摘? 要: 討論了在自報式水情無線遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信中進行快速差錯校驗的必要性,給出了經(jīng)過實際檢驗、可行的軟件快速校驗方法,并比較了它們的優(yōu)劣與適應的場合。?

　　關鍵詞: CRC? 漢明碼? 水情遙測? 數(shù)據(jù)通信? 差錯校驗?

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　　將測站的實時水情數(shù)據(jù)(水位、閘位、雨量等)準確無誤地發(fā)送到中心站,提供給水文洪水預報、洪水調度、防洪排澇決策等高一級系統(tǒng),是水情遙測系統(tǒng)最基本、最重要的功能之一。水情遙測系統(tǒng)是一個軟硬件綜合系統(tǒng)。其基本工作流程是:在測量端(測站)完成水情參數(shù)的采集與處理(信源編碼、存儲記錄、信道編碼等),然后將處理過的數(shù)據(jù)通過無線或有線信道直接或經(jīng)中繼發(fā)送至遠端的中心站,由中心站進行接收解碼并作進一步處理。圖1為水情無線遙測系統(tǒng)結構示意圖。測站和中繼站的主控設備一般采用單片機,用匯編語言編程;而中心接收端主機一般采用微型機,用C語言(或其它高級語言)編程。

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　　水情遙測系統(tǒng)的報汛方式一般有三種:定時自報式、查詢-應答式和混合式(自報和查詢-應答兼容)。三種報汛方式兼有長短。綜合考慮系統(tǒng)功耗、可靠性、復雜性等要素,定時自報方式在水情遙測系統(tǒng)中仍占主流。其優(yōu)點是:功耗極低(值守狀態(tài)<50μA@+12V,大多以蓄電池供電),系統(tǒng)結構簡單,可靠性較高;缺點是無法實現(xiàn)反饋重發(fā)、反傳校驗等差錯控制。顯然,需要選擇一種合適的差錯校驗方法。?

　　水情遙測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方式可分為超短波通信、微波通信、衛(wèi)星通信、移動通信、有線通信等。因其遙測站點常建于交通不便、供電及有線通信條件不足的地區(qū),基于建設成本及運行費用等考慮,數(shù)據(jù)通信仍以無線超短波通信為主要方式。?

　　在無線數(shù)據(jù)通信過程中,即使信道質量良好,但由于信號衰減、失真,特別是某些突發(fā)性的干擾(如雷電,電磁輻射)不可避免地會發(fā)生數(shù)據(jù)誤傳,即誤碼。根據(jù)水情遙測系統(tǒng)的相關規(guī)范,超短波數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率應小于10^-4,以及在每個數(shù)據(jù)收集周期平均應有90%以上的測站(重點控制站必須包括在內)能準確傳送數(shù)據(jù)至中心站。因此采取適當?shù)牟铄e控制方法,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院苡斜匾?。常用的差錯控制方法分軟件和硬件方式。最簡單的是由器件直接實現(xiàn)奇偶校驗方式,它占用10%的時間,只檢出奇數(shù)個位出錯。據(jù)檢測,在電話網(wǎng)中以1200波特率傳輸數(shù)據(jù)時,若采用奇偶校驗方式,仍會有40%的錯誤不能檢出,這對水情遙測顯然是不夠的。欲對包括中繼在內的每一個站實行碼校驗,還要求所選校驗方式具有高檢出率、速度快、編碼簡單等特點。常見的方式有漢明碼、循環(huán)冗余校驗(CRC)等,雖然這些校驗方式也可由硬件實現(xiàn),但人們仍傾向于采用簡單經(jīng)濟又具靈活性的軟件校驗。以下結合工作實際給出經(jīng)驗證可行的快速校驗方法,并比較了它們的優(yōu)劣。文中所涉及到的程序算法均以C語言的形式給出,而將其轉變成單片機的算法也不難。?

1 CRC校驗?

　　CRC(Cyclical? Redundancy? Check)校驗,又稱循環(huán)冗余校驗,具有極強的檢錯能力(不能糾錯),算法簡單。早期用硬件電路直接搭成,但軟件方法成本更低,實現(xiàn)更簡單,運算速度也很快。16位的CRC檢錯率如表1所示^[1]。?

