通信电源常用通信协议简析及其应用研究.docx
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通信电源常用通信协议简析及其应用研究
通信电源常用通信协议简析及其应用研究
中国移动通信集团广西有限公司南宁分公司网络运营中心曾毓有
摘要：
本文简要介绍了原信产部标准《通信局（站）电源、空调及环境集中监控管理系统第3部分：
前端智能设备通信协议》中规范的智能设备通信协议，并提供了一种利用通信协议进行监控故障定位和监控告警测试的方法。
关键词：
智能设备通信协议故障定位告警测试
1引言
目前，广西移动各交换局通信电源已全部纳入动力环境集中监控系统，动力监控系统的维护除涉及硬件外还涉及了通信协议、动力环境监控系统的软件。
由于涉及了计算机通信方面的内容，动力监控系统的维护给传统动力维护人员带来了较多的困难，甚至一些动力监控系统厂家的维护工程师在处理一些故障时也深感为难。
下面将简要介绍一下通信电源常用的通信协议以及如何利用通信协议来处理智能设备的监控故障。
2通信协议的定义
所谓通信协议是指通信双方的一种约定。
约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。
在监控系统中，监控单元（SU）和智能设备的监控模块（SM）都属于计算机系统，它们之间的通信所遵循的协议称为智能设备通信协议。
通信协议的内容包含硬件和软件两个方面：
硬件包括通信接口的机械、电气特性定义、传输介质、连接和拓扑方式等；软件包括数据内容、格式的定义、通信机制、命令与应答的格式和意义、校验方式等。
在很多情况下，通信协议也用来专指软件部分，而把硬件部分称为通信接口或物理接口。
3通信协议分析举例
3.1原信产部智能设备通信协议
原信产部标准《YDT1363.3-2005通信局（站）电源、空调及环境集中监控管理系统第3部分：
前端智能设备通信协议》应用范围较广，例如艾默生的HIPULS系列开关电源、PSM-A、M500等开关电源使用的协议均是以该协议为基础，加上一些自定义的帧，来达到对通信电源的监控要求。
下面，我们以原信产部的《通信局（站）电源、空调及环境集中监控管理系统第3部分：
前端智能设备通信协议》为例，对通信协议的各项要求进行具体分析。
3.1.1协议的通信接口和数据格式
智能设备通信协议作为一个通用的标准协议，首先对协议的范围、规范性引用文件、术语和定义、监控的对象及内容、通信接口和传输速率、通信方式、信息类型和信息结构、数据格式和编码分类、通用命令进行了规范和说明。
下面简要对通信接口和传输速率、信息类型和信息结构、数据格式进行简要说明。
物理接口采用了常见的RS232、RS485和RS422等异步串行通信接口，信息传输格式为起始位1位、数据位8位、停止位1位，无校验。
目前的通信电源的接口以RS232较为常见。
对于RS232接口的通信速率，则定义了从1.2Kbit/s到19.2Kbit/s等5种不同标准的速率。
鉴于监控系统的分布式结构，通信采用主从式，监控系统的现场采集单元（或采集模块）作为主机，智能设备监控模块为从机；主机呼叫从机并下发命令，从机收到命令后返回应答信息；主机500ms内未接收到从机应答或接收的应答信息有误，则认为本次通信过程失败。
这样的通信机制不论对于主机还是对于从机都是易于实现的。
对于命令和应答信息，该协议规定了一个基本格式，见表1。
表1信息帧的基本格式
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
字节数
1
1
1
1
1
22
LENID/2
2
2
格式
SOI
VER
ADR
CID1
CID2
LENGTH
INFO
CHKSUM
EOI
在这个基本格式种，定义了信息帧的起始符、终止符、校验和码、协议版本号、设备地址、命令和应答的控制标识码、返回码、数据信息长度和数据信息内容等字段。
有一些智能设备的通信协议中没有规定这样一个严谨的帧，而是采用了如“Q”、“Q1”、“T”等简单字符格式的命令，应答也采用无任何校验而仅仅依靠一个起始符和一个终止符定义的一段数据串，这样的协议虽然简单易行，但可靠性很差。
表1基本格式注解
序号
符号
表示意义
备注
1
SOI
