（物理电子学专业论文）智能设备协议转换器研究.pdf

摘要 智能接口技术是目前人工智能研究的三个热点之一，既具有巨大的 应用价值，又有基础的理论意义。智能设备本身具有数据采集能力并提 供标准通信接口，可以直接接入监控系统，依据生产厂家提供的协议来 实现遥测、遥信和遥控的三遥功能。但是由于以往大型监控系统中，智 能设备种类繁多，不同智能设备通信协议差别大，限制了监控系统的灵 活性和通用性。为解决这一现状，本文开发了一种智能设备协议转换器。 智能设备协议转换器的作用在于将各种设备的不同协议转换为某 一种标准通信协议，便于监控中心与智能设备进行通信。在前人研究的 基础上，本文在以下几个方面对智能设备协议转换器进行了研究与实 践。 第一个方面是理论研究。主要做了以下几个方面的工作：首先，对 串行通信原理，串行通信的物理层协议和智能设备的通信协议进行研 究。其次，针对艾苏威尔( i s o v e l ) 空调提出智能设备通信协议转换的 难点，完成智能设备协议转换器的通信协议的设计。 第二个方面，本文设计了一个智能设备协议转换器。具体完成智能 设备协议转换器的设计方案论证、电路原理图设计、p c b 设计，针对 i s o v e l 空调进行底层软件开发、上层通信软件开发以及硬件电路板和 软件的调试工作。 本文的最后对论文进行了总结，并且展望了以后的工作。 关键词：监控系统智能设备协议转换串行通信 a b s t r a c t i n t e l l i g e n ti n t e r f a c et e c h n o l o g yi so n eo ft h et h r e ef o e a lp o i n t si n p r e s e n ta r t i f i c i a li n t e l l i g e n c el e s e a r c h i n gd o m a i n , i t h a sn o to n l yt r e m e n d o u s a p p l i c a t i o nv a l u e ，b u t a l s ob a s i ct h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c e i n t e l l i g e n t e q u i p m e n t h a st h e a b i l i t y o fd a t a a c q u i s i t i o n a n do f f e rs t a n d a r d c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew h i c hc a nb ec o n n e c t e dw i t hs u p e r v i s i o ns y s t e m d t r o c t l y t e a l i z et e l e m e t e r , t e l e c o m m u n i c a t i o na n dr e m o t ec o n t r o lf u n c t i o n s a c c o r d i n gt ot h ep r o t o c o lp r o v i d e db ys u p p l i e r h o w l e r , i nt h ep r e v i o u s l a r g e s c a l es u p e r v i s i o ns y s t e m s t h e r ea r es u c hp r o b l e m st h a tt h ei n t e l l i g e n t e q u i p m e n t sa r ev a r i o u s a n dt h ep r o t o c o l sa r ed i f f e r e n ti nd i s s i m i l a r i n t e l l i g e n te q u i p m e n t s t h e p r o b l e m sl i m i tt h ef l e x i b i l i t y a n dt h e c o m p a t i b i l i t yo ft h es u p e r v i s i o ns y s t e m s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，a p r o t o c o lc o n v e r s i o nm a c h i n eo fi n t e l l i g e n te q u i p m e n t ( p c m ) i ss t u d i e da n d d e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h ef u n c t i o no fp c mi sc o n v e r t i n gd i f i e r e n tp r o t o c o lo fd i s s i m i l a r e a u i p m e n ti n t oc e r t a i ns t a n d a r dp r o t o c 0 1 i tf