DLMS电能表通讯协仪.docx
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DLMS电能表通讯协仪
DLMS电能表通讯协仪（2003626）
本文是对于IEC62056协议族，即DLMS协议族的中文说明手册。
本文并没有包含DLMS协议族的全部，但解释了在应用中可能出现的大多数情况。
本文的目的是为电能量数据采集终端提供与使用DLMS协议族的电能表通讯的协议说明。
本文参考文献如下：
（1）DLMSUserAssociation,COSEMIdentificationSystemandInterfaceObjects,ThirdEdition
（2）IEC62056－53Electricitymetering-Dataexchangeformeterreading,tariffandloadcontrol-Part53:
COSEMapplicationlayer
（3）IEC62056－46Electricitymetering-Dataexchangeformeterreading,tariffandloadcontrol-Part46:
DatalinklayerusingHDLCprotocol
（4）IEC62056－42Electricitymetering-Dataexchangeformeterreading,tariffandloadcontrol-Part42:
Physicallayerservicesandproceduresforconnection-orientedasynchronousdataexchange
（5）IEC62056－61Electricitymetering-Dataexchangeformeterreading,tariffandloadcontrol-Part61:
Objectidentificationsystem（OBIS）
（6）AmberManagementlogicaldevice－FR:
AMBER/FWTECH_SPECMANAGEMENT_LOGICAL_DEVICE
（7）AmberElectricityLogicalDevice－FR:
AMBER/FWTECH_SPECELECTRICITY_LOGICAL_DEVICE
（8）ALayman'sGuidetoaSubsetofASN.1,BER,andDER－
AnRSALaboratoriesTechnicalNote
BurtonS.KaliskiJr.RevisedNovember1,1993
（9）IEC61334采用配线载波的配电自动化，译文汇编。
一、本文的结构
由于DLMS协议族的复杂性，必然导致本文篇幅较长，涉及的内容比较多。
这里有必要把本文的内容，做一个综述，并解释各部分之间的相互关系。
一、DLMS协仪模型：
从整体上介绍DLMS协议。
二、DLMS物理层协议：
讲述DLMS物理层在整个协议族中的作用。
三、DLMS链路层协议：
讲述HDLC链路层协议在整个协议族中的作用。
四、DLMS应用层协议：
讲述DLMS应用层协议在整个协议族中的作用。
这一部分又包括如下几部分内容。
（一、）ASN.1语法：
这个语法是用来描述DLMS应用层协议帧的组成的。
（二、）BER编码与AXDR编码：
这两种编码是用来实现ASN.1语法的。
（三、）AARQ与AARE数据帧：
这是两个特殊的数据帧，它用来构筑DLMS协议中的client端与server端的应用层连接。
（四、）数据请求过程描述：
介绍请求数据时所用的的数据帧。
五、请求数据实例：
这里提供了几个请求数据的实际范例的数据包文。
1、请求电量
2、请求瞬时量（电压、电流、功率）
3、请求负荷曲线
4、请求时间
一、DLMS协仪模型
下图从整体上描述了DLMS协仪模型。
协仪共分为3层，物理层，链路层，应用层。
层与层之间使用指定的服务通讯。
通讯的双方采用Client—Server结构，数据请求端（采集器）为Client，数据提供端（电表）为Server.
通讯过程描述：
（一）建立物理层连接
物理层位于通讯模型的最底层。
DLMS规约可以建立在多种物理层之上，物理层的做用主要是对底层通讯硬件的操做（如对PSTNMODEM的初始化，打开，关闭。
）
（二）建立链路层连接
物理层连接建立之后，数据通讯的第一步是建立链路层的连接，链路层主要负责数据传输的可靠性，包括以下几个方面，地址校验，帧长校验，数据的CRC校验。
长数据帧的拆包组包。
同时向应用层提供链路传输的服务。
（三）建立应用层连接
链路层连接建立之后，在DLMS协仪中还要建立应用层连接，才可进行数据通讯。
这个应用层连接建立过程被称为Negotioation。
这个过程是为数据通讯提供一些配置参数。
应用层连接请求由Client端发起，Client端发aarq帧，Server端响应aare帧
（四）进行数据通讯
当连接建立起后，就可进行数据通讯了。
Client端发送数据请求帧Server端以数据响应。
Client在请求不同的数据时，要使用特定数据的独有的classid和OBIS，用以标识不同类型的数据。
（五）数据通讯结束，释放链路，解除连接。
数据通讯结束后，发链路结束帧，结束一次通讯过程。
一次数据通讯结束后，可以通过发链路结束帧，来结束一次通讯过程。
也可以，不发任何数据帧，依靠server端的超时挂断机制，来结束一次通讯过程。
一般应使用前者。
（六）解除物理层连接
关闭物理端口（如挂断Modem）。
从物理上结束一次通讯。
二、DLMS物理层协议
物理层协议位于DLMS协议族的最底层，负责数据通讯的物理传输。
DLMS可以工作于多种不同的物理介质上（PSTN，网络，串行通道等）。
物理层的功能是接受链路层数据，发送到物理介质上，传送到通信的对端。
或是接收通信的对端传送来得数据，再传送到链路层，供更高层的协议处理数据。
DLMS物理层协议，主要规定了物理层应实现的服务，如：
打开端口，初始化端口，收发数据，关闭端口等。
在通常的嵌入式系统中（如电能量采集装置），物理层对应于系统的底层驱动部分。
这部分一般不被通讯规约控制。
因此，在不影响通讯协议功能实现的前提下，本文将不具体讨论物理层服务。
三、DLMS链路层协议
物理层之上即为链路层，链路层是物理层与应用层通信的通道。
DLMS链路层使用的是HDLC高速链路控制协议。
链路层的构成：
链路层由两个子层构成，即LLC子层，和MAC子层。
（一）、LLC子层（逻辑链路控制子层）
这一层的功能是将MAC子层的数据转发到应用层，或将应用层的数据转发到MAC子层。
LLC子层只是作转发而不对数据做出处理。
其存在的重要性在于向应用层提供链路传输的服务（从链路层接收或发送数据）。
具体到数据通讯时，对于client端应用层发送的数据，要加上LLC帧头（0xe6,0xe6,0x00）,server端应用层发送的数据，要加上LLC帧头（0xe6,0xe7,0x00）。
由于LLC子层链路传输服务的具体实现，可以不受DLMS协议的限制，由应用程序实现。
故本文不具体说明LLC子层的各种服务。
（二）、MAC子层（媒体访问控制子层）
MAC子层在链路层中负责数据传输的可靠性，包括地址检查，数据的CRC校验，长数据帧的打包拆包等。
这些工作对于数据通讯都是必不可少的，MAC子层功能的说明将是以下的重点。
1HDLC帧格式
（1）不包含应用层数据信息
0x7e
帧类型与帧长
目的地址域
源地址域
控制域
数据帧校验
0x7e
两个0x7e是HDLC数据帧固定的帧头与帧尾，两个0x7e之间是链用户数据。
（2）包含应用层数据信息
0x7e
帧类型与帧长
目的地址域
源地址域
控制域
帧头校验
LLC帧头
用户数据信息
数据帧校验
0x7e
与不包含应用层数据信息的数据帧相比这里多了3项：
帧头校验：
为增强通讯的可靠性，对帧头的数据也加上CRC校验。
帧头包括如下字段：
帧类型与帧长、目的地址域、源地址域、和控制域
LLC帧头：
用户数据信息前要加0xe6,0xe6,0x00或0xe6,0xe7,0x00。
用户数据信息：
应用层处理的数据。
注：
出于数据完整性的考虑，用户数据信息的最大长度，默认为128字节。
如果想要更多的字节，可以在SNRM数据帧中协议。
2帧类型字段与‘S’位
帧类型与帧长字段，共两个字节。
内容如下：
FrameType：
用于指出当前数据帧的类型。
HDLC有多种数据帧类型，DLMS使用FrameType3。
FrameType恒为A（1010）。
S：
（segmentationBit）这个字段只有一位，它用于说明数据帧是否被分割。
在长数据帧传输时要使用到这一位。
长数据帧的传输将在后面解释。
FrameLengthSub－field：
这个字段用于说明当前数据帧的长度，（以字节为单位，不包括两个0x7e）
3地址解析
地址域分为两部分。
目的地址域和源地址域。
对于client端，目的地址为server的地址，源地址为client的地址。
对于server端正好相反。
（1）扩展编址技术
HDLC使用扩展编址技术，即某一个地址字节的最低位如为0，则表明该地址域没有结束，仍有后续字节是该地址域的一部分。
若某一地址字节最低位为1，则说明该地址域已经结束，没有后续字节。
（2）地址结构
Client端的地址永远是一个字节，由于扩展编址技术的使用，最低位置1，所以client端的地址只能有128个。
Server端为了实现一个物理地址对应多个逻辑地址，将地址分成了两部分upperHDLCAddress用于表述逻辑地址，lowerHDLCaddress用于表述物理地址。
Upperaddress总是应当有的，loweraddress在确认不需要的情况下，可以不出现。
（sl7000电表这两部分地址都是需要的）。
Server端的地址在使用扩展编址技术时，也并非是可以无限长（虽然在理论上可以，但在实践上是有上限的）。
Server端的地址结构可以使用如下方式：
Onebyte:
onlytheupperHDLCaddressispresent.
