一种通信协议转换方法、装置及系统与流程

本发明涉及核反应堆技术领域，特别涉及一种通信协议转换方法、装置及系统。

背景技术：
高温气冷堆是采用没有金属包壳的涂敷颗粒作燃料，以石墨作慢化剂，氦气作冷却剂的先进反应堆，堆芯出口温度高。高温气冷堆具有固有的安全性，热能利用广，热效率高；运行和管理容易，燃料选择的灵活性大，燃料消耗量少的特点。高温气冷堆在中小型核电站、干旱地区核电站以及核能煤气化和液化、制氢等方面具有良好的应用前景。高温气冷堆保护系统是高温气冷堆重要的安全系统之一，用于连续监测按事故分析确定的保护变量(如核功率、一回路压力，堆芯进出口温度，一回路湿度等)，当所监测的保护变量或导出的计算变量达到或超过整定值时，自动给出保护触发信号，执行相应的保护动作，用来防止高温气冷堆的状态超过规定的安全限值，或在设计基准事故发生时制止事故扩展或缓解由此引起的后果。高温气冷堆保护系统的数字化是信息技术高速发展时代的一种不可逆转的趋势，是计算机技术应用于高温反应堆保护系统的必然。高温气冷堆数字化保护系统可以获得比模拟的保护系统更高的可靠性、准确性和稳定性，同时大幅度地提高反应堆保护系统的功能。参照图1，高温气冷堆数字化保护系统采用四通道冗余和两级“四取二”表决的结构，并采用局部符合(参照图2，即对同一个保护变量四个冗余监测信号进行“四取二”表决)逻辑，以降低误动作概率并提高可维护性。高温气冷堆数字化保护系统的保护逻辑装置由18个机柜组成，分别为信号隔离柜A、B、C、D，保护逻辑柜Ax、Bx、Cx、Dx，保护逻辑柜Ay、By、Cy、Dy，通道监测柜A、B、C、D，安全触发柜A、B。其中保护逻辑柜x中包括信号处理装置x和逻辑符合装置x，保护逻辑柜y中包括信号处理装置y和逻辑符合装置y。在组成高温气冷堆数字化保护系统的基本部件中，信号处理装置x、信号处理装置y、逻辑符合装置x、逻辑符合装置y、通道监测装置、事故后监测装置、安全显示装置的基本功能是由软件实现的，带有通信端口。如信号处理装置x(或y)将处理后的数据通过通信端口发送到4个通道的逻辑处理装置x(或y)和本通道的通道监测装置；通道监测装置接收来自本通道的信号处理装置x、信号处理装置y、逻辑符合装置x、逻辑符合装置y和事故后监测装置的通信数据包，并将处理后的数据通过端口发送到3个安全显示和1个DCS网关。上述带有通信端口的各装置中，其通信协议是基于以太网协议，数据帧遵循IEEE802.3帧格式，即该帧包含6个域：前导码包含8个字节；目的地址包含6个字节；源地址包含6个字节；类型域包含2个字节；数据域包含46-1500字节；帧校验序列包含4个字节。在高温气冷堆数字化保护系统中，通信协议对IEEE802.3帧格式中的类型域进行了专门定义(即专用协议标识)，与现有的开放协议不兼容，并将数据域划分成专用协议头和应用数据两部分，并通过数据链路层直接实现对物理层的所有访问的控制，与现有的开放协议不兼容。在高温气冷堆数字化保护系统研制、生产、安装、调试、维护阶段，尤其是研制阶段，需要对组成保护系统的各部件以及集成后的系统进行充分有效的测试，以验证和确认各部件以及集成后的系统满足其功能和性能需求；在高温气冷堆主控室动态验证系统验证过程中，需要为主控室安全显示器、DCS网关提供仿真的高温气冷堆专用以太网协议通信数据包。但现有技术中，尚无设备可以仿真上述通信协议，无法实现对高温气冷堆数字化保护系统中各部件以及集成后的系统进行充分有效的测试。

技术实现要素：
为实现对高温气冷堆数字化保护系统中各部件以及集成后的系统进行充分有效的测试，本发明提供了一种通信协议转换方法，所述方法包括以下步骤：S1：获取由上位机发送来的第一指令数据，所述第一指令数据包括：第一指令类型、应用层数据和通信端口号，所述第一指令类型包括：设置待发送数据内容；S2：对所述第一指令数据进行解析，若所述第一指令类型为设置待发送数据内容，则将所述应用层数据生成第一数据包，将所述第一数据包通过所述通信端口号所对应的通信端口发送至目标设备；所述第一数据包为高温气冷堆数字化保护系统所支持的格式。