a c i l i t a t e st h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm o n i t o rc e n t r ea n dt h e s ee q u i p m e n t s 0 nt h eb a s i so fr e c e n t l x ：s e a r c h t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so nf o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t st od os o m e r e s e a r c ho np r o t o c o lc o n v e r s i o nm a c h i n eo f i n t e l l i g e n te q u i p m e n t f i r m l gi ti st h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h e r ea r es e v e r a lt c p i c sh a v eb e e n m e n t i o n e di nt h i sp a r t f i r s t l y , t h i si t e r nd e e p l yr e s e a r c hi ns e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o nt h c o r y , t h ep h y s i c a ll e v e lp r o t o c o lo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n a n dt h ep r o t o c o lo fi n t e l l i g e n te q u i p m e n t s e c o n d l y ，a i m i n ga ti s o v e l a i r e o n d i t i o n i n g t h ed i f f i c u i t yo fp r o t o c o lc o n v e r s i o ni sp u tf o r w a r d a n dt h e d e s i g no ft h ep r o t o c o lf o rt h ep r o t o c o lc o n v e r s i o nm a c h i n eo fi n t e l l i g e n t e q u i p m e n t i sc o m p l e t e d s e c o n d l y , o n ed e s i g no fp r o t o c o lc o n v e r s i o nm a c h i n ei sd e s c r i b e di n t h et h e s i s u g hc a r e f u la n a l y s i sa n dc o m p a r e , t h ed e s i g ns c h e m eo ft h e d i f f e r e n tp a r t si np c mi s d e m o n s t r a t e d t h e r e a r e r , a i l i l i n ga t i s o v e l a i r c o n d i t i o n i n g , t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e dc i r c u i td i a g r a n ld e s i g n , p c b d e s i g n , b o t t o ms o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，t o pc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e d e v e l o p m e n t ，d e b u go f h a r d w a r ec k c u i tb o a r da n ds o f t w a r e a tt h ee n do f t h et h e s i s ，as u r f l m a r yi sg i v e na n dt h ep r o s p e c t so ff u t u r e w o r ki sm e n t i o n e d k e y w o r d ：s u p e r v isio ns y s t d in t ei iig e n te q u ip m e n t p r o t o o o i c o n v e r s i o ns e r i a io o l l l l n u n i o a t i o n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，智能设备协议转换器研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者签名：鳢坦年上月兰日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：亟墨塑俎年业月三日 指导导师签名；i 垫兰：l f 奎2 ：! 翌年坐月乏日 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 产生背景 随着国家社会、经济的飞速发展，对远程监控系统的要求骤然增加， 因此，远程环境监控系统在很多行业和领域都得到广泛应用，包括供水、 供电、供气、供热、石油、铁路、环保、矿山、交通、工厂等领域。这 些领域中大多设备投资高、对运行环境要求严格。并且由于恶劣的环境 可能对这些设备造成巨大的损害，因此必须实时监控这些要害部门的环 境参数。然而目前对这些要害部门的安全、环境的监测监控主要是依靠 人工值守，缺乏先进的监控手段，各级主管部门难以及时了解设备的运 行情况、环境参数等。并且一旦值班人员疏忽，极易造成事故，正常秩 序中断、系统瘫痪、设备损坏，甚至火灾、水淹、盗警等重大灾害，造 成重大经济损失、甚至是不良的社会影响。 远程监控系统主要是对机房或机站等部门的电源、空调、蓄电池组、 高低压配电等多种设备的运行参数及物理环境参量( 如：温度、湿度、火 警、盗警等) 进行遥测和遥控，实时监测其运行参数、诊断和处理故障、 记录和分析各种数据，从而实现机房或机站少人或无人值守，并由对设 备进行集中监控和集中维护的计算机系统控制。我国科技和经济的飞速 发展，对各部门的维护管理提出了更高的要求，传统方式的分散维护和 监控方式浪费人力物力，可靠性差，机房或机站设备的高质量管理和维 护人员的素质、数量之间的矛盾日益突出，因此“远程数据采集与环境 监控管理系统”( 本文以下简称监控系统) 便应运而生“1 。 随着微电子技术和通信技术的发展，智能设备远程检测和远程控制 得到了广泛应用，例如： ( 1 ) 大型设备的故障远程诊断，典型的如席梦思床垫衍缝机远程故 障诊断系统； ( 2 ) 无人职守设备的状态远程监测，典型的如移动通信基站电源的 电压、电流及环境温度等参数的远程监测系统； ( 3 ) 远程控制，如工业废水的集污及排污控制系统； ( 4 ) 远程智能家电，如具有远程控制能力的空调，可以通过电话或 因特网远程控制空调的开启与关闭、设定温度等。 远程监控系统通常采用上下位拓扑结构实现监控功能，对智能设备 的监控关键在于采集前置机与智能设备问如何实现有效通信。对于智能 化设备进行组网监控，采用协议转换器，使各种不同协议的设备在经过 协议转换器后得到统一的数据通信格式。协议转换器与智能设备采取一 对一的方式，具有较大的灵活性，本课题所研究的智能设备协议转换器 专门针对智能设备的远程监控进行通信接口和通信协议的转换。 1 1 2 监控系统的总体结构 从管理结构上看，监控系统采用两级结构：监控主机( 也称为监控中 心) 、交换局或基站监控单元。 监控中心( s c s u p e r v i s i o nc e n t e r ) ，一般设在一个本地网的网管 中心并受网管中心管理。 监控单元( s u - s u p e r v i s i o nu n i t ) ，一般是一台完成数据采集功能 的台式计算机( 又名前置机或监控主机) ，位于监控端局，负责对各端局 内的各个监控模块进行管理。 监控模块( s m s u p e r v i s i o nm o d u l e ) ，它可以是远程数据采集与环 境监控管理系统中安装的采集器，也可以是该系统要监控的智能设备。 l -： i ： 图1 1 监控系统总体结构 监控中心负责整个监控网络内所有的交换局或基站的智能设备和 机房环境等的监控和管理。监控单元只负责对某一具体移动交换局或基 站内的智能设备和机房环境设备进行数据采集和控制。监控中心与监控 单元之间通过数据通信网( d c n d a t ac o m m u n i c a t i o nn e t ，一般有w a n 、 d d n 、拨号电话线、专线、x 2 5 、帧中继等) 交换监控信息。通过监控单 元，监控中心可获取所有交换局或基站的智能设备和机房环境的运行数 据，并可对监控单元所属设备进行遥控、遥调。监控中心的另一任务就 是对这些数据进行归纳总结，以获取所有被监控设备的宏观运行数据， 并运行分析，为维护、管理及决策提供依据，并可通过接口向省监控中 心传送相应监控信息乜1 。 1 1 3 监控系统的基本组成 监控系统从逻辑上可划分为采集子系统、传输子系统和软件子系统 三部分啪。 2 1 采集子系统 监控单元和监控模块一起构成采集子系统。本文所述监控系统的监 控单元由前置机承担，他是数据采集、处理和分发的中心，包括监控命 令的上承下达、监控数据( 告警数据、实时监测数据等) 的分析、处理等。 监控模块包括采集器和智能设备，主要承担数据的采集、预处理与上位 机( 即前置机) 通信的任务，同时具备接受控制命令并按照控制命令实施 控制操作的能力。 本文设计的智能设备协议转换器是监控系统中采集子系统的重要 组成部分，这一点在下一小节将着重介绍。 2 传输子系统 监控系统计算机按广域网进行连接。常采用的传输资源有：公共电 话网( p s t n ) 、数字数据网( d d n ) 、数字公务信道或其他透明通信串口等。 监控系统以采集前置机为界线，前置机以下为计算机间的直接通信，或 专用总线方式通信；以上部分是基于t c p i p 协议的广域网。 3 软件子系统 软件系统包括系统软件和应用软件。系统软件主要指支撑应用软件 运行的平台环境，主要有操作系统、数据库管理系统。应用软件包括前 置机软件、配置软件、数据管理软件、系统调测软件以及智能设备协议 转换软件等。 1 1 4 采集子系统结构分析 1 监控对象 ( 1 ) 被监控信号 被监控信号有非电量信号和电量信号。对于非电量信号( 例如：温 度、湿度等) ，应通过传感器把非电量信号变成电量信号后接入数据采 集设备；对于各类不能直接测量的电量信号( 例如电流、电压) 则通过变 送器将其变换成适合采集器采集的输入信号后再接入数据采集设备。 电量信号有模拟量，也有数字量。模拟量是指那些随时间连续变换 的量，需采用模数( a d ) 转换设备转换为数字量后才适合计算机采集； 数字量是指具有确定的几种状态的量，最典型的是仅有“0 ”和“1 ”两 种状态的开关量，这样的量计算机一般可直接测量。 ( 2 ) 被监控设备 被监控设备按本身的特性可分为智能设备和非智能设备。 智能设备多种多样，在通信企业使用越来越多，如智能空调、智能 油机、智能u p s 、智能电度表、智能高频开关电源、智能风机等都是智 能设备“1 。智能设备的基本特征是： 本身能采集信号，例如采集工作电压、电源、熔丝状态等； 能对信号进行处理，例如可根据信号产生告警信息、智能开关电源 测得电池电压下降到一定值后自动断开非重要电路等； 具有智能接口，一般都是串行接口，能与计算机直接通信。 根据智能设备的协议，就可以开发出设备的驱动程序，因此，如果 在监控系统中接入某种智能设备，一定需要智能设备的厂家提供完整的 协议文本。 非智能设备，本身不具备数据采集和处理能力，无智能接口。因此， 对于非智能设备，必须经过专门的信号采集器使其智能化再接入监控系 统。 2 处理设备 ( 1 ) 采集器 监控系统经过多年的发展，采集器也由通用采集器p m c 一2 和p m c 一3 、 电池测量仪b i d s 一1 、基站采集器b m c p e c 等发展到一体化采集器i d a ， 种类繁多，需根据具体的应用场合选择。 ( 2 ) 智能设备的协议转换器 智能设备的接入是监控系统中非常重要的方面，不同智能设备的接 口方式、通信协议各不相同，他们往往不能接在同一串行总线上，协议 转换器的设计就是为了解决这一难题而设计的。 协议转换器一般位于智能设备和采集前置机之间，它要与智能设备 和采集前置机两者连接，其通信接e l 要与两者相匹配。即通信协议转换 器至少要有两个通信接口，一个与智能设备的接口相同，另一个与局站 中心监控主机的接口相同。本文所要研究的正是应用于监控各类智能设 备的协议转换器。 1 2 智能设备协议转换器概述 1 2 1 智能设备协议转换器的基本概念 智能设备指的是具有独立的c p u 和监控电路，具有一定的自我监控 能力，并能够通过通信口输入输出监控命令和运行数据的设备。智能 设备可以无需采集器而直接接入监控系统，主要依据的是智能设备通信 协议嘲。 通信协议是指计算机通信的发送方和接收方共同遵守的一系列约 定，任何可以进行计算机远程监控的设备其自身的通信约定，都可以叫 做通信协议。通信协议不但包括设备的各种数据和状态信息，亦含有厂 家为对其产品进行保护等而在协议上所附加的信息。对于智能设备，即 使同一种类的设备，不同厂家的协议也各不相同，加上各种设备供货的 厂家繁多，协议种类也就更多，在监控系统的实施过程中，只有设计出 通用的协议转换器才能方便的对各种智能设备进行监控捌。 在通用的现场监控系统中，一般以p c 机作为主控机，而由多个单 片机构成现场监控系统，单片机组成的各个节点采集终端智能设备的状 4 态信息，主控机轮询各个节点获得这些信息，并根据其内容进行相关操 作”1 。然而不同的厂商生产的智能设备千差万别，其通信协议和数据格 式各不相同，这就给同一监控系统对多种智能设备的监控带来困难。为 了在同一监控场合实现对不同设备的监控并在上位机上实现对这些设 备的操控，需要设计智能设备协议转换器，统一上层的编程接口，简化 工程设计和施工的难度，并能在一定程度上完善和加强原设备的智能 性。 图1 2 协议转换器的使用 在设计实际监控系统时，协议转换器( p c m ) 放置在智能设备和采 集前置机之间。实际应用中，p c m 与采集前置机( p c 机) 遵守通信电 源设备、机房空调等设备的通信协议，p c m 与智能设备的通信采用厂 家提供的协议。p c m 在实际应用中的作用表现为：p c m 将读取智能设备 的数据并整理成电总协议要求的格式，在采集前置机取数据的时候发给 采集前置机。如果采集前置机发送设置命令，那么i ： c m 将此命令代码按 智能设备协议的格式发送给智能设备。由此可见，p c m 是智能设备与采 集前置机通信的桥梁。 1 2 2 智能设备协议转换器的关键技术 对通信协议转换器的要求包括通信接口和通信协议两个方面。通信 接口指串行通信接口，如r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 、r s 一4 2 2 等。通信协议是指 管理实体之问交换数据的一组规则，主要是关于交换数据的格式。