LONWORKS总线技术的应用

LONWORKS总线技术的应用摘要在现代住宅小区内、智能通信接口中、智能传感器等方面，LONWORKS神经元片具有独特的优势。文章主要介绍了LONWORKS总线应用于现代住宅小区内智能节点和其它节点的情况。1前言随着计算机技术、通讯技术、自动化控制技术及大规模器件技术的发展，加速了计算机数据网的发展，同时也产生了计算机控制网络。现场总线综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，其数据通信具有较高的可靠性、实时性和灵活性。在现场总线控制网络中，系统的各种设备通过多个节点连接到一根公共总线上，使得各个节点之间可以实现点对点的对等通讯和系统中信息资源的共享，同时也大大减少了系统中的连接线。LONWORKS现场总线是美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的局部操作网络，它具有统一性、开放性、互操作性及支持多种通信介质等优良性能，是当今最流行的现场总线之一。现代住宅小区，就是给传统住宅小区加上“灵敏”的神经系统和“聪明”的头脑，以提高人们的居住质量，给住户带来多元化信息和安全、舒适、便利的生活环境。现代住宅小区首先必须具备一套先进的楼宇设备控制系统，以营造一种温馨、回归大自然的生活环境；其次必须具备一套结构化布线系统，将整座大楼或整个小区的数据通信、语音通信、多媒体通信融为一体；第三必须具备一个现代化的通讯系统，以满足现代信息社会高效率的工作需求；最后必须具备一个对整个小区内的强电设备和弱电系统进行统一监视和管理的系统集成平台，为住户提供良好的物业管理和一流服务。现代住宅小区是一个国家的综合国力和科技水平的具体体现之一，目前世界各国都在加大力度发展现代住宅小区，中国也把现代住宅小区的建设纳入了重要的议程。有关权威专家认为，随着网络技术、视频技术、通信技术等新技术的发展，使未来现代住宅小区正朝着集约化、系统化、标准化的方向发展，绿色、环保、节能是现代住宅小区发展的主流方向，另外，在现代住宅小区的建设中，应避免重技术、轻管理，重硬轻软的情况，才能创造出以人为中心的数字化的高效家居及办公环境。现场总线是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。目前，在现代住宅小区中广泛应用两类现场总线，即LONWORKS总线和ＣＡＮ总线。它们主要用于现代住宅小区智能节点和建筑内其它节点。而ＬＯＮ（ＬｏｃａｌＯｐｅｒａｔｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋｓ）总线是美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的局部操作网络，它为集散式监控系统提供了较强的实现手段。为了实现ＬＯＮ总线，Ｅｃｈｌｅｌｏｎ公司开发出LONWORKS技术，用来为ＬＯＮ总线设计和成品化提供一套完整的开发平台。虽然LONWORKS总线被称为LONWORKS技术更准确一些，但考虑到与人们对LONWORKS称呼的习惯性与其它现场总线称呼的一致性，一般不再区分LONWORKS技术与LONWORKS总线。2LONWORKS总线技术LONWORKS采用开放式ＩＯＳ/ＯＳＩ模型的全部七层通讯协议结构，被誉为通用控制网络，各层功能如表１所示。LONWORKS核心技术主要有LONWORKS节点、路由器、ＬｏｎＴａｌｋ协议、LONWORKS收发器、LONWORKS网络和节点开发器等。2.1节点、路由器神经元芯片一个典型的现场控制节点主要包括应用ＣＰＵ、Ｉ/Ｏ处理单元、通信处理器、收发器和电源等几部分功能模块。LONWORKS智能节点主要分为两种类型：以神经元芯片为核心的控制节点和采用ＭＩＰ（ＭