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LonWorks在家庭智能控制网络中的应用摘要：在智能建筑中，家庭智能控制网络作为其最基本的组成部分，直接影响着智能建筑的人性化及智能化程度。RS485、以太网、无线网及LonWorks总线均可用于家庭智能控制网络，但相比之下，基于LonWorks总线[1]的家庭智能控制网络更具有优势，因此本文主要就LonWorks在家庭智能控制网络中的应用展开了简单的设计。家庭智能控制网络的核心是家庭控制器和接口模块，对于家庭控制器的设计，又分为Lon控制模块和采集模块两个模块，并分别就这两个模块做了简单的介绍和设计，其中Lon控制模块设计的核心芯片是神经元芯片3150和主处理器。最后用拓扑图的形式展现了家庭智能控制网络的总体结构，从而完成了基本设计要求。关键词：LonWorks总线智能控制网络神经元芯片LonWorksapplicationinfamilyintelligentcontrolnetworkAbstract:inintelligentbuilding,familyintelligentcontrolnetworkaspartofitsmostbasic,directlyaffectsthehumanizationoftheintelligentbuildingandintelligentlevel.RS485,Ethernet,wirelessnetworksandLonWorksfieldbusintelligentcontrolnetworkcanbeusedinthefamily,butincontrast,familyintelligentcontrolbasedonLonWorksfieldbusnetworkhasmoreadvantages,sothispapermainlyLonWorksapplicationinfamilyintelligentcontrolnetworkisasimpledesign.Familyintelligentcontrolnetworkisthecoreofthecontrollerandtheinterfacemodule,thedesignofthecontrollerforthefamily,isdividedintoLoncontrolmoduleandacquisitionmoduletwomodules,andthenthetwomodulesrespectivelymadesimpleintroductionanddesign,themoduledesignofLoncontrolcorechipistheneuronchip3150andthemainprocessor.Finallyintheformofadiagramshowsthegeneralstructureofthefamilyintelligentcontrolnetwork,thuscompletedthebasicdesignrequirements.Keywords:LonWorksfieldbusintelligentcontrolnetworkneuronchip.随着网络经济、家电的智能化以及CPU的发展，家庭网络日益受到人们的关注。伴随着智能建筑的逐渐普及，为了追求更加智能化的居住环境，人们对家庭智能控制网络[2]的需求也逐渐增强，同时LonWorks总线的日趋成熟也为家庭智能控制网络的发展提供了极大地契机。LonWorks是由美国Echelon公司研制，于1990年正式公布的现场总线网络。LonWorks技术的核心是具有3位CPU的神经元芯片（NeuronChip），同时具备通信与控制功能，并且固化了LonTalk协议，以及34种常见的I/O控制对象。它采用ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用面向对象的设计方法，LonWorks技术将其称为“网络变量”，使网络通信的设置简化成参数设置。这样，不仅节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。其最高通信速率为1.25Mbit/s，最远通信距离为2700m，节点总数可达32000个。与RS-485相比，LonWorks技术是一套完整的智能控制网络技术，Echelon公司以及全球OEM厂商提供了基于LonWorks的一系列产品及完整的解决方案。国际LonMark协会制定的可互操作设计规范为不同的厂商产品互操作奠定了基础。而RS-485则是物理电器接口标准，不是实际意义上的网络。基于RS-485的厂商可个自定义自己的通信协议和数据格式，不同厂商的产品不通过网关[3]基本上不能共存在同一网络中。并且经比较RS-485在通讯速率、传输速率、网络结构、网络容量、通信可靠性等方面均略逊色于LonWorks总线。因此本文不同于传统家庭智能控制网络的设计方式，基于LonWorks总线对家庭智能控制网络进行了简单的设计。1.LonWorks控制网络的组成基于LonWorks技术的现场控制系统由LonWorks节点、路由器、LonTalk协议、LonWorks收发器和LonWorks网络管理5个部分构成。1.1LonWorks节点节点被称为智能设备，它物理节点的抽象，应用设备节点、路由器、网络接口卡都是节点。LonWorks节点可采用一神经元芯片为核心的方式，即神经元芯片加上收发器构成一个现场控制节点。。由于神经元芯片的功能有限，对于节点的设计也可以采用神经元芯片加主处理器的方式，把神经元芯片作为通信协议处理器，用高性能的主处理器完成较为复杂的测控功能。LonWorks节点的设计根据其难易程度分为两类：单处理器的智能节点和双处理器的智能节点。其中，单处理器的智能节点是以神经元芯片为核心，其结构如图1所示。神经元芯片不仅要实现节点与网络的通信，而且通过其将I/O口直接连接到传感器/执行器上，实现端口数据的实时采集、监视和控制，主要应用于较为简单的节点，如自动抄表、安防报警的等。