CN108599896A - 一种基于冗余编码系统的crc校验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于冗余编码系统的CRC校验系统及方法，用于通信双方传输CRC消息时的数据校验，所述的校验系统包括配置数据准备模块、签名数据补偿值计算模块、编码模块和解码模块，所述的配置数据准备模块、签名数据补偿值计算模块均分别连接编码模块和解码模块，所述的编码模块连接解码模块；所述的配置数据准备模块用于离线准备好在线计算时所需要使用的数据，所述的签名数据补偿值计算模块提供每个变量的签名补偿值计算表，用于在CRC计算时抵消低位冗余码信息。与现有技术相比，本发明具有安全性高、故障可检测率高等优点。

Description

一种基于冗余编码系统的CRC校验系统及方法

技术领域

本发明涉及列车运行通信领域，尤其是涉及一种基于冗余编码系统的CRC校验系统及方法。

背景技术

列车自动控制系统ATC(ATC-Automatic Train Control)由列车自动保护系统ATP(Automatic Train Protection)、列车自动监控系统ATS(Automatic Train Supervision)和列车自动运行系统ATO(Automatic Train Operation)组成，对列车运行速度、运行间隔和运行方向等进行控制，保证列车能够安全、高效运行。这些系统大多在设计时需要采用安全冗余编码技术来提高系统的安全性，使系统达到SIL4等级(Safety Integrity Level)。

冗余编码技术虽然形式多样，但是编码形式、安全原理都大致相同，每个变量都是由高位与低位组成，高位为数据的信息位，低位为数据的校验位，其中低位是由高位、签名、时间戳等信息通过预定义的公式计算而出，因此每个变量的高低位之间存在确定的对应关系。系统在运行的每个周期都会对关键变量的高位、低位正确性进行校验，用于判断是否存在内存错误、随机性失效等故障。

循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)是通信领域常用的一种校验码，用于检测数据在传输过程中是否发生了被篡改的错误。一般的方法是通信双方定义好计算多项式和CRC的计算方法(包括宽度，起始值，结果异或值，输入输出数据反转等)，发送方在对数据计算后将得出的CRC值附在消息帧后面一起发送，接收方收到后对数据进行同样的计算，并将结果与原始的CRC进行比较，来校验数据的正确性与完整性。

CRC校验的基本原理是：CRC校验码可由一个常数去除该数据流的二进制数值而得，商数被放弃，余数作为CRC校验码追加到数据流尾，产生新的数据流进行发送。在接收端，新的数据流被同一常数去除，检查余数是否为一个常数(通常为0)。如果余数为一个常数，就认为传输正确，否则就认为传输中已发生差错。

当列车控制系统需要与其它冗余编码或非冗余编码系统通信时，需要采用CRC来保证传输数据的完整性，且只传输高位数据，低位冗余码不参与传输。要求当系统无故障时计算出的编码CRC与标准CRC结果完全一致；当系统存在故障时，计算出的编码CRC需要包含故障信息能被外界检测出。如果仅对高位进行CRC计算，那么会导致反映在低位数据中的随机性失效或故障外界无法检测。收到外界消息时，如果只是根据高位数据直接计算出低位冗余码，那么会导致CRC的错误不体现在低位冗余码中而无法被当前系统检测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于冗余编码系统的CRC校验系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于冗余编码系统的CRC校验系统，用于通信双方传输CRC消息时的数据校验，其特征在于，所述的校验系统包括配置数据准备模块、签名数据补偿值计算模块、编码模块和解码模块，所述的配置数据准备模块、签名数据补偿值计算模块均分别连接编码模块和解码模块，所述的编码模块连接解码模块；

所述的配置数据准备模块用于离线准备好在线计算时所需要使用的数据，所述的签名数据补偿值计算模块提供每个变量的签名补偿值计算表，用于在CRC计算时抵消低位冗余码信息。

优选地，所述的通信双方都为冗余编码系统或任一方为冗余编码系统。

优选地，所述的传输CRC消息时的数据仅为消息中所有变量的高位数据，低位冗余码不用于网络传输。

优选地，所述数据携带的CRC为发送方计算出来的编码CRC，所述的接收方需要根据该CRC对数据进行校验。

优选地，所述的配置数据准备模块准备的数据包括：消息结构、变量个数、每个变量的长度、每个变量对应的原始签名Sig_nature、临时接收签名TempSig_rcv、每个变量的字节长度、以及CRC的计算表。