一字节：
只出现HDLC高位一字节地址。
两字节：
只出现HDLC高位一字节地址，和HDLC低位一字节地址。
四字节：
只出现HDLC高位两字节地址，和HDLC低位两字节地址
对于SL7000电表，经测试只有四字节sever地址结构可用。
（3）特殊地址
有一些地址被HDLC定为保留地址。
这其中比较重要的是广播地址。
对于SL7000电能表，实践中可行的地址结构是client端一字节，server端4字节。
对于DLMS协议族是可以使用上述地址结构中的任一种，并且支持特殊地址。
4帧控制字
帧控制字字段主要负责，通讯中的帧计数，以及特殊数据帧的标识。
帧控制字字段结构如下：
对应项的解释如下：
RRR：
为接收帧计数。
SSS：
为发送帧计数。
注：
对帧计数的解释，
在链路层连接建立之后，第一次请求数据时（在client端，包括发送AARQ）RRR置为0，SSS置为0。
Server端收到这一帧数据后，返回数据响应RRR为1，SSS为0。
Client再次请求数据时RRR加1，SSS加1。
Server端收到这一帧数据后，返回数据响应RRR加1（成为2），SSS加1。
如此反复直到client得到所有的数据为止。
整个数据传输过程以I数据帧请求和响应。
这里要说明的是在请求数据结束后还要再发送RR帧，收到确认后。
才可以再发送DISC帧结束链路。
其中Client端的RR帧中的帧计数位RRR只需将client的帧计数位RRR加1得到。
下图描述了帧计数位的变化过程：
P/F：
poll/finalbit。
Pollbit：
由client发送，置1时表示server端回应，置0时表示不允许回应。
finalbit：
由server发送，置1时表示一次数据帧的发送结束，置0时表示还未发送完。
finalbit只有在通讯窗口（windowsize）大于1的情况下才有意义。
在windowsize＝1时，由server端返回的数据帧中的这一位总是置1。
（关于windowsize将会在“建立链路层连接”时解释）
几种不同的数据帧分别应用在不同的场合，下图列出了几种请求和响应的对应的情况。
I：
信息传输帧
RR：
准备接收数据帧（用来表示准备接收下一帧数据）
RNR：
接收没有准备好（receivenotready）。
相当于别的通讯协议中的忙帧。
SNRM：
设置正常相应数据帧。
用于建立链路层连接。
UA：
对SNRM和DISC的响应帧。
DISC：
结束链路帧。
DM：
对DISC的响应帧。
（Disconnectedmode）
UI：
可以用于保持链路，这个数据帧的发送，对于链路的控制没有任何影响。
FRMR：
拒绝接收帧（Framereject），由于不确定的某种原因拒绝接收到的数据帧。
5长数据帧的传输
在很多情况下，数据不能在一次请求和一次响应中，就能够结束数据传输的过程（受限于用户数据字节不超过128字节）。
这时就有必要启动长数据帧链路控制流程。
注：
请求负荷曲线时一定是使用长数据帧。
当使用长数据帧时，必须把长数据帧分割成短数据帧。
然后把这些短数据帧依次发送出去，在接收端将这些短数据帧依次处理。
这样就实现了一个较大的数据包，完整的传送到接收端。
在数据帧被分割时，帧类型与帧长字段中的‘S’位，将被置1。
当接收端检测到这一位被置位后，就知道数据帧已被分割，此时要做出对分割数据帧的相应处理。
下图介绍了长数据帧的收发过程：
client端通过发送RR数据帧来请求被分割的数据帧的其他部分。
6数据帧校验
HDLC使用16位CRC校验。
使用的多项式是：
具体的实现程序，可参照英文参考文献IEC62056－46的附录A。
（三）、链路层连接的建立，与断开
（1）建立连接
链路层在开始工作之前，要建立链路层连接（Association）。
这一步骤是通过client端发送SNRM数据帧，server端响应UA数据帧表示已建立连接，server端响应DM数据帧表示链路断开，连接没有建立。
UA数据帧常含有链路参数的配置信息。
链路参数是指2个控制数据传输的参数。
WINDOW_SIZEparameter;这个参数描述通讯时，通讯的双方一次发送数据帧的数目。
HDLC允许一次发送多帧数据。
MAXIMUM_INFORMATION_FIELD_LENGTHparameter.最大信息域长度，这个参数用于描述一个链路数据帧中用户数据的长度。
这两个参数的默认值如下
defaultWINDOW_SIZE=1;
defaultMAXIMUM_INFORMATION_FIELD_LENGTH＝128（BYTEs）
具体在数据帧中有如下4个参数：
transmitmaximuminformationfieldlength
receivemaximuminformationfieldlength
transmitwindowsize
receivewindowsize
注：
这里没有给出数据帧的具体格式，而是用举例来说明如何组帧。
这种做法可能给读者带来不便。
但在DLMS的规约原文中就是用这种办法，故这里仍这样做。
以下举例说明如何建立连接：
//SNRM
S:
7ea0210022002303930b14818012050180060180070400000001080400000007655e7e
解释：
7e
a021帧类型与帧长
00220023目的地址
03源地址
93控制字
0b14帧头校验
8180SNRM标识
12grouplenth.
