Deeply understand the LRC and CRC verification of Modbus

Modbus communication based on serial links requires error verification, and different verification methods are used for the error verification field depending on the transmission mode (ASCII or RTU).

• ASCII 模式 —— 校验字段由两个字符组成，其值是基于对全部报文内容执行 LRC 校验（Longitudinal Redundancy Check，纵向冗余校验）的计算结果。计算对象不包括起始的冒号（:）和回车换行符号（CRLF）。
• RTU 模式 —— 校验字段由 16 个比特位（两个字节）组成，其值是基于对全部报文内容执行 CRC 校验（Cyclical Redundancy Check，循环冗余校验）的计算结果。计算对象包括校验域之前的所有字节。

LRC 校验​

LRC 校验比较简单，它在 ASCII 协议中使用，检测了消息域中除开始的冒号及结束的回车换行号外的内容。它仅仅是把每一个需要传输的数据按字节叠加（丢弃所有进位），然后对结果进行二进制补码操作。

下面是 LRC 校验的具体代码：

unsigned char LRC(unsigned char *auchMsg, unsigned short usDataLen)
{
    unsigned char uchLRC = 0;
    while (usDataLen--)
        uchLRC += *auchMsg++;
    return ((unsigned char)(-((char)uchLRC)));
}

从算法本质来说，LRC 域本身仅占 1 个字节，但在 ASCII 模式传递消息帧时，LRC 值被编码为 2 个字节的 ASCII 字符。例如，计算得到的 LRC 值为 0xF3，那么在 ASCII 消息帧中表示为 'F' 和 '3' 两个字符。

CRC 校验​

CRC 域是两个字节，包含一个 16 位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的 CRC，并与接收到的 CRC 域中的值比较，如果两值不同，则有误。

CRC 是先调入一值是全“1”的 16 位寄存器，然后调用一过程将消息中连续的 8 位字节各当前寄存器中的值进行处理。仅每个字符中的 8 位数据对 CRC 有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。 CRC 产生过程中，每个 8 位字符都单独和寄存器内容相或（OR），结果向最低有效位方向移动，最高有效位以 0 填充。LSB 被提取出来检测，如果 LSB 为 1，寄存器单独和预置的值或一下，如果 LSB 为 0，则不进行。整个过程要重复 8 次。在最后一位（第 8 位）完成后，下一个 8 位字节又单独和寄存器的当前值相或。最终寄存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的 CRC 值。

下面是 CRC 校验的具体代码：

unsigned short CRC16(unsigned char *puchMsg, unsigned short usDataLen)
{
    int i, j;
    unsigned short usRegCRC = 0xFFFF;
    
    for (i=0; i<usDataLen; i++)
    {
        usRegCRC ^= *puchMsg++;
        for (j=0; j<8; j++)
        {
            if (usRegCRC & 0x0001)
                usRegCRC = usRegCRC >> 1 ^ 0xA001;
            else
                usRegCRC >>= 1;
        }
    }
    
    return usRegCRC;
}

在 Modbus RTU 模式中，规定了在消息帧传递时 CRC 校验值必须按低字节在前，高字节在后的顺序。例如，计算得到的 CRC 值为 0xCA31，那么发送顺序为 0x31、0xCA。

上面的 CRC16 计算方法并不是最优的，因为它需要大量的运算，只适用于对速度不敏感的场合。对运算速度有要求的，可以采用查表法得到校验值，是一种以空间换时间的策略。