其中，所述第一指令类型还包括：获取已接收数据内容；步骤S2中，若所述第一指令类型为获取已接收数据内容，则从所述通信端口号所对应的通信端口获取第二数据包，将第二数据包解析并重新生成第三数据包，并将所述第三数据包发送至所述上位机；所述第二数据包为高温气冷堆数字化保护系统所支持的格式，所述第三数据包为上位机所支持的格式。其中，步骤S1之前还包括：S001：获取由上位机发送来的第二指令数据，所述第二指令数据包括：第二指令类型、应用层数据和通信端口号；S002：对所述第二指令数据进行解析，并根据解析出的第二指令类型、应用层数据和通信端口号进行参数设置。其中，所述参数包括：与目标设备相连接通信端口的MAC地址、与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据时间间隔、与目标设备相连接通信端口的使能状态及工作模式、和与目标设备相连通信端口对应的目标设备通信端口的MAC地址；所述第二指令类型包括：设置与目标设备相连接通信端口的MAC地址、设置与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据时间间隔、设置与目标设备相连接通信端口的使能状态及工作模式和设置与目标设备相连通信端口对应的目标设备通信端口的MAC地址；步骤S002之后还包括：S003：判断所述参数是否设置完毕，若是，则返回步骤S1，否则执行步骤S001。其中，所述第一指令数据和第二指令数据还包括：数据校验码；所述参数还包括：与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据校验码完整性状态；所述第二指令类型还包括：设置与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据校验码完整性状态。其中，步骤S003之后还包括：获取由上位机发送来的第三指令数据，所述第三指令数据包括：第三指令类型、应用层数据和通信端口号；对所述第三指令数据进行解析，并根据解析出的第三指令类型、应用层数据和通信端口号进行参数获取；根据获取的参数生成第四数据包，并将所述第四数据包发送至所述上位机，所述第四数据包为上位机所支持的格式。其中，所述第三指令类型包括：获取与目标设备相连接通信端口的MAC地址、获取与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据时间间隔、获取与目标设备相连接通信端口的使能状态及工作模式、获取与目标设备相连通信端口对应的目标设备通信端口的MAC地址和获取与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据校验码完整性状态。本发明还公开了一种通信协议转换装置，所述装置包括：接收单元，用于获取由上位机发送来的第一指令数据，所述第一指令数据包括：第一指令类型、应用层数据和通信端口号，所述第一指令类型包括：设置待发送数据内容；处理单元，用于对所述第一指令数据进行解析，若所述第一指令类型为设置待发送数据内容，则将所述应用层数据生成第一数据包；输出单元，用于将所述第一数据包通过所述通信端口号所对应的通信端口发送至目标设备；所述第一数据包为高温气冷堆数字化保护系统所支持的格式。其中，所述第一指令类型还包括：获取已接收数据内容；所述处理单元，还用于若所述第一指令类型为获取已接收数据内容，则从所述通信端口号所对应的通信端口获取第二数据包，将第二数据包解析并重新生成第三数据包；所述输出单元，还用于将所述第三数据包发送至所述上位机；所述第二数据包为高温气冷堆数字化保护系统所支持的格式，所述第三数据包为上位机所支持的格式。本发明还公开了一种通信协议转换系统，所述通信协议转换系统包括：上位机、目标设备和所述的装置，所述目标设备为高温气冷堆数字化保护系统中的设备。本发明通过上述步骤间的配合，使得上位机与目标设备之间可实现通信，进而实现了对高温气冷堆数字化保护系统中各部件以及集成后的系统进行充分有效的测试。