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1、LonWorks現(xiàn)場總線,一傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡和神經(jīng)元控制網(wǎng)絡比較,,網(wǎng)絡信息流示意圖,,,,,Room Temp,Set Point,Temp,Set Point,Temp Sensor (Made in USA),Setpoint Display (Made in Canada),Boiler System (Made in Europe),Temperature Control,,LonWorks的特征和優(yōu)點,1） 支持廣泛范圍的通信介質(zhì)，包括雙絞線和電力線等。 2） 支持可靠通信，包括防范末經(jīng)授權(quán)使用系統(tǒng)。 3） 不論網(wǎng)絡規(guī)模，提供可預測的響應時間。 4） 支持混合介質(zhì)和不同通信速度構(gòu)成的網(wǎng)

2、絡。 5） 提供對節(jié)點透明的接口。 6） 支持幾個節(jié)點幾萬個節(jié)點的網(wǎng)絡。 7） 允許節(jié)點間的任意連通。 8） 允許對等通信，這樣使它可用于分布式控制系統(tǒng)中。 9） 為產(chǎn)品的互可操作性提供有效機制，使來自一個制造商的產(chǎn)品能和其他制造商的產(chǎn)品共享標準物理量的信息。 10）實施協(xié)議內(nèi)網(wǎng)絡管理問題的解決方案。,技術組成： LonWorks節(jié)點和路由器 LonTalk協(xié)議 LonWorks收發(fā)器 LonWorks網(wǎng)絡和節(jié)點開發(fā)工具,LonWorks節(jié)點,現(xiàn)場控制節(jié)點包含：應用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發(fā)器和電源。 1、以神經(jīng)元芯片為核心的控制節(jié)點 一個神經(jīng)元芯片加上收發(fā)器構(gòu)成 2、采用模塊化

3、信息處理器結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點 問題： 神經(jīng)元芯片：8位總線，最高主頻10MHz，無法完成復雜控制。 解決： 采用Host Base結(jié)構(gòu)：神經(jīng)元芯片作為協(xié)處理器，高級主機作為主處理器，用于完成復雜的測控功能。,神經(jīng)元節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖,,神經(jīng)元節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖,傳感器控制器,神經(jīng)元芯片,收發(fā)器,通訊介質(zhì),Neuron Chip MC3150,一個神經(jīng)元芯片內(nèi)置3個CPU： 介質(zhì)訪問CPU； 網(wǎng)絡通訊CPU； 用戶CPU。 三個CPU之間均以雙口RAM進行通訊,神經(jīng)元芯片,LonWorks技術的核心是神經(jīng)元芯片。 神經(jīng)元芯片包含3150和3120兩大系列。 3150支持外部存儲器，適合更為復雜的應用。 3120

4、本身帶有ROM，不支持外部存儲器。,1、內(nèi)部結(jié)構(gòu) 集成芯片中有3個8位CPU。 一個用于完成開放互連模型中第12層的功能,稱為媒體訪問控制處理器（MAC處理器）,實現(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理。 第二個用于完成第36層的功能,稱為網(wǎng)絡處理器,進行網(wǎng)絡變量處理的尋址、處理、診斷、路徑選擇、軟件計時、網(wǎng)絡管理,并負責網(wǎng)絡通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等。,第三個是應用處理器,執(zhí)行操作系統(tǒng)服務與用戶代碼，完成用戶用Neuron C語言編寫的應用程序，完成用戶的要求。 芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū),以實現(xiàn)CPU之間的信息傳遞,并作為網(wǎng)絡緩沖區(qū)和應用緩沖區(qū)。 網(wǎng)絡處理器處于中間位置，通過使用網(wǎng)絡緩沖區(qū)和MAC處理器通信，

