcrc=crc_32_tab[t];//根据移出的字节的值查表c=DataBuf[charcnt];//新移进来的字节值oldcrc32=(oldcrc328)|c;//将新移进来的字节值添在寄存器末字节中oldcrc32=oldcrc32^oldcrc;//将寄存器与查出的值进行xor运算charcnt++;}crc32=oldcrc32;returncrc32;}参数表可以先在PC机上算出来，也可在程序初始化时完成。下面是用于计算参数表的c语言子程序，在VisualC++6.0下编译通过。#includestdio.h;unsignedlongintcrc32_table[256];unsignedlongintulPolynomial=0x04c11db7;unsignedlongintReflect(unsignedlongintref,charch){unsignedlongintvalue(0);//交换bit0和bit7，bit1和bit6，类推for(inti=1;i(ch+1);i++){if(ref&1)value|=1(ch-i);ref;;=1;}returnvalue;}init_crc32_table(){unsignedlongintcrc,temp;//256个值for(inti=0;i=0xFF;i++){temp=Reflect(i,8);crc32_table[i]=temp24;for(intj=0;j8;j++){unsignedlongintt1,t2;unsignedlongintflag=crc32_table[i]&0x80000000;t1=(crc32_table[i]1);if(flag==0)t2=0;elset2=ulPolynomial;crc32_table[i]=t