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　　常用的16位CRC多項式有兩種:一種是CRC-CCITT標準,在微機通信的XMODEM協(xié)議中得到了應用;另一種是CRC-16標準,它實際捕獲錯誤的能力不如CRC-CCITT,在IBM的二進制同步協(xié)議(BYSYNC)的數(shù)據(jù)傳送中應用已久。兩者采用的多項式如表2所示,本文采用前者。?

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1.1 直接模2除法CRC實現(xiàn)方式?

　　對16位的CRC而言,用信息段作被除數(shù),生成多項式(本文用1021H,CCITT標準)作除數(shù),進行模2除法所產(chǎn)生的余數(shù)(2字節(jié))即為CRC校驗值,且CRC校驗只問余數(shù)而不管商是多少。發(fā)送時將校驗值連在信息段的后面一起發(fā)送。在接收端,接收方只需把接收到的CRC校驗值連同信息一起,作為新的信息段并對其進行相同的CRC運算(只比發(fā)送時多2字節(jié))。若得到的新余數(shù)(校驗值)為0,則表明接收到的信息段和CRC都無差錯;反之,說明信息段或CRC有錯,應做相應處理。所以CRC的編碼和譯碼并沒有本質的區(qū)別。程序如下:?

USHORT crc(USHORT data， USHORT genpoly， USHORT accum)?

{// data:數(shù)據(jù),所用信息字的第一個字節(jié);genpoly:CRC多項式,如1021H;accum:累加器的值,第一次賦0,以后放每次校驗結果。?

　　data<<=8; ????????????? //信息字節(jié)左移到高字節(jié)?

　　for(int i=8;i>0;i--)??? {?

　　??? if((data^accum)&0x8000) // 如果(data 異或accum)的最高位是1?

????????????? accum=(accum<<1)^genpoly; //移位與genpoly異或?

??? ??? else??? accum<<=1; //否則僅移位?

??? ??? data<<=1;??? ?????? //將信息字的下一位升格?

??? }?

??? return accum;?? ??????????? //返回用作下一個信息字校驗的累加器值?

}?

1.2 快速CRC實現(xiàn)方式?

　　直接模2除法CRC方式雖編程簡單,但效率不高。采用該方式,要使用16位的多項式及兩字節(jié)的累加器,對每一信息位(bit)累加器都要移位一次,再根據(jù)移位結果判斷是否作異或;每一字節(jié)重復8 次,運算速度相對較慢,不符合計算機按比特進行計算的規(guī)律。但如果采用微機通信中XMODEM協(xié)議所使用的CRC查詢方法,則比直接CRC模2除法方式快4～10倍。查詢方法實施過程:首先用信息字節(jié)與累加器的高字節(jié)進行異或,并將其結果作初始累加器為0的CRC;然后與原累加器的低字節(jié)再作一次異或。第一步只有256個樣式,可以構造一個256個雙字節(jié)的查詢表,一步實現(xiàn)。這樣對每一字節(jié)只要作兩次操作就可完成。以下是具體步驟。?

　　(1)構造查詢表,運行直接模2除法CRC函數(shù)CRC(i，1021，0),用i從0～255代入,將結果按序排列可得到一個256個樣式的雙字節(jié)查詢表。該表只作一次,可以先用C語言在微型機上作好,然后再轉到單片機上,留作以后查詢使用。?

　　(2)取一個雙字節(jié)累加器accum,賦初值0,將信息流的第一個字節(jié)賦給另一雙字節(jié)變量data(accum 和data 都是雙字節(jié)變量,以下步驟也是作雙字節(jié)運算)。?

　　(3)將accum>>8(也即取原累加器accum的高字節(jié))的值與信息字data相異或,所得結果(是一個<256的值)查上述構造好的查詢表,得到一個16位的暫存值。?

　　(4)將accum<<8(即原累加器accum的低字節(jié)左移成高字節(jié),低位補0),與上一步得到的暫存值(16位的值)相異或,結果作為新的累加器值,賦值給accum。?

