CAN通信基础：CRC校验在CAN通信中的应用

CAN通信基础：CRC校验在CAN通信中的应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/wendy_mooncat/article/details/144621065

CAN（Controller Area Network）总线是一种广泛应用于汽车电子和工业控制领域的串行通信协议。为了确保数据传输的可靠性，CAN协议采用了CRC（Cyclic Redundancy Check）校验机制。本文将详细介绍CRC算法的基础原理、在CAN数据链路层的具体应用，以及CAN报文中的Rolling Counter和Checksum的使用。

1 CRC算法基础

1.1 简介

CRC（循环冗余校验，Cyclic Redundancy Check）是一种常用的、基于多项式除法的校验方法，用于检测数据传输或存储过程中的错误。

基本原理

• CRC算法将数据视为多项式，并将数据多项式除以一个收发双方约定的多项式（称为生成多项式），计算得到的余数就是CRC校验值；
• 生成的余数（CRC校验值）会被附加至原始数据后面，随原始数据一同发送或存储；
• 当数据被接收时，接收方会使用相同的生成多项式对数据进行CRC计算。如果计算出的CRC值与接收到的CRC值相匹配，那么数据被认为是正确的；如果不匹配，数据在传输或存储过程中可能发生了错误。

算法参数

通常，CRC算法需要明确如下参数：

• 生成多项式：决定了CRC算法的特性，不同的多项式会产生不同的CRC算法。
• 初始值：CRC计算开始前寄存器的初始值。
• 输入数据反转：部分CRC算法在处理数据前会反转数据的位顺序。
• 输出数据反转：部分CRC算法在输出CRC值前会反转CRC值的位顺序。
• 最终XOR值：CRC计算完成后，与CRC寄存器的最终值进行XOR操作的值。

优势和应用

• CRC校验能够检测出所有奇数个错误和几乎所有的偶数个错误，以及所有长度小于或等于生成多项式次数的突发错误。
• CRC校验的计算效率高，适合硬件和软件实现。
• CRC校验广泛应用于通信领域，用于确保数据的完整性和准确性。在CAN协议中，数据链路层使用CRC-15校验CAN帧的准确性；应用层也常常在重要报文中添加Checksum信号（基于CRC-8）校验CAN数据的准确性。

1.2 CRC的生成多项式

首先，对CRC校验中生成多项式进行介绍。

CRC算法的多项式可以通过二进制序列表示。如某CRC-8算法的二进制表示为1 0001 1101，最低位（右1位）是第0比特，其多项式P ( x ) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + 1 P(x)=x^8+x^4+x^3+x^2+1P(x)=x8+x^4+x^3+x^2+1与二进制序列一一对应。由于CRC-8生成多项式最高位阶指数默认是8，则最高位通常不表示，则上述CRC-8生成多项式常用十六进制1Dh表示。

1.3 CRC运算示例和多项式除法（模2除法）

CRC校验方法使用多项式除法（模2除法）进行计算，下面以具体实例说明模2除法如何计算CRC校验值。

现有数据FFh（1111 1111）使用CRC-8 1Dh进行校验。其计算CRC校验码的过程如下：

• CRC-8 1Dh算法的生成多项式为P ( x ) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + 1 P(x)=x^8+x^4+x^3+x^2+1P(x)=x8+x^4+x^3+x^2+1，其对应的二进制序列为100011101；
• 在原始数据FFh（1111 1111）补充8位的数据0，其中8是生成多项式的阶数；
• 使用补0之后的二进制数据对生成多项式的二进制序列进行模2运算（见下图）。其实际计算方式是从数据最高位开始和生成多项式进行异或运算，不断向数据低位滑动；
• 最终得到余数C4h（1100 0100），当不足8位时，需要高位补零得到8比特的CRC校验码。

2 CAN数据链路层的CRC Field

ISO 11898-1协议为CAN数据帧定义CRC字段：

• 该CRC字段长度为15比特；
• 该CRC生成多项式为P ( x ) = x 15 + x 14 + x 10 + x 8 + x 7 + x 4 + x 3 + 1 P(x)=x^{15}+x^{14}+x^{10}+x^8+x^7+x^4+x^3+1P(x)=x15+x14+x10+x8+x7+x4+x3+1；
• 该CRC校验数据的范围是SOF（Start of Frame，帧起始）字段至Data Field（数据域）结束；
• 若某接收节点计算的CRC字段与其接收到的CRC字段数值不一致，则会在ACK-DEL（ACK字段界定符）之后发出错误帧。