因此 协议转换器应有程序存储和数据存储以及数据处理的功能，其基本硬件 构成应包括c p u 、r a m 、e p r o b i 和两个以上串行通信口，其软件主要有通 信软件、协议转换软件等。 1 ) 通信接口的转换 因为通信协议转换器位于智能设备和局( 站) 中心监控主机之间， 它要与智能设备和局( 站) 中心监控主机两者连接，其通信接口要与两者 匹配。即通信协议转换器要有两个通信接口，其中一个与智能设备的接 口相同，另一个与局( 站) 中心监控主机的接口相同。 2 ) 通信协议的转换 协议转换器进行通信格式转换时，实际上是按智能设备的通信协议 接收智能设备的数据，再按局( 站) 中心监控主机的通信协议转发给局 ( 站) 中心监控主机；或者按照局( 站) 中心监控主机的通信协议接收 局( 站) 中心监控主机下达给智能设备的命令，再按智能设备的通信协议 转发给智能设备【7 1 。 1 2 3 智能设备协议转换器的结构 智能设备协议转换器( p c m ) 自带的串行口通过r s 4 8 5 或r s 2 3 2 与 系统总线相连，按设定的波特率及协议与上位机通信。并通过异步通信 单元( u a r t ) 扩展出一个串口与智能设备通信。智能设备协议转换器的 基本结构如图1 3 所示。 图1 3 智能设备协议转换器的结构 1 。3 智能设备协议转换器的发展状况 近年来，随着计算机集中监控技术的不断发展，国内外许多大的设 备制造公司都有与自己的设备相配套的监控系统，但不同公司提供的监 控系统不同，有的只能实现对短距离的本地设备进行监控，有的虽然可 以实现对远距离的设备进行监控，但只能监控本公司的设备，而且各种 设备之间不能通用。对一个独立的区域而言，采用一套先进、可靠、实 用、性价比高的能够实现对各种类型智能设备实施集中监控的监控系统 是非常必要的。如果对现有的设备进行集中监控，需要设计智能设备协 议转换器，统一上层的编程接口，简化工程设计和施工的难度，并在一 6 定程度上完善和加强原设备的智能性咖。智能设备协议转换器的设计成 为现场监控系统硬件平台设计的关键性技术问题。 协议转换器( p c m ) 是一个典型的串口通信器件，广泛应用于实际 监控现场。例如在电信、移动通信机房的动力环境监控系统中，主要针 对通信电源集中控制，包括对发电机组、u p s 、空调系统等智能设备的 监控。智能设备协议转换器的作用在于将各种设备( 如开关电源，空调， 发电机组，u p s 电源，逆变器，高低压配电盘等) 的不同协议转换为某一种 协议，便于监控中心与这些设备进行通信联接。目前，由监控系统对智 能设备进行监控，采用的协议转换器主要有两种方案： i ) 硬件协议转换器 所谓硬件协议转换器的方式，是将一种被称作是协议转换器的装置 接入智能设备和局站监控主机之间，一端与智能设备的串口相接，另一 端与局站监控主机的串口相接，从而完成通信协议和通信接口的转换。 在内部结构上，它是一个小型的微机系统；在外部结构上，它至少具有 两个串口且分别与智能设备和监控主机的串口相匹配；在转换方式上， 智能设备的协议经微机处理系统的转换软件转换成与监控主机相匹配 的协议。这种方式的通信接口基本上就是r s - 2 3 2 ，r s - 4 2 2 ，r s 一4 8 5 问 的硬件转换，较易实现。这种方法对多个使用不同协议的智能设备同时 接入一个监控主机的情况更加有效。 2 ) 软件协议转换器 统一的通信协议的出台为智能设备接入监控系统提供了另一种解 决方案，那就是软件协议转换器。监控系统使用软件协议转换器，其原 理与硬件协议转换是一样的，只是通讯软件和协议转换软件不是在协议 转换器中运行，而是在局站监控中心的计算机中运行。软件协议转换器 是一个转换程序，在编写程序时就能根据智能设备厂家提供的通信协 议，将厂家提供的所有设备数据输入到监控系统，这样就可以详细全面 地了解智能设备的运行状况，提高设备运行的安全性。另外，软件协议 转换器在工程应用中很受欢迎的一点是，当有新增设备时，只要自行将 新增设备连接到s c a d a 节点机的空余r s - 2 3 2 接口上，然后通过软件配 置就能将新增设备接入到监控系统中来。但是由于通讯软件和协议转换 软件在局站计算机中占用一定资源，在所要监控的智能设备较多的情况 下，就会严重影响整个监控系统的性能。因为这种方式只适用于将具有 同种协议的智能设备接入一个监控主机的情况，如果在监控主机里转换 的协议种类过多会造成监控主机负担过重，影响监控主机正常工作，同 时也给监控主机软件开发带来很多困难和问题。所以这种转换方式在实 际应用中并不多见。 7 1 4 论文研究目的和内容 智能接口技术是目前人工智能研究的三个热点之一，既有巨大的应 用价值，又有基础的理论意义。智能设备本身具有数据采集能力并提供 标准通信接口，可以直接接入监控系统，依据生产厂家提供的协议来实 现遥测、遥信和遥控的三遥功能。但是由于通信监控系统中涉及到的智 能设备种类较多，包括开关电源、柴油发电机组、u p s 不间断电源、专 用空调、智能门禁等，因此技术点比较多，相对复杂，是监控系统准确运 行和功能实现的关键m 。 本课题所研究的智能设备协议转换器，适用于不同厂家不同型号的 智能设备，可以用来实现对不同厂家的智能设备进行监控。协议转换器 可以用于监控带串行接口的各种智能设备，利用厂家所提供的与该设备 联系所需的通信协议，进行编程，根据智能设备型号定制监控程序，将 智能设备的通信协议转换成标准的通信协议，使所有具有不同协议的智 能设备能在上位计算机一级统一起来，从而解决了智能设备监控系统中 设备复杂，智能设备种类繁多，通信协议各行其是的矛盾，做到集中监 控系统的智能化、模块化、标准化及规范化。 