起始位标志（STARTOFINFORMATION）
（7EH）
2
VER
通信协议版本号
（21H）
3
ADR
设备地址描述（1～254，0、255保留）
4
CID1
控制标识码（设备类型描述）
5
CID2
命令信息：
控制标识码（数据或动作类型描述）
响应信息：
返回码RTN（返回码见表3）
6
LENGTH
INFO字节长度（包括LENID和LCHKSUM），数据格式见7.3
7
INFO
命令信息：
控制数据信息COMMANDINFO
应答信息：
应答数据信息DATAINFO
8
CHKSUM
校验和码，数据格式见7.3
9
EOI
结束码
CR（0DH）
在7.2基本格式中的各项除SOI和EOI是以（SOI=7EH，EOI=0DH）十六进制传输外，其余各项都是以十六进制—ASCII码的方式传输，每个字节用两个ASCII码表示，即高四位一个ASCII码表示，低四位用一个ASCII码表示。
例：
CID2＝4BH，传送时顺序发送34H和42H两个字节。
3.1.2INFO数据格式
监控协议的INFO数据负责传递主机和从机之间的命令数据信息和应答数据信息，这些数据信息又分为模拟量数据和数字量数据。
3.1.2.1浮点型数据的格式
浮点数格式与IEEE-754标准（32）有关，长度32位。
四个字节的浮点数据传送顺序为先低字节后高字节，即传送顺序为：
先低字节D7~D0，接着D15~D8，然后D23~D16，最后高字节D31~D24，最终作为分成8个ASCII码传送。
浮点数格式如下：
D31
D30~D23
D22~D0
浮点数符号位
阶码
尾数
3.1.2.2整型数（INTEGER，2BYTE）
有符号整型数-32768—+32767
无符号整型数0—+65535
两个字节的整型数据传送顺序为先高字节后低字节。
3.1.2.3无符号字符型（CHAR，1BYTE，0-255）
3.2中达UPS通信协议
除了原信产部颁发的智能设备通信协议以外，其他通信电源厂家也有很多使用厂家自行制定的通信协议，厂家自行制定的通信协议一般都具有易于理解的特点，下面以中达公司的DeltaUPS通讯协议来举例说明。
3.2.1协议的通信接口和数据格式
中达UPS通讯协议的物理接口采用了常见的RS232、异步串行通信接口，信息传输格式为起始位0位、数据位8位、停止位1位，无校验。
通信速率为2400bit/s。
对于命令和应答信息，该协议规定了一个基本格式，如下所示：
帧头
ID
信息类型
信息长度
数据
1byte
2bytes
1byte
3bytes
128bytesmax
3.2.1.1帧头
帧头长度为1字节，以16进制形式传输，以ASCII来解释，即实际传输16进制数“7E”，解释为符号“~”，以此来作为一帧的开头。
3.2.1.2ID
ID的值默认为“00”。
3.2.1.3消息类型
R-命令发送（UPSComputer）
A-命令被接受（UPSComputer）
P-上传数据命令（ComputerUPS）
S-设置参数命令（ComputerUPS）
D-应答数据返回（UPSComputer）
3.2.1.4信息长度
表示一帧中传输的数据长度，单位为字节。
3.2.1.5数据
上位机向下位机发送的命令码主要有：
STA：
告警状态查询
STB：
电池状态查询
STI：
输入状态查询
STO：
输出状态查询
STP：
旁路状态查询
下位机的应答数据中，每个数据以符号“；”作为分隔，当一个数据当前不可用时，将不插入任何数据，直接插入分隔符“；”。
例：
上位机向下位机发送告警状态指令：
“~00P003STA”（“~”为帧头，“00”为ID号，“P”表示消息类型为上传数据命令，“STA”为命令码）
下位机向上位机发出的应答的信息：
“~00D0350;0;0;0;0;0;0;0;0;;0;0;0;0;;0;0;0;0”（其中“~”为帧头，“00”为默认的ID号，“035”为数据长度，后面每个以“；”分隔的“0”或“1”分别表示17个告警状态）
上位机向下位机发送输入状态查询指令：
“~00P003STI”
下位机的响应信息：
“~00D0453;499;3831;0495;;499;3818;0489;;499;3806;0483”（“~”为帧头，“00”为ID号，“D”表示消息类型为“应答数据返回”，“45”为数据长度，后面以“；”分隔的数字分别表示“输入相数”为“3”。