附图说明图1是高温气冷堆数字化保护系统的结构示意图；图2是图1所示的高温气冷堆数字化保护系统中“四取二”表决的示意图；图3是本发明一种实施方式的通信协议转换方法的流程图；图4是本发明一种实施方式的通信协议转换装置的结构框图；图5是图4所述装置的外部结构的示意图；图6是自定义格式和重新定义后的IEEE802.3的格式的示意图；图7是本发明第一种实施例的通信协议转换系统的结构框图；图8是本发明第一种实施例的通信协议转换系统的工作流程图；图9是本发明第二种实施例的通信协议转换系统的结构框图；图10是本发明第二种实施例的通信协议转换系统的工作流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。图3是本发明一种实施方式的通信协议转换方法的流程图；参照图3，所述方法包括以下步骤：S1：获取由上位机(即测试主机或仿真设备)发送来的第一指令数据，所述第一指令数据包括：第一指令类型、应用层数据和通信端口号，所述第一指令类型包括：设置待发送数据内容；S2：对所述第一指令数据进行解析，若所述第一指令类型为设置待发送数据内容，则将所述应用层数据生成第一数据包，将所述第一数据包通过所述通信端口号所对应的通信端口发送至目标设备；所述第一数据包为高温气冷堆数字化保护系统所支持的格式为便于使得上位机接收由目标设备所传来的数据包，优选地，所述第一指令类型还包括：获取已接收数据内容；步骤S2中，若所述第一指令类型为获取已接收数据内容，则从所述通信端口号所对应的通信端口获取第二数据包，将第二数据包解析并重新生成第三数据包，并将所述第三数据包发送至所述上位机；所述第二数据包为高温气冷堆数字化保护系统所支持的格式，所述第三数据包为上位机所支持的格式。在实现上位机与目标设备之间的通信之前，需要预先完成参数设置，为预先完成参数设置，优选地，步骤S1之前还包括：S001：获取由上位机发送来的第二指令数据，所述第二指令数据包括：第二指令类型、应用层数据和通信端口号；S002：对所述第二指令数据进行解析，并根据解析出的第二指令类型、应用层数据和通信端口号进行参数设置。为保证所需的参数均进行相应的设置，优选地，所述参数包括：与目标设备相连接通信端口的MAC地址、与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据时间间隔(该时间间隔非常重要，需要与目标设备的接收时间间隔相匹配，若随意设置该参数，则会导致目标设备产生误动作)、与目标设备相连接通信端口的使能状态及工作模式、和与目标设备相连通信端口对应的目标设备通信端口的MAC地址；所述第二指令类型包括：设置与目标设备相连接通信端口的MAC地址、设置与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据时间间隔、设置与目标设备相连接通信端口的使能状态及工作模式和设置与目标设备相连通信端口对应的目标设备通信端口的MAC地址；步骤S002之后还包括：S003：判断所述参数是否设置完毕，若是，则返回步骤S1，否则执行步骤S001。为保证数据的正确性，优选地，所述第一指令数据和第二指令数据还包括：数据校验码；所述参数还包括：与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据校验码完整性状态；所述第二指令类型还包括：设置与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据校验码完整性状态。为便于对设置好的参数进行确认，优选地，步骤S003之后还包括：获取由上位机发送来的第三指令数据，所述第三指令数据包括：第三指令类型、应用层数据和通信端口号；对所述第三指令数据进行解析，并根据解析出的第三指令类型、应用层数据和通信端口号进行参数获取；根据获取的参数生成第四数据包，并将所述第四数据包发送至所述上位机，所述第四数据包为上位机所支持的格式。