本文在深入研究串行通信理论、智能设备的通信协议后，经过认真 的分析和比较，选定器件的型号，并对系统各组成部分的设计方案进行 论证。在此基础上进行电路原理图设计、p c b 设计、针对艾苏威尔 ( i s o v e l ) 空调的底层软件开发、上层通信软件开发以及硬件电路板和 软件的调试工作，从而提出智能设备协议转换器的整体设计方案。本文 各章的内容安排如下： 第一章，本文绪论。以一定的应用背景为基础，引出课题来源，提 出课题设计的实际意义和关键技术，并介绍论文的结构安排。 第二章，研究串行通信的理论、构成与实现，介绍了针对艾苏威尔 空调进行智能设备协议转换器设计的技术难点。 第三章，进行智能设备协议转换器的通信协议的设计。 第四章，智能设备协议转换器的硬件电路设计，主要是对系统的主 要处理芯片及其外围电路的设计方案的论证。 第五章，研究开发适用于智能设备协议转换器( p c m ) 的软件，底 层软件部分，针对艾苏威尔空调进行设计，对系统软件的各组成部分的 设计方法和关键技术作了较为详细的介绍。 第六章，介绍p c ) a 软硬件的调试过程与技术维护要点。 最后，对论文工作进行总结并展望了将来的工作。 8 第二章智能设备通信协议 远程监控系统所要监控的智能设备多种多样，包括：高低压配电 系统、柴油发电机组供电系统、燃气发电机组供电系统、u p s 供电系统、 逆变器供电系统、开关电源供电系统、太阳能供电系统、直流一直流变 换器( d c d c ) 系统、风力发电设备、蓄电池检测装置、分散空调、集 中空调、通用采集器等“”。 2 1 智能设备通信协议的特点 中华人民共和国通信行业标准，y d t1 3 6 3 4 - 2 0 0 5 ，通信局( 站) 电源、空调及环境集中监控管理系统第3 部分：前端智能设备协议对 智能设备通信协议进行了明确的规定。 1 通信接口和传输速率 标准规定智能设备数据通信应提供异步串行通信方式。异步串行通 信接口和传输速率有： r s 一2 3 2 c ：1 2 k b i t s 、2 4 k b i t s 、4 8 k b i t s 、9 6 k b i t s 或 1 9 2 k b i t s ； r s 一4 8 5 ：1 2 k b i t s 、2 4 k b i t s 、4 8 k b i t s 、9 6 k b i t s 、1 9 2 k b i t s 或3 8 4 k b i t s ； r s 一4 2 2 ：1 2 k b i t s 、2 4 k b i t s 、4 8 k b i t s 、9 6 k b i t s 、1 9 2 k b i t s 或3 8 4 k b i t s 。 通信传输格式为：起始位1 位，数据位8 位，停止位1 位，无校验。 2 通信方式 监控系统为分布式结构，监控单元( s u ) 与监控模块( 蹦) 的通信 为主从方式，监控单元为上位机，监控模块为下位机。 通信过程是这样的：s u 呼叫s m 并下发命令，s m 收到命令后返回响 应信息。在5 0 0 m s 内，s u 接收不到s m 响应信息或响应信息错误，则认 为本次通信过程失败。 监控模块通过m o d e m 拨号方式与监控中心相连，监控中心通过依次 m o d e m 拨号轮巡各监控模块，发生紧急告警时，监控模块应有主动拨号 上报功能。 3 信息类型和信息结构 在s u 与s m 之间传输的信息，根据传输方向，分为两种类型： 由s u 发出到s m 的命令信息，简称命令信息； 由s m 返回到s u 的响应信息，简称响应信息。 为了保证信息能在s u 与s m 之间正确无误地传输，应事先约定，信 息按照一定的结构组织起来。信息是由许多字节组成的，一个或多个字 节组成一个单元，有一个名称、表达确定的含义1 。 9 论文工作中，完成智能设备协议转换器的硬件设计，并针对艾苏威 尔( i s o v e l ) 空调进行了智能设备协议转换器的软件设计与系统调试。 对于空调设备的通信协议，通信的数据有整型、定点、浮点等多种 类型。对于i s o v e l 空调，具有如下数据形式： 获取系统模拟量量化数据( 浮点数) 、获取系统模拟量量化数据( 定 点数) 、获取开关输入状态、获取空调告警状态、遥控、获取参数( 浮 点数) 、获取参数( 定点数) 、设定参数( 浮点数) 、设定参数( 定点数) 、 获取历史数据( 浮点数) 、获取历史数据( 定点数) 、获取历史告警。 如上所述的1 2 种通信协议格式，每一种又有命令信息和响应信息 两种数据格式。因此，针对艾苏威尔( i s o v e l ) 空调，编写智能设备协 议转换器的协议转换程序，需要完成多种数据格式的转化，使之符合通 信电源设备、机房空调等设备的通信协议所规定的数据格式。以便在 智能设备协议转换器部分将各种智能设备的通信协议统一起来，完成监 控系统对各种智能设备实施集中监控的功能。可见，针对i s o v e l 空调 设备，智能设备协议转换器软件设计的难点就在于通信数据格式的转 化。 2 2 智能设备通信的物理层协议 现有的智能设备通信普遍采用串行通信方式。