CRC-16/Modbus計算の実装

はじめに

ステッピングモーターをリモートで動作させる際のマスタ側のクエリのメッセージ構成が、

• スレーブアドレス(8ビット)
• ファンクションコード(8ビット)
• データ（N * 8ビット）
• エラーチェック(16ビット)

となっていた。
このエラーチェックにCRC-16方式が採用されていたため、その実装を行なった。

詳細

実際に使用したものは、オリエンタルモーターのAZD-KDドライバ。
モーター構成：オリエンタルモーター

これをリモートでコントロールするために、RS-485通信によるModbus RTU制御を行なった。
このときのクエリのメッセージを作成する際に、エラーチェックのメッセージを作成する必要があった。

環境

Python 3.7.1

アルゴリズム

CRC-16の計算方法を以下に示す。

1. 初期値をFFFFhとし、FFFFhと最初のアドレス(8ビット)の排他的論理和(XOR)を計算
2. 1.の結果を1bit右シフト。これを桁あふれが1になるまで繰り返す
3. 2.の結果とA001hのXORを計算
4. シフトが8回になるまで2.と3.を繰り返す
5. 4.の結果と次のアドレス(8ビット)のXORを計算。すべてのバイトに対して2.から4.を繰り返す。最後の計算結果がCRC-16の計算結果となる。

排他的論理和(XOR)

入力A	入力B	出力
偽	偽	偽
偽	真	真
真	偽	真
真	真	偽
異なる入力だと真、同じ入力なら偽。

複数桁は桁ごとに各々で計算する。

   0101 0101 0101
^) 0010 0101 1010
------------------
   0111 0000 1111

実装

Pythonで実装。CRC-16の計算のみ示す。

フローチャート

data_byteを更新に対してYES/NOなのは目をつむってください（更新できる→YES、更新できない→NO）。

クエリ

メッセージは、リモートI/Oへのアクセスのため以下のようになった。

構成	値	内容
スレーブアドレス	01h	スレーブアドレス1（設定）
ファンクションコード	03h	保持レジスタからの読み出し
データ（レジスタアドレス（上位））	00h	読み出す起点となるレジスタアドレス（上位）
データ（レジスタアドレス（下位））	7Fh	読み出す起点となるレジスタアドレス（下位）
データ（レジスタ数（上位） ）	00h	起点のレジスタアドレスから読み出すレジスタの数（上位）
データ（レジスタ数（下位） ）	01h	起点のレジスタアドレスから読み出すレジスタの数（下位）
エラーチェック（下位）	-	ここを求める。
エラーチェック（上位）	-	ここを求める。

コード

crc16.py

# -*- coding: utf-8 -*-

# エラーチェック以外のクエリ
command = b"\x01\x03\x00\x7f\x00\x01"

# 最初のCRCレジスタ値をFFFFhに設定
crc_register = 0xFFFF
for data_byte in command:
    # CRCレジスタとデータバイトのXOR
    tmp = crc_register ^ data_byte
    # シフト回数を記憶
    shift_num = 0
    # シフトが 8回になるまで繰り返す
    while(shift_num < 8):
        if(tmp&1 == 1): # 桁あふれが1なら
            tmp = tmp >> 1
            shift_num += 1
            tmp = 0xA001 ^ tmp
        else:
            tmp = tmp >> 1
            shift_num += 1
    # 計算結果をcrc_registerにセット
    crc_register = tmp
# 計算結果をbytes型へ変換
crc = crc_register.to_bytes(2, 'big')

# 結果を表示
print(crc)

実際は、右シフトする前にtmpの1桁めの値を確認するために、tmp%2 tmp&1で0か1かを確認した後に右シフト処理を行なっています。
もっと良いやり方があればご教授願います。

結果

実行

$ python crc16.py

結果

$ b'\xd2\xb5'

これから、以下のような結果を得ることができました（順番に注意：下位→上位の順）。

構成	値	内容
エラーチェック（下位）	B5h	CRC-16の計算結果（下位）
エラーチェック（上位）	D2h	CRC-16の計算結果（上位）

よってb'\x01\x03\x00\x7f\x00\x01\xb5\xd2'というクエリを送信し、スレーブからのレスポンスを読むことでステッピングモーターのリモートI/Oを読むことができました。