优选地，所述的临时接收签名TempSig_rcv跟原始签名保持常量差Constant_1。

一种采用所述的基于冗余编码系统的CRC校验系统的方法，包括以下步骤：

步骤1.配置数据准备，准备的数据中包括：消息结构、变量个数、每个变量的长度、每个变量对应的原始签名Sig_nature、临时接收签名TempSig_rcv、每个变量的字节长度、以及CRC的计算表，其中临时接收签名TempSig_rcv跟原始签名保持常量差Constant_1；

步骤2.计算签名数据的补偿值表，由于在计算CRC时需要同时进行低位冗余码的计算，需要根据具体CRC的多项式和计算方法，计算每个变量的签名补偿值表，用于在CRC计算时抵消低位冗余码信息；

步骤3.对待发送的消息进行编码，由于冗余码无法直接转换为CRC，计算CRC的过程会同时对每个变量的高位、低位进行校验，如果发现故障，则将该错误信息融于CRC结果，外部检测出该故障信息；

步骤4.对接收到的消息进行解码，在解码时，先对消息进行临时编码，将临时编码CRC与接收CRC的进行比较，并将校验结果结合到最终冗余码的计算过程，如果数据在传输过程或解码过程发生故障，那么将导致校验结果异常，生成冗余码包含错误信息，该错误会被系统检测出。

优选地，所述的计算每个变量的签名补偿值表具体为：

对每个变量的签名按字节进行CRC计算。

优选地，所述的步骤3的编码流程具体包括以下步骤：

步骤3.1.从配置信息获取当前变量的长度；

步骤3.2.根据查表法依次计算当前变量的每个字节的CRC值；

步骤3.3.查找签名补偿值表，计算当前变量该字节签名对应的补偿值；

步骤3.4.根据当前变量的长度判断当前变量CRC计算是否结束，如未结束则返回步骤3.2；如结束则跟据当前变量的整体签名补偿值、Sig_nature、高位数据、低位冗余码、时间戳TimeStamp进行校验，当数据正确时校验结果应为0；如果校验结果非0，则表示存在故障；将每个变量的校验结果信息与编码CRC值进行异或运算；

步骤3.5.判断当前消息所有变量是否都已计算结束，如未结束返回步骤3.1；如已结束则返回编码CRC值作为最终结果。

优选地，所述的步骤4的解码流程具体包括以下步骤：

步骤4.1.根据配置信息中的TempSig_rcv和收到消息中的高位数据计算出每个变量的临时冗余码Temp_Redcode，且不包含TimeStamp信息；

步骤4.2.根据Temp_Redcode对收到的消息进行临时编码，编码的步骤同步骤3，得到临时编码CRC；

步骤4.3.将步骤4.2的临时编码CRC与接收CRC进行校验比较，并去除步骤1中的常量差Constant_1，如果两者相等，则校验通过，校验结果为0；如果两者不等，则校验不通过，校验结果非0；

步骤4.4.如果步骤4.3校验通过，修改步骤4.1中每个变量的Temp_Redcode，加上校验结果和TimeStamp，作为最终冗余码结果输出；

步骤4.5.如果步骤4.3校验不通过，返回错误，不输出冗余码；如果发生随机性失效，错误地输出了冗余码，则该冗余码同步骤4.4会包含错误信息，当前系统会检测出故障。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、对待发送消息进行编码，通过将冗余码校验信息融合到CRC计算过程中，在无故障的情况下得出的编码CRC与标准CRC完全一致，保证了正常的通信功能；在系统发生故障的情况下能够将错误信息反馈到编码CRC中，外界冗余/非冗余系统可校验出故障信息，提高了系统的安全性和故障可检测率。

2、收到外界消息，可根据CRC和高位数据对该消息进行解码校验，校验结果加入最终生成的低位冗余码，既提高了与外界系统的通信兼容性，同时也不降低系统的安全性，并且有效保证了传输过程中任何故障可以被编码系统及时检测出。

附图说明

图1为本发明的结构功能模块图；

图2为本发明的传输消息结构图；

图3为本发明的编码处理流程图；

图4为本发明的解码处理流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一模块实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图2所示，一种基于冗余编码系统的CRC校验系统，用于传输CRC消息时的数据校验，所述的通信双方可以都为冗余编码系统，或任一方为冗余编码系统。所述的传输数据仅为消息中所有变量的高位数据，低位冗余码不用于网络传输，所述数据携带的CRC为发送方计算出来的编码CRC，所述的接收方需要根据该CRC对数据进行校验。