在设计智能设备协议 转换器之前，首先考察一下当前已经成为标准或者正在研究的各种串行 通信技术及其特点，尤其是与本课题有关的异步串行通信技术。经过分 析和对比，从中吸取有益的经验和思路，再结合智能设备协议转换器自 身结构的特点和要求，才能改进到所需要的智能设备协议转换器系统。 串行通信所用的传输线少，适用于那些与计算机相距不远的人机 交换设备和串口外部设备，如终端、打印机、逻辑分析仪、磁盘等。在 实时控制和管理方面，采用多台微机处理器组成的分级分布控制系统 中，各微机之闻的通信一般都是串行方式。 串行通信是指外设和计算机间使用一根数据信号线( 另外需要地 线，可能还需要控制线) ，一位一位地传输数据，每一位数据都占据一 个固定的时间长度，外设与计算机按串行方式进行通信，而c p u 与接口 之间仍然按并行方式工作。如图2 1 所示，为数据的串行传输方式示意 图。 d od i1 3 2 d 3 i ) 41 3 51 3 6d 7 厂 厂 厂 厂 叫t 卜_ 图2 1 数据串行传输方式 1 0 串行通信又可分为异步通信和同步通信两种方式。同步方式主要由 时钟信号统一传输步调；异步通信则靠双方约定好的波特率及一些同步 字符等起到识别作用。在单片机串行通信应用中，主要使用异步通信方 式。 根据信息的传送方向，串口通信可以迸一步分为单工、半双工和全 双工3 种模式。信息只能单向传送的为单工模式；信息能双向传送但不 能同时双向传送的称为半双工模式；信息能够同时双向传送的为全双工 模式。 串行通信中，只有通信双方采用相同的接口标准，才能进行正常的 通信。由于不同设备串行接口的信号线定义、电气规格等特性都不尽相 同，因此要使这些设备能够相互连接，需要一个统一的串行通信接口。 r s 一2 3 2 、r s - 4 2 2 和r s - 4 8 5 是目前最常用的3 种串行通信接口标准，也 是智能设备普遍使用的接口标准。 物理层是指通信链路的物理介质、机械器件、连接器和电器特性， 串行通信采用的接口标准包括r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 和r s - 4 8 5 ，它们也是实 际意义上的物理层协议。 r s 一2 3 2 、r s - 4 2 2 和r s 一4 8 5 都是串行数据接口标准，最初都是由电 子工业协会( e i a ) 制订并发布的。r s 2 3 2 在1 9 6 2 年发布，命名为 e i a 一2 3 2 e ，作为工业标准，它可以保证不同厂家产品之间的兼容。 r s - 4 2 2 由r s - 2 3 2 发展而来，它是为弥补r s - 2 3 2 的不足而提出的。为 改进r s 2 3 2 通信距离短、速度低的缺点，r s - 4 2 2 定义了一种平衡通信 接口，将传输速率提高到1 0 m b i t s ，传输距离延长到4 0 0 0 英尺( 速度 低于1 0 0 k b i f f s 时) ，并允许在一条平衡总线上连接最多l o 个接收器。 r s - 4 2 2 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 t i a e i a - 4 2 2 a 标准。为扩展应用范围，e i a 又于1 9 8 3 年在r s - 4 2 2 基 础上制定了r s 一4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发 送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特 性，扩展了总线共模范围，后命名为t i a e i a 4 8 5 a 标准。 r s - 2 3 2 、r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 标准只对接口的电器特性做出规定，而 不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信 协议。 2 2 1r s - 2 3 2 串行接口标准 r s 一2 3 2 协议作为一种传统的串口协议比u s b 协议要简单的多。 r s 一2 3 2 标准是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司一起开发的通 信协议。它适合于数据传输速率在o 2 0 0 0 0 b s 范围内的通信。这个标 准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规 定。由于通行设备厂商都生产与r s 一2 3 2 兼容的通信设备，因此，它作 为一种标准，在微机通信接口中广泛采用“4 。 ( 1 ) d t e 和d c e r s - 2 3 2 规则不允许计算机之间直接交流。该规则定义由d t e 向d c e 进行对话。d t e 一般指使用终端仿真软件作为终端的终端设备或p c 机。 d c e 一般指通过电话线进行通信的调制解调器。几乎在所有的情况下， p c 机上的串口被配置成d t e ，而所有的m o d e m 的串口被配置成d c e 。大 多数的其他外设是d c e 的，但是也有例外，包括很多串行打印机。在有 必要的时候，一个简单的适配器就能把一种类型的接口转换为另一种接 口。 ( 2 ) 连接器和电缆 由于r s 一2 3 2 并未定义连接器的物理特性，因此，出现了d b 一2 5 ， d b - 1 5 和o b - 9 各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同，标准 r s - 2 3 2 连接中使用的接口从2 5 针减少到9 针，更利于控制。图2 2 是 台式机上经常见到的o b - 9 连接器。 d s r 6 i b o2 r t s7 t 翻d3 c t s8 d 1 r4 r i9 s g5 d b 9 图2 2 常用的9 针r s - 2 3 2 连接器 d b - 9 有9 条r s - 2 3 2 线，可分成三部分：数据线( t x d 、r x d ) 、控制 线( r t s 、c t s 、d s r 、d c d 、d t r 、r i ) 、地信号线( s g ) 。 r s 一2 3 2 电缆在电线的数量、绝缘线的数量和类型上都有所变化。 对于长连接来说，将电缆长度保持在限制以内是很重要的。r s 一2 3 2 标 准规定，在通信速率低于2 0 k b s 时，r s - 2 3 2 所直接连接的最大物理距 离为1 5 m ( 5 0 英尺) 。若不使用m o d e m ，在码元畸变小于4 的情况下， d t e 和d c e 之间最大传输距离为1 5 m ( 5 0 英尺) 。可见这个最大的距离是 在码元畸变小于4 的前提下给出的。为了保证码元畸变小于4 的要求， 接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于2 5 0 0 p f 。 ( 3 ) 电气特性 r s 一2 3 2 对电器特性、逻辑电平和各种信号线的功能都作了规定。在 t 】( d 和r x d 上规定： 逻辑l ( m a r k ) 一3 v 一1 5 v 逻辑0 ( s p a c e ) = + 3 + 1 5 v 在r t s ，c t s ，d s r ，d t r 和d c d 等控制线上规定： 信号有效( 接通，0 n 状态，正电压) = + 3 v + 1 5 v 信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) 一3 v 一1 5 v 以上规定说明了r s 一2 3 2 标准对逻辑电平的定义。对于数据( 信息 码) ，逻辑“l ”( 传号) 的电平低于一3 v ；逻辑“0 ”( 空号) 的电平高于+ 3 v 。 对于控制信号，接通状态( 0 n ) 即信号有效的电平高于+ 3 v ；断开状态( o f f ) 即信号无效的电平低于一3 v 。当传输电平的绝对值大于3 v 时，电路可以 有效地检查出来，介于一3 v 和+ 3 v 之间的电压无意义，低于- 1 5 v 或高于 + 1 5 v 的电压也认为无意义。因此，实际工作时，应保证电平在( 3 - - 1 5 ) v 之间。 ( 4 ) r s 一2 3 2 的接口信号 r s 一2 3 2 规范标准接口有2 5 条线，4 条数据线、儿条控制线、3 条 定时线、7 条备用和未定义线，常用的只有9 条，分为三类，它们是： 1 ) 联络控制信号线 数据装置准备好( d a t as e tr e a d y d s r ) 有效时( o n ) 状态，表明 m o d e m 处于可以使用的状态。 数据终端准备好( d a t at e r m i n a lr e a d y d t r ) 有效时( o n ) 状态， 表明数据终端可以使用。 这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态 信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信 了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。 请求发送( r e q u e s tt os e n d r t s ) 用来表示d t e 请求d c e 发送 数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效( o n 状态) ，向m o d e m 请 求发送。它用来控制m o d e m 是否要进入发送状态。 允许发送( c l e a rt os e n d c t s ) 用来表示d c e 准备好接收d t e 发来的数据，是对请求发送信号r t s 的响应信号。当m o d e m 已准备好接 收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发 送数据线t x d 发送数据。 r t s 和c t s 线基本上用于实现硬件握手，和r s 一2 3 2 线相连的设备 通过握手表明输入缓冲区是否满。例如，计算机接收调制解调器中的数 据时，可能不再从内部缓冲区中读取r s 一2 3 2 数据了。更多的数据流入 时，缓冲区会继续接收数据并进行中断，这可能使缓冲区溢出。计算机 通过撤消r t s 线来提醒调制解调器。缓冲区空了，计算机再次起用r t s 线告诉调制解调器，计算机已经准备好接收更多的数据。 接收线信号检出( r e c e i v e dl i n es i g n a ld e t e c t