5、使用應用緩沖區(qū)和應用處理器通信。,MC143150存儲器,512B EEPROM 存儲網(wǎng)絡配置和地址表、48位神經(jīng)元ID碼、用戶應用程序代碼及一般只讀數(shù)據(jù)。 2048B RAM 數(shù)據(jù)區(qū)、應用緩沖區(qū)和網(wǎng)絡緩沖區(qū) 64KB存儲器地址空間 6114B為系統(tǒng)內(nèi)部映射 16384B外部存儲器 存儲LON的操作系統(tǒng) 剩余空間 用戶自定義,I/O功能,在控制單元中需要采集和控制功能,為此,神經(jīng)元芯片特設置11個I/O口。這些I/O口可根據(jù)需求不同來靈活配置與外圍設備的接口,如RS232、并口、定時/計數(shù)、間隔處理、位I/O等。 神經(jīng)元芯片還有一個時間計數(shù)器,從而能完成Watchdog、多任務調(diào)度和定時功能。

6、神經(jīng)元芯片支持節(jié)電方式,在節(jié)電方式下系統(tǒng)時鐘和計數(shù)器關閉,但狀態(tài)信息(包括RAM中的信息) 不會改變。一旦I/O狀態(tài)變化或網(wǎng)線上信息有變,系統(tǒng)便會激活。,其內(nèi)部還有一個最高1.25M bps、獨立于介質(zhì)的收發(fā)器。由此可見,一個小小的神經(jīng)元芯片不僅具有強大的通信功能, 更集采集、控制于一體。在理想情況下,一個神經(jīng)元芯片加上幾個分離元件便可成為DCS系統(tǒng)中一個獨立的控制單元。 神經(jīng)元和其他設備的互連是通過它的11個I/O口來實現(xiàn)的，這些引腳可以根據(jù)不同外圍設備I/O的要求，靈活配置輸入輸出方式。,芯片引腳圖,定時/計數(shù)器,神經(jīng)元芯片帶有兩個片內(nèi)定時/計數(shù)器。 定時/計數(shù)器1為多路選擇定時/計數(shù)器，

7、它通過多路選擇開關從IO4IO7中任選一個作為輸入，輸出連至IO0。 定時/計數(shù)器2為專用定時/計數(shù)器，輸入是IO4，輸出是IO1。 每個定時/計數(shù)器包括：16位裝入寄存器、16位計數(shù)器、16位鎖存器。,通信,LON總線特點：支持多種通信介質(zhì)，視現(xiàn)場環(huán)境選擇收發(fā)器和介質(zhì)。,1、雙絞線收發(fā)器 直接驅(qū)動：使用神經(jīng)元芯片的通信端口作為收發(fā)器 保護：電阻（限制電流）、瞬態(tài)電壓抑制器（靜電敏感度） 支持通信速率1.25Mbit/s 64節(jié)點/通道 30m EIA485：電氣接口。比直接驅(qū)動好 通信速率39kbit/s 32節(jié)點/通道 660m 所有節(jié)點使用共同的電壓（共地） 變壓器耦合：高性能、高共模隔

8、離、噪聲隔離 FTT-10自由拓撲收發(fā)器：支持沒有極性、自由拓撲的互連方式。方便現(xiàn)場網(wǎng)絡布線。 注意：總線拓撲節(jié)點和總線的距離不能超過1m。,2、電源線收發(fā)器 電源線：通信線和電源線共用一對雙絞線。 意義：（1）經(jīng)濟適用（所有節(jié)點均由一個DC48V中央電源供電） （2）共用可節(jié)約一對雙絞線。 直流供電，可以和變壓器耦合的雙絞線直接互連。 3、電力線收發(fā)器 將通信數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號或擴頻信號，然后通過耦合器耦合到220V或其他交直流電力線上，甚至是沒有電力的雙絞線。 優(yōu)勢：利用已有的電力線進行數(shù)據(jù)通信，減少了繁瑣布線。,4、其他介質(zhì)收發(fā)器 （1）無線收發(fā)器 （2）光纖收發(fā)器 5、路由器 連接兩個

9、通信通道之間的LonTalk信息。 通道：因物理原因?qū)⒕W(wǎng)絡分割成能獨立發(fā)送報文無需轉(zhuǎn)發(fā)的一段介質(zhì)。 用途： 擴展通道的容量 連接不同的通信介質(zhì)或波特率 提高LON總線可靠性 全面提高網(wǎng)絡性能,RTR-10模塊：適于嵌入原始設備制造商產(chǎn)品。一個RTR-10路由器加上兩個收發(fā)器模塊即可組成一個常規(guī)路由器。 路由算法：4種 配置型路由器 智能路由器，根據(jù)目標 學習型路由器 地址有選擇的轉(zhuǎn)發(fā)報文 橋接器：轉(zhuǎn)發(fā)所有符合它的域的報文 中繼器：發(fā)送所有報文,,通信協(xié)議LonTalk,協(xié)議數(shù)據(jù)單元： MPDU（MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元） 幀 LPDU（ 鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元） 幀 NPDU（ 網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)

10、單元） 報文 TPDU（ 傳輸層協(xié)議數(shù)據(jù)單元） 消息應答 SPDU（會話層協(xié)議數(shù)據(jù)單元） 請求/響應 NMPDU（ 網(wǎng)絡管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元） DPDU（網(wǎng)絡檢測協(xié)議數(shù)據(jù)單元） APDU（ 應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）,LonTalk是LonWorks的通信協(xié)議,固化在神經(jīng)元芯片內(nèi)。LonTalk局部操作網(wǎng)協(xié)議是為LonWorks中通信所設的框架,支持ISO組織制定的OSI參考模型的7層協(xié)議,并可使簡短的控制信息在各種介質(zhì)中非?？煽康貍鬏敗?LonTalk協(xié)議是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡協(xié)議,具體實現(xiàn)即采用網(wǎng)絡變量的形式。通過網(wǎng)絡變量的互相連接即可實現(xiàn)節(jié)點之間的通信。又由于硬件芯片的支持,使它實現(xiàn)了實時性和接

11、口的直觀、簡潔等現(xiàn)場總線的應用要求。,1、物理層 支持多種通信協(xié)議，為適應不同的通信介質(zhì)而支持不同的數(shù)據(jù)解碼和編碼。 支持在通信介質(zhì)上的硬件碰撞檢測，可以自動將正在發(fā)送碰撞的報文取消，重新再發(fā)。 2、網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡地址可以有以下三層結(jié)構(gòu)： 第一層結(jié)構(gòu)是域。域的結(jié)構(gòu)可以保證在不同的域中通信彼此獨立。例如,不同的應用節(jié)點共存在同一通信介質(zhì)中(如無線電),不同的域的區(qū)分可以保證它們的應用完全獨立,不會彼此干擾。,第二層結(jié)構(gòu)是子網(wǎng)。每個域最多有255個子網(wǎng)，一個子網(wǎng)可以是一個或多個通道的邏輯分組，有一種子網(wǎng)層的智能路由器產(chǎn)品可以實現(xiàn)子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)交換。 第三層結(jié)構(gòu)是節(jié)點。每個子網(wǎng)最多有127個節(jié)點,所以一

12、個域最多有255127=32385個節(jié)點。任一節(jié)點可以分屬一個或兩個域，容許一個節(jié)點作為兩個域之間的網(wǎng)關，也容許一個節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)分別發(fā)向兩個不同的域。 節(jié)點也可以被分組，一個分組在一個域中跨越幾個子網(wǎng)或通道。在一個域中最多有256 個分組，每個分組對需應答服務最多有64個節(jié)點，而無應答服務的節(jié)點個數(shù)不限。一個節(jié)點可以分屬15個分組去接收數(shù)據(jù)。分組結(jié)構(gòu)可以使一個報文同時被多個節(jié)點接收。,另外，每個神經(jīng)元芯片有一個獨一無二的48位ID地址。這個地址由廠方規(guī)定，一般只在網(wǎng)絡安裝和配置時使用，可以作為產(chǎn)品的序列號。 通道并不影響網(wǎng)絡的地址結(jié)構(gòu)，域、子網(wǎng)和分組都可以跨越多個通道，一個網(wǎng)絡可以由一個

13、或多個通道組成。,數(shù)據(jù)鏈路層,介質(zhì)訪問控制(MAC)子層是OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層的一部分。目前在不同的網(wǎng)絡中存在多種介質(zhì)訪問控制協(xié)議，其中之一就是大家熟悉的CSMA(載波信號多路偵聽)。LonTalk的 MAC是該協(xié)議的一種改進。 LonTalk協(xié)議使用一個改進的CSMA介質(zhì)訪問控制協(xié)議，稱為預測的P-堅持CSMA。LonTalk協(xié)議在保留CSMA協(xié)議優(yōu)點的同時，注意克服它在控制中的不足。在預測的P-堅持CSMA中，所有LonWorks節(jié)點等待隨機時間片間隔訪問介質(zhì)， 這就避免了網(wǎng)絡的頻繁碰撞。,在LonWorks中，每個節(jié)點發(fā)送前隨機插入0W個很小的隨機時間片。在空閑網(wǎng)絡中，每個節(jié)點發(fā)送

14、前平均插入W/2個隨機時間片。WBLWbase，Wbase16，BL為網(wǎng)絡積壓的估計值，是對當前發(fā)送周期有多少個節(jié)點需要發(fā)送報文的估計。取值范圍為163。 發(fā)送原理： 檢測（Beta1）空閑隨機等待T （Beta2中的任意一個）延時結(jié)束仍空發(fā)送報文 忙接收信息重復算法,,每一個節(jié)點都有一個BL值，檢測有或發(fā)送一個MPDU時，BL1，隔一個固定報文周期，BL1 。 保持BL1 LonTalk協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡積壓動態(tài)地調(diào)整介質(zhì)訪問，允許網(wǎng)絡在輕負載情況下用較短的時間片，節(jié)點發(fā)送速度快；而在重負載情況下用較長的響應時間片（插入的隨機時間片較多），能有效避免碰撞。 綜上所述,Lon的M

15、AC子層具有以下優(yōu)點：支持多介質(zhì)的通信，支持低速率的網(wǎng)絡，可在重負載情況下保持網(wǎng)絡性能，支持大型網(wǎng)絡。,優(yōu)先級 在LonWorks網(wǎng)絡中,為提高緊急事件的響應時間,提供了一個可選擇的優(yōu)先級機制。該機制允許用戶為每個需要優(yōu)先級的節(jié)點分配一個特定的優(yōu)先級時間片,并保證有且只有一個節(jié)點擁有這樣的優(yōu)先級時間片。在發(fā)送過程中,優(yōu)先級數(shù)據(jù)報將在該時間片內(nèi)把數(shù)據(jù)報發(fā)送出去。優(yōu)先級時間片為0127,0是不需等待立即發(fā)送,1是等待1個時間片,2是等待2個時間片 ,依此類推。低優(yōu)先級的節(jié)點需等待較多的時間片,而高優(yōu)先級的節(jié)點需等待較少的時間片 ,這個時間片加在P-概率時間片之前。非優(yōu)先級的節(jié)點必須等待優(yōu)先級時間片

16、都完成后, 再等待P-概率時間片后發(fā)送。因此,加入優(yōu)先級的節(jié)點總比非優(yōu)先級的節(jié)點有更快的響應時間。,LonTalk的鏈路層,LonTalk協(xié)議的鏈路層提供在子網(wǎng)內(nèi)，LPDU幀順序的無響應傳輸。 只提供檢錯，不提供錯誤恢復，出錯幀直接丟掉。 直接互連模式下：曼徹斯特編碼 專用模式下：不同的電氣接口采用不同的編碼方案,LonTalk的網(wǎng)絡層 提供一個簡單的通信接口 尋址、路由 LonTalk的傳輸、會話層 核心 傳輸層：報文執(zhí)行順序、二次檢測 無連接 點對點（一對一、一對多） 信息認證 會話層：請求/響應機制 遙控實現(xiàn)遠端節(jié)點的過程建立,LonTalk的表示、應用層,5類服務： 網(wǎng)絡變量服務 輸出

17、變量改變APDU下傳發(fā)送輸入節(jié)點接收判斷、激活 顯示報文服務 報文組織APDU下傳發(fā)送結(jié)果上傳、激活接收信息判斷是否顯示、激活,網(wǎng)絡管理服務 地址分配 節(jié)點查詢 節(jié)點測試 設置配置路由器的配置表 網(wǎng)絡跟蹤服務 信息初始化跟蹤操作記錄錯誤 外來幀傳輸服務 針對網(wǎng)關 信息轉(zhuǎn)換（保證識別）,LonTalk的報文服務,應答方式或端對端的應答服務：當一個節(jié)點發(fā)送報文到另一個節(jié)點或分組時，每個接收到報文的節(jié)點都分別向發(fā)送方應答。如果發(fā)送方在應答時間內(nèi)沒有收到全部應答，則重新發(fā)送該報文。重發(fā)次數(shù)和應答時間都是可選的。報文應答服務由網(wǎng)絡處理器完成，不必由應用程序來干預。報文ID號確保節(jié)點不會收到重復的報文。,

18、請求/響應方式：當一個節(jié)點發(fā)送報文到另一個節(jié)點或分組時，每個接收到報文的節(jié)點都分別向發(fā)送方響應。如果發(fā)送方在響應時間內(nèi)沒有收到全部響應，則重新發(fā)送該報文。重發(fā)次數(shù)和響應時間都是可選的。報文響應服務可以包含數(shù)據(jù)，是由應用處理器完成的，適合遠程過程調(diào)用和客戶/服務器的應用。 非應答重發(fā)方式：當一個節(jié)點發(fā)送報文到另一個節(jié)點或分組時，不需每個接收到報文的節(jié)點向發(fā)送方應答或響應，而是重復多次發(fā)送同一報文，使報文盡量可靠地被接收方收到。這種方式適于節(jié)點較多的分組的廣播發(fā)送，從而避免因節(jié)點響應而使網(wǎng)絡過載。,非應答方式：當一個節(jié)點發(fā)送報文到另一個節(jié)點或分組時，不需每個接收到報文的節(jié)點向發(fā)送方應答或響應，也不

19、必重復多次發(fā)送同一報文，只發(fā)一次即可。這種方式適合對可靠性要求不高，但報文長度較長、需要速度較高的報文。 LonTalk網(wǎng)絡認證 LonTalk支持報文認證。收發(fā)雙方在網(wǎng)絡安裝時約定一個6字節(jié)的認證字，接收方在接收時判斷報文是否經(jīng)過發(fā)送方認證，只有經(jīng)過發(fā)送方認證的報文方可接收。,Neuron C語言,擴展功能：定時器、網(wǎng)絡變量、顯示報文、多任務調(diào)度、 EEPROM變量 等,Neuron C 是一種編程語言，它以ANSI C為基礎，專門為神經(jīng)元芯片而設計，同時加入通信、事件調(diào)度、分布數(shù)據(jù)對象和IO功能，是編寫神經(jīng)元芯片程序的最為重要的工具。,支持的數(shù)據(jù)類型： char、short、int、l

20、ong、Boolean 支持ANSI C: typedefs、enums、arrays、pointers、 structs、unions,不支持浮點運算、文件I/O,Neuron C 擴展功能,,定時器 調(diào)度程序 網(wǎng)絡變量 顯示報文,在一個程序中，最多可以定義15個軟件定時器對象，在網(wǎng)絡處理器運行。,Neuron C 任務調(diào)度是事件驅(qū)動，可以定義優(yōu)先級，但任務調(diào)度是非實時的。,顯示報文是一個結(jié)構(gòu)變量，分為輸出顯示報文、輸入顯示報文、響應輸出報文、 響應輸入報文。,整型、字符型或結(jié)構(gòu)等類型。網(wǎng)絡變量可以與一個或多個其他節(jié)點的網(wǎng)絡變量互連。,網(wǎng)絡變量 NV,,NV連接通過網(wǎng)絡管理工具，節(jié)點地址表和NV配置表在EEPROM中； 一個節(jié)點最多可以定義62個NV，長度不能超過31字節(jié)。,,節(jié)點數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡變量NV共享；,NV傳送通過LonTalk協(xié)議進行，用戶可以不關心網(wǎng)絡操作；,應用舉例,,