　　(5)取信息流的下一個字節(jié)賦給data,重復進行第(3)步和第(4)步,直至所有的信息字節(jié)被用完為止,最后累加器的值就是余數(shù)。?

2 擴展?jié)h明碼?

2.1 編碼方法?

　　CRC校驗只能檢錯但不能糾錯。而1949年提出的漢明碼是一種能糾正單個錯誤的線性分組碼。其中,既是線性分組碼同時也是循環(huán)碼的(7,4)碼有兩種。其生成矩陣和校驗矩陣分列如下:?

　　?

　　兩者使用效果等價。 ?

　　漢明碼是糾正單個錯誤的完備碼,所有的接收碼都可對應到一個信息(多一對應),要么是正確信息,要么是發(fā)生單個錯誤的情形。當有兩個錯誤時,會把它當成另一個碼的單個錯誤加以糾正,導致誤碼。?

　　擴展?jié)h明碼在此基礎上引入一個校驗和,即在編碼的時候增加第8位偶校驗位,構成(8,4)線性分組碼,因而可以糾正一位錯誤同時檢出兩位錯誤。事實上,在發(fā)生錯誤時就是這個偶校驗位確定了是錯一位還是錯兩位。若錯一位則可以糾正,錯兩位就只能檢出但不能糾正。?

　　編、譯碼均以擴展?jié)h明碼(8,4)線性分組碼為例。為了方便單片機的運算,實現(xiàn)快速編碼,可采用查詢法。因為信息是一個4位的矢量,記作C,共有16個可能值。為了構成8位發(fā)送碼矢量,可以建立16個一字節(jié)的查詢作為8位的發(fā)送碼。以生成矩陣G₁為例,用信息矢量C乘以生成矩陣G₁再加上一位偶校驗就得到了生成碼(發(fā)送碼)。查詢表為:?

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2.2 譯碼方法?

　　用查詢法對(8,4)碼進行譯碼,需要建造有256個值的查詢表。按照譯碼編寫查詢表。先寫出擴展?jié)h明碼的校驗矩陣,實際上就是將原校驗矩陣H₁擴充,記為?

?????

??? 對于任一8位的接收碼矢量R,進行運算,得到一個4位的伴隨矢量,再按如下步驟比較確定原信息。?

　　(1)如果伴隨式矢量是全0矢量,接收碼是正確的,碼的前(低)4位就是信息。?

　　(2)如果伴隨矢量的最后一位是1,則有一位錯,可糾正。將伴隨矢量與矩陣的每一列相比校,找出相同的那一列,記下列號,再將接收碼與該列號相對應的那一位變號(1變0,0變1),得到的碼就是糾正后的原碼,信息取碼的前(低)4位。?

　　(3)否則,是一位以上的錯碼且不能糾正。?

　　將一個字節(jié)可能出現(xiàn)的所有0～255個可能值都按上面的譯碼步驟做一遍得到查詢表,留作譯碼用。另外譯碼和編碼還可以對整個信息字節(jié)作一字節(jié)的垂直校驗以增強校驗能力。?

　　上述檢驗方式已在江蘇、寧夏、福建等地的實際工作中得到了驗證。CRC校驗雖不具備糾錯功能但有很高的檢錯率,應用面也很廣。其中,直接模2除法CRC方式因編程簡單、占用程序空間少(不用查詢表),適合于數(shù)據(jù)通信量不大且程序及內存空間有限的場合,反之可選用快速CRC方式。在對數(shù)據(jù)完整性要求高的場合,可根據(jù)具體情況考慮使用漢明碼或擴展?jié)h明碼。在某些要求更高的特殊情況下,則可選用更復雜一些的校驗碼,同時通信條件的好壞也是影響校驗方式選用的因素之一。?

參考文獻?

1 顧慰文.糾錯碼及其在計算機中的應用.北京:國防工業(yè)出版社,1980?

2 馬彥恒,尚朝軒.CRC差錯校驗在IBM/PC與8031單片機無線通訊中的應用.電子技術應用,1997;23(7):17～18?

3 Joe Campbel,張國定譯.串行通信C程序指南.北京:清華大學出版社,1995?