3 CAN报文的Rolling Counter和Checksum

为了提高CAN通信传输的可靠性，重要的CAN报文通常需要包含Rolling Counter和Checksum两个信号。如下图，是常见的Rolling Counter和Checksum的在一帧CAN报文中的布局。

3.1 Rolling Counter

Rolling Counter是CAN报文的滚动计数器，用于跟踪报文的序列，确保报文按预期顺序接收。它是一个简单的递增计数器，范围为0-15之间递增循环。通常以一个4比特长度Singal的形式体现。Rolling Counter可以帮助接收方应用软件判断：报文传输过程中是否出现丢帧和乱序。

3.2 Checksum

Checksum是一种CAN报文的数据校验码，用于检查通信数据的完整性。Checksum在CAN报文中通常以一个8比特长度信号的形式体现，常用CRC-8算法。Checksum信号中是发送方按照算法计算出的校验码，其校验范围是本条CAN报文中的其他信号。接收方收到CAN报文后，会根据同样的算法计算校验码，并与Checksum信号进行对比，若两者一致，则认为报文传输过程未出现错误。

在CAN通信设计中，需要约定系统中所有CAN控制器使用的Checksum校验算法，供应商按照此算法实现控制器。下表是CRCH1D算法的参数，以此算法为例介绍发送方和接收方需要约定的CRC8算法参数。

解释：

• 生成多项式：CRC-8算法的多项式可以通过十六进制表示。如1Dh的二进制表示为0001 1101，CRC-8第一位默认隐藏，故实际多项式二进制序列为(1) 0001 1101。按照二进制序列对应x xx的指数，则生成多项式P ( x ) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + 1 P(x)=x^8+x^4+x^3+x^2+1P(x)=x8+x^4+x^3+x^2+1；
• 初始值：初始值是在开始CRC计算之前，CRC寄存器被设置的值；
• 输入数据反转：在进行CRC计算之前，输入数据的位不会被反转。该反转指位反转，即1101位反转后为1011；
• 输出数据反转：在进行CRC计算之后，输出数据的位不会被反转；
• 异或值：XOR值是在CRC计算完成后，与CRC寄存器的最终值进行XOR（异或）操作的值；
• 校验值：用户指定一段输入数据，经过此CRC算法校验后的输出值。如使用ASCII值’1’，‘2’, ‘3’, ‘4’, ‘5’, ‘6’, ‘7’, ‘8’, '9’作为输入数据，输出得到的校验值；
• 魔术校验值：任意一段数据经过CRC校验后，得到CRC校验值。将CRC校验值附加于原数据后形成新的输入数据，并进行CRC校验，得到的校验值与异或值（XOR Value）异或，最终输出魔术校验值（Magic Check）。此数值不受原始数据影响，任意数据经过此过程后可得到唯一的魔术校验值。

4 CRC算法代码实现

def crc8h1d(ptr, length):  
    crc = 0xFF          # [参数]初始值 Initial Value : 0xFF
    polynomial = 0x1D   # [参数]生成多项式  Polynomial = P(x)=x^4+x^3+x^2+1  
    for i in range(length):     # 读入数据  
        crc ^= ptr[i]           # 数据与当前CRC寄存器中的数值进行异或  
        for j in range(8):      # 逐位处理 模拟模2除法  
            if (crc & 0x80):    # 当前高位是1，则左移1位并异或生成多项式（模2除法）:左移1位的原因是当前生成多项式表达式不包含最高次幂  
                crc = ((crc << 1) ^ polynomial) & 0xFF  
            else:               # 当前高位是0，则左移1位  
                crc = (crc << 1) & 0xFF  
            crc &= 0xFF         # [参数]宽度  Width : 8 bits  
    return crc ^ 0xFF           # [参数]最终异或值 XOR Value : 0xFF  
  
ptr = [0x31, 0x32, 0x33, 0x34, 0x35, 0x36, 0x37, 0x38, 0x39]  # 输入数据（此输入数据为计算Check值的输入）
length = 9  # 输入数据长度  
  
crc_value = crc8h1d(ptr, length)                # 计算CRCH1D校验值  
print(f"The CRC value is: {crc_value:#04x}")    # The CRC value is: 0x4b

本文原文来自CSDN