簡單軟件實現1-Wire溫度器件的硬件CRC校驗和串行碼流的誤碼檢測

所有1-Wire溫度器件均包含一個唯一的識別碼，保存在只讀存儲器(ROM)內，該識別碼在1-Wire總線中用作唯一的網絡地址。另外，部分溫度器件的暫存器還有一個CRC (循環冗余校驗)字節用于1-Wire通信驗證。本應用筆記以及附帶的程序提供了一種簡單途徑，驗證1-Wire器件之間通信的正確性，并檢測串行數據流的誤碼。這種方法能夠在每個器件中通過軟件計算DOW (Dallas單線) CRC，并與器件的硬件CRC值進行對比。本文將以DS1822經濟型1-Wire數字溫度計為例進行說明。

CRC算法

CRC (循環冗余校驗)是串行數據流中檢測誤碼最有效的方法，CRC校驗能夠使用戶確保溫度檢測器件之間的數據傳輸正確，該方法對硬件需求最小。DOW (Dallas單線) CRC用于Maxim的1-Wire溫度檢測產品，例如：DS1821、DS1822和DS18B20。DOW CRC可以利用下列多項式表示：

多項式 = X⁸ + X⁵ + X⁴ + 1

詳細的CRC算法，請參考應用筆記27：“理解和運用Maxim iButton?產品中的循環冗余校驗(CRC)”。

從以下硬件電路的功能可以很容易理解CRC，通常表示為帶反饋的移位寄存器，圖1給出了DS1822的硬件電路框圖。


圖1. CRC硬件模型
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ROM碼CRC

每個DS1822都在其ROM中保存了一個唯一的8字節識別碼，該ROM碼的最低有效字節為DS1822的1-Wire家族碼：22h。隨后6個字節是唯一的序列號，最高有效字節為CRC字節，由ROM碼的前面7個字節計算得到。
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暫存器CRC

DS1822暫存器的前8個字節為高溫、低溫門限以及配置寄存器。這些字節還包括DS1822讀取的溫度值和保留備用的寄存器。第9個字節是由前8個字節計算得到的CRC值。

用于暫存器和ROM的CRC字節的計算方法相同，請參考應用筆記27。圖1中的移位寄存器的初始條件為每位數值均為零。LSB首先移入寄存器，當所有位均移入寄存器后，其結果即為特定數據的CRC值。總之，ROM碼需要移入56位(7字節)數據，暫存器需要移入64位(8字節)數據。
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硬件CRC校驗

DS1822具有CRC硬件電路，可以為ROM碼或暫存器提供CRC計算，該值將傳送到1-Wire總線。接收到的數據可能被通信接口破壞，利用軟件計算的CRC可以檢驗接收到的數據包(ROM碼為8字節，暫存器為9字節)是否正確。

可使用Microsoft? Excel表格(采用Microsoft Excel 2003)計算DS1822的CRC值，圖2給出了一個屏幕截圖示例。


圖2. Excel CRC計算器屏幕截圖示例

用戶輸入ROM碼的最后7個字節或暫存器的前8個字節后，按下“Calculate CRC”按鈕，即可得到對應的CRC值，這些數值可以用來與硬件給出的結果進行比較。

用于開發該Excel電子表的VBA程序如下。
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Private Sub ROMCRC_Click()
    
    Dim InHex, OutBinStr As String
    Dim OutBinArr(1 To 56) As Integer
    Dim OutDec, i, CRC(1 To 8), CRCTemp As Integer
    
    InHex = Range("ROMByte1").Value & Range("ROMByte2").Value &
      	Range("ROMByte3").Value & Range("ROMByte4").Value &
      	Range("ROMByte5").Value & Range("ROMByte6").Value &
      	Range("ROMByte7").Value
    OutBinStr = HexToBin(InHex)
    
    ' Convert string to array, LSB = OutBinArr(1)
    For i = 1 To 56
        OutBinArr(57 - i) = Mid$(OutBinStr, i, 1) ' Split(OutBinStr)
    Next i
    
    'Initialize CRC
    For i = 1 To 8
        CRC(i) = 0
    Next i
    
    'Calculate CRC
    For i = 1 To 56
        CRCTemp = CRC(1) Xor OutBinArr(i)
        CRC(1) = CRC(2)
        CRC(2) = CRC(3)
        CRC(3) = CRC(4) Xor CRCTemp
        CRC(4) = CRC(5) Xor CRCTemp
        CRC(5) = CRC(6)
        CRC(6) = CRC(7)
        CRC(7) = CRC(8)
        CRC(8) = CRCTemp
    Next i
    
    DecCRC = BinToDec(CRC)
    
    Range("ROMCRCValue").Value = DecCRC

End Sub

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Private Sub ScratchCRC_Click() Dim InHex, OutBinStr As String Dim OutBinArr(1 To 64) As Integer Dim OutDec, i, CRC(1 To 8), CRCTemp As Integer InHex = Range("HexByte1").Value & Range("HexByte2").Value & Range("HexByte3").Value & Range("HexByte4").Value & Range("HexByte5").Value & Range("HexByte6").Value & Range("HexByte7").Value & Range("HexByte8").Value OutBinStr = HexToBin(InHex) ' Convert string to array, LSB = OutBinArr(1) For i = 1 To 64 OutBinArr(65 - i) = Mid$(OutBinStr, i, 1) ' Split(OutBinStr) Next i 'Initialize CRC For i = 1 To 8 CRC(i) = 0 Next i 'Calculate CRC For i = 1 To 64 CRCTemp = CRC(1) Xor OutBinArr(i) CRC(1) = CRC(2) CRC(2) = CRC(3) CRC(3) = CRC(4) Xor CRCTemp CRC(4) = CRC(5) Xor CRCTemp CRC(5) = CRC(6) CRC(6) = CRC(7) CRC(7) = CRC(8) CRC(8) = CRCTemp Next i DecCRC = BinToDec(CRC) Range("DecCRCValue").Value = DecCRC End Sub

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Private Function HexToBin(hstr) 'convert hex string to binary string cnvarr = Array("0000", "0001", "0010", "0011", _ "0100", "0101", "0110", "0111", "1000", _ "1001", "1010", "1011", "1100", "1101", _ "1110", "1111") bstr = "" For i = 1 To Len(hstr) hdgt = Mid(hstr, i, 1) cix = CInt("&H" & hdgt) bstr = bstr & cnvarr(cix) Next HexToBin = bstr End Function

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Function BinToDec(bstr) 'convert 8 bit Binary number to Decimal Dim j, Out As Integer Out = 0 For j = 1 To 8 Out = Out + bstr(j) * 2 ^ (j - 1) Next j BinToDec = Out End Function

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結論

計算CRC可以很容易地保證1-Wire器件之間的通信正確，對照基于軟件的CRC結果和1-Wire器件的硬件CRC計算結果，從而保證1-Wire總線通信的可靠性。