详解Modbus协议的RTU帧和ASCII帧(2)

前面已经分析过RTU帧和ASCII帧的报文区别，细心的朋友应该会发现在两种不同的报文传输模式下都有一个共同的组成部分——差错校验。

这个差错校验在RTU模式和ASCII模式下也不是不相同的。看下面的对比：

RTU模式的差错校验：

ASCII模式的差错校验：

总而言之，RTU模式下用的是CRC校验，ASCII模式下用的是LRC校验。

下面会说明这两者不同的校验方式是怎么实现的。

1、RTU模式的CRC校验

在 RTU 模式中基于循环冗余校验 ( CRC - - Cyclical Redundancy

Checking) 算法的错误检验域。CRC 域检验整个报文的内容。不管报文有无奇偶校验，均执行此检验。

CRC 包含由两个 8 位字节组成的一个 16 位值，作为报文的最后的域附加在报文之后。计算后，首先附加低字节，然后是高字节。CRC高字节为报文发送的最后一个子节。

附加在报文后面的 CRC 的值由发送设备计算。接收设备在接收报文时重新计算 CRC 的值，并将计算结果于实际接收到的 CRC 值相比较。如果两个值不相等，则为错误。这样的操作是可以防止数据在传送过成发生错误，导致最后出现异常现象。

（1）CRC生成的原理

CRC 的生成过程中， 每个 8–位字符与寄存器中的值异或。然后结果向最低有效位 (LSB) 方向移动(Shift) 1 位，而最高有效位 (MSB) 位置充零。 然后提取并检查 LSB：如果 LSB 为 1， 则寄存器中的值与一个固定的预置值异或；如果 LSB 为 0， 则不进行异或操作。

这个过程将重复直到执行完 8 次移位。完成最后一次（第 8 次）移位及相关操作后，下一个 8位字节与寄存器的当前值异或，然后又同上面描述过的一样重复 8 次。当所有报文中子节都运算之后得到的寄存器中的最终值，就是 CRC。

（2）CRC的生成过程

1. 将一个 16 位寄存器装入十六进制 FFFF (全 1). 将之称作 CRC 寄存器.
2. 将报文的第一个 8 位字节与 16 位 CRC 寄存器的低字节异或，结果置于 CRC 寄存器.
3. 将 CRC 寄存器右移 1 位 (向 LSB 方向)， MSB 充零. 提取并检测 LSB.
4. (如果 LSB 为 0): 重复步骤 3 (另一次移位).(如果 LSB 为 1): 对 CRC 寄存器异或多项式值 0xA001 (1010 0000 0000 0001).
5. 重复步骤 3 和 4，直到完成 8 次移位。当做完此操作后，将完成对 8 位字节的完整操作。
6. 对报文中的下一个字节重复步骤 2 到 5，继续此操作直至所有报文被处理完毕。
7. CRC 寄存器中的最终内容为 CRC 值.
8. 当放置 CRC 值于报文时，高低字节必须交换。

流程图如下：

（3）CRC校验生成的算法实现

CRC的计算一般是用查表法实现，这种方法的优点是计算速度快，缺点是占用内存资源多。

CRC的高字节表如下：

static unsigned char auchCRCHi[] = {
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40
} ;

CRC的低字节表如下：

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

CRC的生成函数如下：

unsigned short CRC16 ( puchMsg， usDataLen ) /* 函数以 unsigned short 类型返回 CRC */
{
    unsigned char *puchMsg ; /* 用于计算 CRC 的报文 */
    unsigned short usDataLen ; /* 报文中的字节数 */
    unsigned char uchCRCHi = 0xFF ; /* CRC 的高字节初始化 */
    unsigned char uchCRCLo = 0xFF ; /* CRC 的低字节初始化 */
    unsigned uIndex ; /* CRC 查询表索引 */


    while (usDataLen--) /* 完成整个报文缓冲区 */
    {
            uIndex = uchCRCLo ^ *puchMsgg++ ; /* 计算 CRC */
            uchCRCLo = uchCRCHi ^ auchCRCHi[uIndex} ;
            uchCRCHi = auchCRCLo[uIndex] ;
    }


    return (uchCRCHi < < 8 | uchCRCLo) ;
}

（4）CRC校验码添加到报文中

当 16 位 CRC (2 个 8 位字节) 在报文中传送时，低位字节首先发送，然后是高位字节。

例如， 如果 CRC 值为十六进制 1241 (0001 0010 0100 0001)，如下：

2、ASCII模式的LRC校验

（1）LRC的生成原理

纵向冗余校验(LRC)为一个字节，含有 8 位二进制值。LRC 由发送设备计算，并附加 LRC 到报文。接收设备在接收文时计算 LRC, 并将计算的结果与在 LRC 接收到的实际值相比较，如果两个值不相等，则结果为错。

LRC 的计算, 对报文中的所有的连续 8 位字节相加，忽略任何进位，然后求出其二进制补码。

LRC 为一个 8 位域，那么每个会导致值大于 255 新的相加只是简单的将域的值在零”回绕”。因为没有第 9 位，进位被自动放弃。

（2）LRC的生成过程

1.不包括起始”冒号”和结束 CRLF 的报文中的所有字节相加到一个 8 位域，故此进位被丢弃。
2.从 FF (全 1)十六进制中减去域的最终值，产生 1 的补码(二进制反码)。
3.加 1 产生二进制补码.

（3）LRC校验生成的算法

static unsigned char LRC(auchMsg， usDataLen) /* 函数返回 unsigned char 类型的 LRC 结果*/
{
    unsigned char *auchMsg ; /* 要计算 LRC 的报文*/
    unsigned short usDataLen ; /* 报文的字节数 */
    unsigned char uchLRC = 0 ; /* LRC 初始化 */


    while (usDataLen--) /* 完成整个报文缓冲区 */
        uchLRC += *auchMsg++ ; /* 缓冲区字节相加，无进位 */


    return ((unsigned char)(-((char)uchLRC))) ; /* 返回二进制补码 */
}

（4）将LRC校验码添加到报文中

当 8 位 LRC (2 个 ASCII 字符) 在报文中传送时，高位字符首先发送，然后是低位字符。

例如，如果 LRC 值为十六进制 61 (0110 0001)，如下：