优选地，所述第三指令类型包括：获取与目标设备相连接通信端口的MAC地址、获取与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据时间间隔、获取与目标设备相连接通信端口的使能状态及工作模式、获取与目标设备相连通信端口对应的目标设备通信端口的MAC地址和获取与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据校验码完整性状态。本发明还公开了一种通信协议转换装置，参照图4，所述装置包括：接收单元，用于获取由上位机发送来的第一指令数据，所述第一指令数据包括：第一指令类型、应用层数据和通信端口号，所述第一指令类型包括：设置待发送数据内容；处理单元，用于对所述第一指令数据进行解析，若所述第一指令类型为设置待发送数据内容，则将所述应用层数据生成第一数据包；输出单元，用于将所述第一数据包通过所述通信端口号所对应的通信端口发送至目标设备；所述第一数据包为高温气冷堆数字化保护系统所支持的格式。为便于使得上位机接收由目标设备所传来的数据包，优选地，所述第一指令类型还包括：获取已接收数据内容；所述处理单元，还用于若所述第一指令类型为获取已接收数据内容，则从所述通信端口号所对应的通信端口获取第二数据包，将第二数据包解析并重新生成第三数据包；所述输出单元，还用于将所述第三数据包发送至所述上位机；所述第二数据包为高温气冷堆数字化保护系统所支持的格式，所述第三数据包为上位机所支持的格式。所述通信协议转换装置还包括为实现上述通信协议转换方法的其他模块，为避免冗余，故而在此不再赘述。参照图5，通信协议转换装置提供2～N个(N为可变值，根据需求确定，典型值为6)以太网通信端口，并设置了一组拨码开关，所述拨码开关用来配置通信协议转换装置的通信端口1的MAC地址。通信端口1用于与上位机(以下简称“指令设备”)相连，用于接收来自指令设备的指令数据，根据指令数据内容配置通信协议转换装置其他端口的参数(如配置端口的发送或接收工作模式，配置源地址/目的地址，配置数据包的发送时间间隔等)或者执行指令数据指定的功能(如读取某端口的配置参数，返回某端口接收到的数据等)。其他的N-1个通信端口用于根据使用高温气冷堆数字化保护系统专用以太网协议的设备(以下简称“目标设备”)的通信端口数量选择其中的一个或多个通信端口与目标设备相应的通信端口相连，接收与目标设备相连通信端口的通信数据，或者为目标设备的相连通信端口提供高温气冷堆数字化保护系统专用以太网协议通信数据，其MAC地址由指令设备通过指令数据进行配置。该N-1个通信端口有2种工作模式，即发送工作模式和接收工作模式；如果某一个或多个通信端口不处于2种工作模式的任意一个，则该通信端口未使能，处于空闲备用状态。通信协议转换装置执行如下主要功能：(1)负责硬件资源和全局数据的初始化；(2)为了实现某个或某些通信端口通信数据包的准确(精度优于1ms)定时发送，负责维护一个高精度计时器(分辨率优于1us)以及一个或多个计时变量；(3)在执行过程中，循环调度指令响应模块，该模块周期性地接收并解析来自与指令设备相连通信端口的指令数据，根据指令数据内容配置通信协议转换装置其他端口的参数或执行指令数据指定的功能；(4)对装置内的软硬件资源进行在线自检，如果发现错误，立即将异常信息以通信数据包的形式发送到指令设备。通信协议转换装置与上位机之间的指令数据有三种可选的方式：一、基于TCP/IP协议；二、基于UDP协议；三、使用自定义的专用指令协议。指令数据包括五个部分：目的MAC(占6字节)、源MAC(占6字节)、协议标识(占4字节)、协议层数据(占12字节)、应用层数据(占1004字节)。指令数据具有固定长度，共1032字节。详细内容见表1。表1通信协议转换装置指令数据当采用TCP/IP、UDP协议传输指令数据时，指令设备将指令数据的1032字节作为TCP/IP、UDP应用层数据直接发送给通信协议转换装置的通信端口。当采用自定义的专用指令协议时，物理层使用IEEE802.3帧格式进行数据传输，但是对IEEE802.3的类型域和数据域进行了重新定义，其对应关系见图6。通信协议转换装置的协议转换模块除了异常信息的单向反馈外，其他情况均以一种指令——应答的双向工作机制运行。指令设备向转换装置发送指令数据包，指令响应模块解析指令数据后，执行相应的操作，操作完成后向指令设备反馈指定内容的数据包。