而双处理器的智能节点是将神经元芯片作为通信协处理器，而复杂的测控功能则有更高级的主处理器来完成，其结构图如图2所示，主要用于功能较为复杂的节点，如键盘及显示控制节点、电话及语音控制节点等。EPROM神经元芯片传感器执行器收发器晶振图1单处理器的智能节点结构图EPROM神经元芯片晶振收发器接口电路高级处理器图2双处理器的智能节点结构图1.2路由器路由器是LonWorks技术的一个主要组成部分，用来连接不同通信介质的LonWorks网络。路由器通常有两个互联的神经元芯片，每个神经元芯片配有一个适用于本侧信道的收发器，路由器就连接在这两个信道上。路由器对网络的逻辑操作是完全透明的，但他们并不一定传输所有的包，智能路由器能够阻止没有远地地址的包穿越路由器。LonWorks支持的路由器有四种，即中继器、网桥、学习路由器和配置路由器，后两者属于智能路由器。Lonworks还支持名为LonWorks/IP的路由器，利用该路由器，LonWorks系统可以通过广域网（如Internet）大幅度地扩展其工作范围。路由器除连接不同媒介的LonWorks网络外，还能控制网络交通，增加信息通量和网络速度。1.3LonTalk协议LonWorks称为LonTalk协议[4]和ANSI／EIA709．1控制网络标准，是Lonworks系统的灵魂，它固化于神经元芯片中，是直接面向对象的网络协议。该协议提供一系列通信服务，使得一个设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其它设备功能的情况下发送和接收网络上其它设备的报文。LonTalk协议能提供端到报文确认，报文认证、打包业务和优先传送服务，提供网络管理服务的支持，并允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。LonTalk协议是一个分层的、基于数据包的对等通信协议，是一个公认的标准并遵循OSI模型分层规则。为了确保满足控制网络的可靠和鲁棒的通信标准，LonTalk协议为控制应用提供了一个高可靠、高性能、高抗干扰性强的通信机制。其各层的功能如表1所示：层次OSI层次服务Lon提供的服务处理器7应用层网络应用标准网络的类型应用CPU6表示层数据表示网络变量，外部帧传输网络处理器5会话层远程遥控请求/应答，认证，网络管理网络处理器4传输层端对端可靠传输应答、非应答。点对点及双重查网络处理器3网络层传输分组地址，路由网络处理器链路链路帧结构2层层帧结构，数据解码，CRC错误检查MAC处理器MAC子层介质访问1物理层电路连接介质，电器接口MAC处理器表1LonTalk协议的各层功能1.4LonWorks收发器神经元芯片通过收发器与网络交换信息[5]，各种不同的收发器支持不同的通信媒体。常见的收发器有：双绞线收发器、电力收发器、无线射频收发器和光缆收发器。双绞线收发器与神经元芯片的接口有三种类型：直接驱动、EIA-485和变压器耦合，其中比较长见的接口是采用变压器耦合的FFT-10A收发器。FFT-10A收发器支持没有极性、自由拓扑（包括总线型、星形、环形、复合型）的互联方式。在传统的控制系统中，一般采用总线拓扑，通过带屏蔽的双绞线互联在一起。根据EIA—485标准，所有设备必须通过双绞线互联在一起，以防止线路反射，保证可靠通信，FFT-10A收发器很好到解决了这一限制。FFT-10A的具体引脚定义如表2所示：名称管脚序号功能Vcc15vDC输入NET-A2网络端口，连接双绞线，无极性NET-B3网络端口，连接双绞线，无极性RxD4神经元芯片CP0TxD5神经元芯片CP1CLK6收发器的时钟输入端，连接Neuron芯片的CLK2T17ESD和瞬态保护GND8接地T29ESD和瞬态保护表2FFT-10A引脚定义2.利用LonWorks网络构建家庭控制装置家庭控制网络的核心部分是家庭控制器和接口模块，家庭控制器用来管理与监控接在接口模块终端下各种设备的信息传送，实现与外部信息网络的连接。接口模块则是用来实现家庭网络与终端之间的配接，各种设备通过接口模块与家庭总线相连接，并在家庭控制器的管理下构成家庭总线网络，从而实现家庭内、外的信息传送及管理。对于家庭控制装置可分为两个设计部分，即Lon控制模块和采集模块。2.1Lon控制模块控制装置以Lon控制模块为核心，通过对采集电路所采集的各种信号加以作用，完成装置的各种功能，其中Lon控制模块主要包括神经元芯片、存储器、晶振和收发器。2.1.1神经元芯片的选择常用的神经元芯片主要有Neuron3120xx和Neuron3150，这两种芯片在功能上大体相同。120芯片内含有2k存储器，多用于功能较少而且不需要扩展存储器的硬件构造中；而3150芯片内部具有0.5kEEROM、2kRAM存储器，可以外扩存储器来存储信息，从而用于更复杂的应用系统的开发。因此在此次设计中选择功能更加强大的Neuron3150芯片。Neuron3150芯片外部存储器接口引脚如下表3所示：引脚名方向功能A0~A15输出地址线D0~D7输入/输出数据线~E输出使能时钟R/-W输出读/~写选择表3Neuron3150芯片外部存储器接口引脚2.1.2通信适配端口Neuron3150芯片的通信口可与多种传输媒介接口（即网络收发器）相连接，以实现较宽的传输速率。同时，各种不同类型的网络收发器的配置，也为选择不同的通信媒介提供了条件。在本设计中选用的是FTT-10型收发器，利用双绞线实现与家用电脑以及整个小区网络管理的信息传递。FFT-10型收发器采用变压器隔离，可以实现高隔离、高抗扰，对于控制网络的稳定性有了极其可靠的保证。其传输距离可达2700m、传输速率达78kbit/s,可满足装置与上位机的信息传递要求。Neuron3150芯片的通信端口可以配置成三种工作方式，分别是：单端工作方式、差分工作方式、专用工作方式。不同的工作方式所对应的引脚定义不同，具体工作方式的选择如下表4所示：引脚单端工作方式差分工作方式专用工作方式CP0数据入+数据入Rx入CP1数据出-数据入Tx出CP2发送使能+数据出比特钟输出CP3休眠输出-数据出休眠输出CP4冲突检测输