如图1所示，所述的校验系统包括配置数据准备模块、签名数据补偿值计算模块、编码模块和解码模块。所述的配置数据准备模块用于离线准备好在线计算时所需要使用的数据，所述的签名数据补偿值计算模块提供每个变量的签名补偿值计算表，用于在CRC计算时抵消低位冗余码信息。所述的配置数据准备模块、签名数据补偿值计算模块都分别连接编码模块和解码模块。

所述的配置数据准备模块准备的数据包括：消息结构，变量个数，每个变量的长度，每个变量对应的原始签名Sig_nature，临时接收签名TempSig_rcv(跟原始签名保持常量差Constant_1)，每个变量的字节长度，CRC的计算表等。

一种基于冗余编码系统的CRC校验的方法，包括以下步骤：

步骤1.配置数据准备。准备的数据中包括：消息中变量个数，每个变量对应的原始签名Sig_nature，临时接收签名TempSig_rcv(跟Sig_nature保持常量差Constant_1)，每个变量的字节长度；查表法计算的CRC表。

步骤2.计算签名数据的补偿值表。由于在计算CRC时需要同时进行低位冗余码的计算，这里需要根据具体CRC的多项式和计算方法，计算每个变量的签名补偿值表，用于在CRC计算时抵消低位冗余码信息。

步骤3.对待发送的消息进行编码。由于冗余码无法直接转换为CRC，本发明在编码时，即计算CRC的过程，会同时对每个变量的高位、低位进行校验，如果发现故障，则将该错误信息融于CRC结果，外部可以检测出该故障信息。

步骤4.对接收到的消息进行解码。本发明在解码时，先对消息进行临时编码，将临时编码CRC与接收CRC的进行比较，并将校验结果结合到最终冗余码的计算过程。如果数据在传输过程或解码过程发生故障，那么将导致校验结果异常，生成冗余码包含错误信息，该错误会被系统检测出。

消息的编码流程如图3所示，具体步骤如下：

1、准备待发送消息的高位和低位数据；

2、根据配置数据获取当前变量的长度；

3、查表法计算当前变量当前字节的CRC值；

4、查找签名补偿值表，得到当前变量当前字节对应的签名补偿值，并累加到当前变量总补偿值；

5、判断当前变量是否所有字节都已计算结束，如未结束则执行3；如结束则执行6；

6、跟据当前变量总补偿值、Sig_nature、高位数据、低位冗余码、TimeStamp进行校验，当冗余编码数据正确时校验结果应为0；如果校验结果非0，则表示存在故障。将每个变量的校验结果信息异或到编码CRC值。

7、判断当前消息是否所有变量已计算结束，如未结束执行2；如已结束则返回编码CRC值作为最终结果。

消息的解码流程如图4所示，具体步骤如下：

1、接收到待解码消息和接收CRC；

2、根据TempSig_rcv为接收消息中的每个变量计算Temp_Redcode，该冗余码为临时编码，不包含TimeStamp；

3、调用编码模块，对步骤2中的Temp_Redcode进行临时编码，计算临时编码CRC；

4、校验接收CRC与临时CRC，修正步骤2中TempSig_rcv的常量差Constant_1。

5、如步骤4比较结果为0，则校验通过，修改步骤2中每个变量的Temp_Redcode，加上校验结果和TimeStamp，作为最终冗余码结果输出。

6、如步骤4比较结果不为0，则校验不通过，不输出冗余码。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于冗余编码系统的CRC校验系统，用于通信双方传输CRC消息时的数据校验，其特征在于，所述的校验系统包括配置数据准备模块、签名数据补偿值计算模块、编码模块和解码模块，所述的配置数据准备模块、签名数据补偿值计算模块均分别连接编码模块和解码模块，所述的编码模块连接解码模块；

所述的配置数据准备模块用于离线准备好在线计算时所需要使用的数据，所述的签名数据补偿值计算模块提供每个变量的签名补偿值计算表，用于在CRC计算时抵消低位冗余码信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于冗余编码系统的CRC校验系统，其特征在于，所述的通信双方都为冗余编码系统或任一方为冗余编码系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于冗余编码系统的CRC校验系统，其特征在于，所述的传输CRC消息时的数据仅为消息中所有变量的高位数据，低位冗余码不用于网络传输。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于冗余编码系统的CRC校验系统，其特征在于，所述数据携带的CRC为发送方计算出来的编码CRC，所述的接收方需要根据该CRC对数据进行校验。

5.根据权利要求1所述的一种基于冗余编码系统的CRC校验系统，其特征在于，所述的配置数据准备模块准备的数据包括：消息结构、变量个数、每个变量的长度、每个变量对应的原始签名Sig_nature、临时接收签名TempSig_rcv、每个变量的字节长度、以及CRC的计算表。

6.根据权利要求5所述的一种基于冗余编码系统的CRC校验系统，其特征在于，所述的临时接收签名TempSig_rcv跟原始签名保持常量差Constant_1。

7.一种采用权利要求1所述的基于冗余编码系统的CRC校验系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.配置数据准备，准备的数据中包括：消息结构、变量个数、每个变量的长度、每个变量对应的原始签名Sig_nature、临时接收签名TempSig_rcv、每个变量的字节长度、以及CRC的计算表，其中临时接收签名TempSig_rcv跟原始签名保持常量差Constant_1；

步骤2.计算签名数据的补偿值表，由于在计算CRC时需要同时进行低位冗余码的计算，需要根据具体CRC的多项式和计算方法，计算每个变量的签名补偿值表，用于在CRC计算时抵消低位冗余码信息；

步骤3.对待发送的消息进行编码，由于冗余码无法直接转换为CRC，计算CRC的过程会同时对每个变量的高位、低位进行校验，如果发现故障，则将该错误信息融于CRC结果，外部检测出该故障信息；

步骤4.对接收到的消息进行解码，在解码时，先对消息进行临时编码，将临时编码CRC与接收CRC的进行比较，并将校验结果结合到最终冗余码的计算过程，如果数据在传输过程或解码过程发生故障，那么将导致校验结果异常，生成冗余码包含错误信息，该错误会被系统检测出。

8.根据权利要求7所述的一种采用基于冗余编码系统的CRC校验系统的方法，其特征在于，所述的计算每个变量的签名补偿值表具体为：

对每个变量的签名按字节进行CRC计算。

9.根据权利要求7所述的一种采用基于冗余编码系统的CRC校验系统的方法，其特征在于，所述的步骤3的编码流程具体包括以下步骤：

步骤3.1.从配置信息获取当前变量的长度；

步骤3.2.根据查表法依次计算当前变量的每个字节的CRC值；

步骤3.3.查找签名补偿值表，计算当前变量该字节签名对应的补偿值；

步骤3.4.根据当前变量的长度判断当前变量CRC计算是否结束，如未结束则返回步骤3.2；如结束则跟据当前变量的整体签名补偿值、Sig_nature、高位数据、低位冗余码、时间戳TimeStamp进行校验，当数据正确时校验结果应为0；如果校验结果非0，则表示存在故障；将每个变量的校验结果信息与编码CRC值进行异或运算；

步骤3.5.判断当前消息所有变量是否都已计算结束，如未结束返回步骤3.1；如已结束则返回编码CRC值作为最终结果。

10.根据权利要求7所述的一种采用基于冗余编码系统的CRC校验系统的方法，其特征在于，所述的步骤4的解码流程具体包括以下步骤：

步骤4.1.根据配置信息中的TempSig_rcv和收到消息中的高位数据计算出每个变量的临时冗余码Temp_Redcode，且不包含TimeStamp信息；

步骤4.2.根据Temp_Redcode对收到的消息进行临时编码，编码的步骤同步骤3，得到临时编码CRC；

步骤4.3.将步骤4.2的临时编码CRC与接收CRC进行校验比较，并去除步骤1中的常量差Constant_1，如果两者相等，则校验通过，校验结果为0；如果两者不等，则校验不通过，校验结果非0；

步骤4.4.如果步骤4.3校验通过，修改步骤4.1中每个变量的Temp_Redcode，加上校验结果和TimeStamp，作为最终冗余码结果输出；

步骤4.5.如果步骤4.3校验不通过，返回错误，不输出冗余码；如果发生随机性失效，错误地输出了冗余码，则该冗余码同步骤4.4会包含错误信息，当前系统会检测出故障。