通信协议转换装置根据指令数据中协议层数据的指令数据包属性值(即usValue，见表1)的不同，结合协议层数据中的其他字段和应用层数据，实现以下主要功能：(1)设置与目标设备相连接通信端口的MAC地址；(2)获取与目标设备相连接通信端口的MAC地址；(3)设置与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的待发送数据内容(即上述的“设置待发送数据内容”)；(4)获取某个与目标设备相连接且处于接收工作模式通信端口的已接收数据内容(即上述的“获取已接收数据内容”)；(5)设置与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据时间间隔；(6)获取与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据时间间隔；(7)设置与目标设备相连接通信端口的使能状态及工作模式；(8)获取与目标设备相连接通信端口的使能状态及工作模式；(9)设置与目标设备相连通信端口对应的目标设备通信端口的MAC地址；(10)获取与目标设备相连通信端口对应的目标设备通信端口的MAC地址；(11)设置与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据校验码完整性状态；(12)获取与目标设备相连接且处于发送工作模式通信端口的发送数据校验码完整性状态。指令设备与通信协议转换装置之间进行信息交换时，通信数据的具体含义主要由指令数据协议中的协议层数据决定，具体规则见表2。表2指令数据协议的通信数据规则当通信协议转换装置的与目标设备相连接通信端口处于发送工作模式时，根据指令数据相关参数，将保护系统专用以太网协议的目的MAC地址、源MAC地址、专用协议标识、专用协议头和应用数据逐个填充(即生成新的数据包)，并以设定的发送时间间隔(典型值为5ms的倍数，其范围为5ms～60000ms)通过数据链路层发送到相连接的目标设备通信端口。当通信协议转换装置的与目标设备相连接通信端口处于接收工作模式时，在每个执行周期内，自动地接收来自相连接目标设备通信端口的保护系统专用以太网协议通信数据，对接收到的数据进行解析后，存放于连接通信端口对应的数据缓冲区。当指令设备发送获取通信协议转换装置某接收工作模式的通信端口数据时，将相应缓冲区中的数据反馈给指令设备。本发明还公开了一种通信协议转换系统，所述通信协议转换系统包括：上位机、目标设备和所述的装置，所述目标设备为高温气冷堆数字化保护系统中的设备。实施例1下面以一个具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。在对高温气冷堆数字化保护系统的具有通信端口的相关设备(如信号处理装置x、信号处理装置y、逻辑符合装置x、逻辑符合装置y、通道监测装置、事故后监测装置、安全显示装置)开展集成测试时，本发明的高温气冷堆数字化保护系统的通信协议转换装置与测试主机、待测相关装置(以逻辑符合装置x为例)之间的连接关系见图7。在集成测试过程中，通过本发明的通信协议装置实现测试主机与待测装置之间的通信数据交换时，测试主机可按图8所示步骤向通信协议转换装置发送指令数据序列实现数据交换。实施例2下面以另一个具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。在高温气冷堆主控室动态验证系统中，本发明的通信协议转换装置与仿真系统、安全显示装置、分布式控制系统(DistributedControlSystem，DCS)的英文缩写，简称网关之间的连接关系见图9。在高温气冷堆主控室动态验证系统中，通过本发明的通信协议装置实现仿真系统与主控室安全显示器1、2、3、4以及DCS网关之间的通信数据交换时，仿真系统可按图10所示步骤向通信协议转换装置发送指令数据序列实现数据交换。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。