“499;3831;0495;;499;3818;0489;;499;3806;0483”分别表示输入A相频率、A相输入电压、A相输入电流、B相频率、B相输入电压、B相输入电流、C相频率、C相输入电压、C相输入电流，单位为“0.1”）
4通信协议在维护工作中的应用
对通信电源通信协议的了解，可以帮助我们进行通信电源监控故障的处理和进行监控告警的测试。
4.1处理常见的设备监控故障
常见的设备监控故障一般有通讯中断、监控量（包括数字量和模拟量）错误。
如果智能设备厂家提供了用于本地监控的软件，我们可以较为方便地利用软件来判断智能设备本身是否正常、有无误告警等，但由于某些厂家的特殊情况，有时不能提供监控软件，下面就如何利用通讯协议的知识来判断故障进行阐述。
我们可以利用串口调试软件来分别读取现场采集单元或采集设备（主机）和智能设备（从机）接口发出的数据，判断其数据是否正常。
以RS232接口为例，我们可制作专用的串口通讯线，在不影响监控的情况下，进行主机和从机的数据读取。
图1专用串口线接线图
上图中，左右两个串口用于串接在主机和从机之间，起到直通作用，图中下方的2个串口的2脚分别与左右两个串口的2、3脚相连，分别用于接收主机和从机发出的信号。
由于不同的公司可能采用不同厂家的监控系统，不同厂家有不同的监控软、硬件设计方法和维护方法，因此，本文只讨论故障的定位，不涉及监控系统内部的故障分析和处理。
4.1.1通讯中断
通讯中断可能的原因为智能设备通讯模块故障、传输线故障、监控系统采集部分故障或监控系统软件故障。
由于故障点较多，因此一般应采用排除法来进行故障定位。
根据难易度，可先判断智能设备的通讯模块是否有故障。
根据协议可知，监控系统的现场采集单元（采集模块）作为主机，智能设备监控模块为从机；主机呼叫从机并下发命令，从机收到命令后返回应答信息；主机500ms内未接收到从机应答或接收应答信息有误，则认为本次通信过程失败。
可先判断主机是否有发出命令数据，从机是否有发出相应信息，并观察命令是否有规律性，例如每一帧是否有相同的起始位、停止位，命令或相应信息的数量、重复的频率（一般智能设备只有1条到数条命令，主机会轮流发送这几条命令，从机相应地会发出同样数量的响应信息数）。
下面分几种情况来分析。
4.1.1.1主机有正常数据、从机无数据
从机无数据的可能原因有：
智能设备监控模块（含通信模块）故障、传输线故障（或收发接反）。
如在主机侧端口没有收到从机的数据，可以再到从机侧端口再次读取从机的数据，如仍未收到从机的数据，即可判断为智能设备的监控模块（含通信模块）故障。
如在从机侧能收到数据，而主机侧收不到从机的数据，则基本可判断为传输线故障或收发接反，尝试更换传输线，故障一般即可修复。
或者进一步用RS232串口误码测试软件来对这段传输线进行测试，把传输线一侧的收发自环，另一端接到电脑串口上，使用误码测试软件进行测试（由于厂家没有提供误码测试软件，笔者自行开发了误码测试软件，如下图2所示）。
图2RS232误码测试工具截图
4.1.1.2主、从机均无数据
故障原因是监控系统的现场采集单元（或采集模块）故障，没有发出命令，因而从机也没有发出响应信息。
4.1.1.3主机、从机均有数据
若主机、从机均有数据，但通讯仍然中断，则可能是监控系统的内部或硬件故障，或者是监控系统软件、智能设备监控模块的软、硬件故障，需要检查近期有无修改监控系统和智能设备的配置，也有可能是线路误码严重导致通讯故障，可用RS232串口误码测试软件来对这段传输线进行误码测试。
4.1.2监控量错误的故障处理办法
监控量包括数字量和模拟量，数字量一般用来表示告警的有、无，数字量的错误一般就体现为误告警，模拟量错误就体现为设备各种运行参数、设定值的监控错误。
理论上，监控量的错误产生可以是在智能设备通讯模块、传输线路、监控系统内部。
监控量的错误往往时有时无，对于发生频率较低的的错误，由于难以重现，往往很难定位其产生的位置。
对于这类监控量的错误，可采用排除法来定位故障位置。
4.1.2.1智能设备通讯模块故障的排除
智能设备通讯模块故障，可导致发出的数据紊乱，导致监控系统收到的数据错误。
我们可采用替代法来排除智能设备的原因，例如，当怀疑一台智能设备故障导致监控量错误，可用另一台正常的同型号的智能设备
，替换可能故障的设备，通过原通讯线接入监控系统的现场采集单元上，若替换后，监控系统不再出现错误，则故障原因在于智能设备；若替换后，故障依旧，则故障原因不在于智能设备，而在于通讯线路或监控系统本身。
若该机房无相同型号的智能设备，则无法使用硬件替换的办法，针对这种情况，我们可以开发一个智能设备通讯模拟软件来对智能设备的通讯进行仿真，用装有该软件的电脑与现场采集单元（或采集模块）相连，当电脑接收到现场采集单元发出的采集指令时，仿真软件发出与智能设备相同格式的通讯数据，装有仿真软件的电脑就相当于一台通讯正常的智能设备，将其接入监控系统，就可以使用替换法，对故障原因进行定位。
例如，利用“3.2.1协议的通信接口和数据格式”一节中的中达UPS的通讯协议的知识，即可开发出中达UPS的通讯仿真软件，当计算机串口收到现场采集单元发出采集指令时，软件向串口发送相应的响应信息，即可与监控系统的现场采集单元进行通讯。
笔者开发的智能设备通讯模拟器界面如下：
图3.智能通讯模拟器
该通讯模拟器可按照软件界面中设置的各种输入、输出的模拟量、数字量向监控系统的现场采集单元发送数据，模拟量还可按照软件中设定的方式（恒定、正弦变化、随机变化）进行变化，这样在监控系统中看到的模拟量就更为逼真，观察模拟量的变化可确认监控系统收到的数据是不断变化的，说明通讯模拟器与现场采集单元的通讯是正常的。
4.1.2.2通讯线路故障的排除
利用上一节的方法，排除了智能设备的原因后，可继续利用通讯模拟器软件来判断是否是通讯线的原因，将电脑终端直接接到监控采集设备的端口，而不通过通讯线，再继续进行测试，若监控量的错误仍存在，则说明故障和智能设备以及这段通讯线路无关，是监控系统的故障；若故障现象消除，则说明故障原因就在于这段通讯线。
若故障在于监控系统，则应当检查现场采集设备和监控服务器之间的通讯是否良好，是否有丢包、误码的情况出现，由于不同厂家的监控系统故障处理的方法不同，监控系统本身故障的详细处理办法本文中不作详述。
4.2在设备入网和维护中进行监控告警测试
在设备入网验收测试和平时维护工作中，我们经常需要测试动环监控系统的告警系能，通常是在通信电源上实际产生或模拟产生告警，测试在监控系统上是否及时和正确呈现告警。
但是由于设备的原因，一些告警通常无法进行模拟，例如UPS的逆变器故障等。
在了解了设备的通信协议以后，我们可以用串口通信软件，模拟通信电源的通信协议格式向监控系统发送相应的告警信息，即可进行监控告警的测试。
下面以中达UPS的告警测试为例。
用电脑与监控采集板（上位机）连接，开启串口通讯程序，当接收到采集板向UPS发出的“~00P003STA”指令，STA为查询告警的命令码，可通过串口通讯程序向采集板发出应答信息“~00D0350;0;0;0;0;0;0;0;0;;0;0;0;0;;0;0;0;0”，其中“~”为帧头，“00”为默认的ID号，“035”为数据长度，后面每个以“；”分隔的“0”或“1”分别表示17个告警状态。
如果只响应“~00P003STA”指令，而不响应其他指令，就会导致上位机产生“通讯异常”告警。
以南宁移动的中达动力环境监控系统为例，监控采集板向UPS发送的命令码一共有“STA”、“STB”、“STI”、“STO”、“STP”5个，如果通过软件向监控采集板正确发出以上5个命令码的应答信息，监控采集板就不会产生“通讯异常”告警，并能在系统上监控到各遥测量（模拟量）和遥信量（数字量）。
笔者开发的智能设备通讯模拟器软件软件（见图3），还可以在测试软件上设置各模拟量和告警量的值，通过串口和监控采集板连接后，该软件就相当于1台UPS，能自动向监控采集板发送应答信息，在图3中“输出告警模拟”选择框中，点击要模拟的告警名称，由软件自动产生响应信息，
从而实现告警的模拟测试。
笔者目前还在继续开发其他类型、其他品牌动力及空调设备的通讯模拟器，欢迎各位同行共同探讨。
参考文献：
[1]YD/T1363.3-2005《通信局（站）电源、空调及环境集中监控管理系统第3部分：
前端智能设备通信协议》
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