05Hparameteridentifier（maximuminformationfieldlengthtransmit）
01Hparameterlength（1octet）
80Hparametervalue（128bytes）
06Hparameteridentifier（maximuminformationfieldlengthreceive）
01Hparameterlength（1octet）
80Hparametervalue（128bytes）
07Hparameteridentifier（windowsize,transmit）
04Hparameterlength（4octets）
00Hparametervalue（highbyteofvalue）
00Hparametervalue
00Hparametervalue
01Hparametervalue（lowbyteofvalue）
08Hparameteridentifier（windowsize,receive）
04Hparameterlength（4octets）
00Hparametervalue（highbyteofvalue）
00Hparametervalue
00Hparametervalue
07Hparametervalue（lowbyteofvalue）
655e数据帧校验（CRC校验）
7e
在SNRM数据帧中的用户信息可以不出现，表示client接收server端的已配置数据。
//UA
R:
7EA02103002200237328F0818012050180060180070400000001080400000001533B7E
解释：
7E//Flag
0xA021//（type=a:
frametype3,s=0:
endofframe,len=021:
33bytes）
03//sourceaddress
0022
0023//destinationaddress
73//controlUA
28F0//hcs
818012050180060180070400000001080400000001
//informationfield
//parameternegotiation
//81
//80
//12
//050180:
maximuminformationfieldlengthtransmit（128BYTEs）
//060180:
maximuminformationfieldlengthreceive（128BYTEs）
//070400000001:
windowsize,transmit
（1）
//080400000001:
windowsize,receive
（1）
533B//fcs
7E
（2）断开连接
断开连接由于不用参数设置，所以比建立连接要简单。
Client端发送DISC数据帧，Server端响应UA或DM表示断开连接。
UA表示接到DISC后断开连接。
DM表示在接到DISC之前已处于断开状态。
一下仍给出具体的通讯实例：
S:
7ea00a00220023035306c77e
解释：
7ea00a0022002303
53//帧类型Disc
06c77e
R:
7EA00A03002200231F434C7E
解释：
7EA00A0300220023
1F//帧类型DM
434C7E
（四）、关于链路层的透明数据传输
0x7e
帧类型与帧长
目的地址域
源地址域
控制域
帧头校验
LLC帧头
用户数据信息
数据帧校验
0x7e
HDLC是一种透明数据传输的链路层协议。
用户数据信息与链路层没有任何关系。
在DLMS的协议模型中，链路层负责数据传输的可靠性，应用层处理用户数据信息。
链路层为应用层数据的传输提供透明通道。
四、DLMS应用层协议
理解DLMS应用层协议，需要首先建立以下几个概念：
ASN.1语法，BER编码，AXDR编码。
ASN.1语法是用来描述应用层数据帧的。
DLMS协议不同于其他一些简单通讯协议的地方就在于此。
他不是用一些表格，及一些固定的帧格式来描述的，而是用一种抽象语法语言来描述。
这样做的好处是，极大的提高了协议的抽象性和通用性，有利于程序移植。
BER编码和AXDR编码是用来实现ASN.1语法的。
为了实现ASN.1的抽象性和通用性，这个语法要用特殊的编码来描述。
这就引入了BER编码和AXDR编码。
以下分别解释这几项。
（一）ASN.1语法
一个用ASN.1语法描述的数据帧，看上去应该是下面的样子：
Name:
:
=[tag]IMPLICIT/EXPLICITDatatype
{
null-data[0]IMPLICITNULL,
item1[1]IMPLICIT/EXPLICITDatatypeA1OPTIONAL
item2[2]IMPLICIT/EXPLICITDatatypeA2OPTIONAL
item3[3]Datatype
…
}
下面解释这个语法描述。
Name－是这个数据帧的名字。
Tag－tag包含两部分classtype和一个数字
Classtype有以下四种：
1）Universal表明name定义的数据帧在所有的DLMS应用中的含义是唯一的。
2）Application表明name定义的数据帧的含义同具体的应用有关。
3）Private表明name定义的数据帧只在某一厂家的自定义范围之内。
4）Context-specific表
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