Modbus CRC校验代码+原理理解

原创于 2025-07-10 09:48:19 发布 · 1.7k 阅读

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1. 代码及过程

inline quint16 CalculateCRC(QByteArray buffer)
{
    quint16 crc = 0xffff;

    for(int i = 0; i < buffer.length(); i++){
        crc = crc ^ (unsigned char)buffer.at(i);

        for(int j = 0; j < 8; j++){
            quint16 temp = crc & 0x01;
            crc = crc >> 1;
            if(temp == 1){
                crc = crc ^ 0xA001;
            }
        }
    }

    return crc;
}

这段代码实现了一个 CRC-16/MODBUS 校验算法（多项式 0xA001），用于计算给定数据缓冲区（QByteArray）的循环冗余校验值（CRC）。以下是逐行逻辑解析：

1. 初始化 CRC 寄存器

quint16 crc = 0xffff;

初始化一个 16 位的 CRC 寄存器，初始值为 0xFFFF（这是 MODBUS CRC 的标准初始值）。

2. 遍历输入数据的每个字节

for(int i = 0; i < buffer.length(); i++) {
    crc = crc ^ (unsigned char)buffer.at(i);

对缓冲区中的每个字节进行按位异或（XOR）操作：
- (unsigned char)buffer.at(i) 确保当前字节是无符号的（避免符号扩展问题）。
- crc ^ byte 将当前字节与 CRC 寄存器的低 8 位进行异或。

3. 对每个字节的 8 位进行位处理

for(int j = 0; j < 8; j++) {
    quint16 temp = crc & 0x01;
    crc = crc >> 1;
    if(temp == 1) {
        crc = crc ^ 0xA001;
    }
}

位处理逻辑：
1. 提取最低位：temp = crc & 0x01 获取 CRC 寄存器的最低位（LSB）。
2. 右移 CRC 寄存器：crc = crc >> 1 将 CRC 右移 1 位（相当于除以 2）。
3. 多项式异或：如果最低位是 1，则与多项式 0xA001（即 0x8005 的位反射形式）进行异或。
  - 这是 CRC-16/MODBUS 的核心算法步骤。

4. 返回最终的 CRC 值

return crc;

返回计算完成的 16 位 CRC 值（低字节在前，高字节在后，符合 MODBUS 协议要求）。

示例验证

假设输入数据为 {0x01, 0x02}：

初始 CRC = 0xFFFF。
异或 0x01 → CRC = 0xFFFF ^ 0x01 = 0xFFFE。
处理 8 位后，CRC 可能变为 0xXXXX（具体值取决于位运算过程）。
最终结果需与实际 MODBUS CRC 工具对比验证。

2. 为什么当最低位为 1 时要异或 `0xA001`？

这个操作是 CRC-16/MODBUS 算法的核心步骤，其背后的原理涉及 模 2 除法（多项式除法） 和 位反射（Bit Reflection）。下面逐步解释：

1. CRC 的本质：模 2 除法

CRC（循环冗余校验）的本质是 用数据除以一个固定的多项式，取余数作为校验值。

多项式：在 MODBUS 中，标准多项式是 0x8005（二进制 1000 0000 0000 0101）。
模 2 除法：计算时不考虑进位，等价于按位异或（XOR）。

2. 为什么右移后要异或 `0xA001`？

(1) 标准 CRC-16 的运算方式

在标准 CRC-16（多项式 0x8005）中，计算过程是 高位先处理（MSB-first）：

数据左移，检查最高位（MSB）是否为 1：
- 如果是 1，则 左移后异或 0x8005。
- 如果是 0，仅左移。

(2) MODBUS 使用低位先处理（LSB-first）

但 MODBUS 协议使用的是 低位先处理（LSB-first），即：

数据右移，检查最低位（LSB）是否为 1：
- 如果是 1，则 右移后异或 0xA001。
- 如果是 0，仅右移。

(3) `0xA001` 是 `0x8005` 的位反射

0x8005 的二进制：1000 0000 0000 0101（标准 CRC-16 多项式）。
0xA001 的二进制：1010 0000 0000 0001（MODBUS CRC 多项式）。

0xA001 实际上是 0x8005 的位反射（Bit-Reversed）形式：

把 0x8005 的 16 位倒过来：

0x8005: 1000 0000 0000 0101  
反射后: 1010 0000 0000 0001 → 0xA001

由于 MODBUS 先处理 LSB（右移），而标准 CRC 先处理 MSB（左移），所以必须使用反射后的多项式 0xA001 来保持计算一致性。

3. 为什么最低位为 1 时要异或？

在 右移（LSB-first） 的 CRC 计算中：

检查最低位（LSB）：
- 如果最低位是 1，说明当前 CRC 值 不能被多项式整除，需要做调整（即异或 0xA001）。
- 如果最低位是 0，说明当前 CRC 值 可以被多项式整除，直接右移即可。
异或 0xA001 的作用：
- 相当于在模 2 除法中 减去（XOR）多项式，使得余数（CRC）符合校验规则。

3. 对比标准 CRC-16 和 MODBUS CRC-16

参数	标准 CRC-16 (CCITT)	MODBUS CRC-16
多项式	`0x8005`	`0xA001`（`0x8005` 的反射）
初始值	`0xFFFF`	`0xFFFF`
输入反射	无（MSB-first）	有（LSB-first）
输出反射	无	无
结果异或	`0x0000`	`0x0000`

示例计算

假设数据 0x01 的 CRC 计算过程：

初始 CRC = 0xFFFF
处理 0x01：
- CRC ^ 0x01 = 0xFFFE
- 进入 8 次右移循环：
  - 第 1 次：0xFFFE 的最低位是 0 → 仅右移 → 0x7FFF
  - 第 2 次：0x7FFF 的最低位是 1 → 右移并异或 0xA001 → 0xBFFF
  - …（继续 6 次）
最终 CRC 可能是 0xXXXX（具体值取决于完整计算）。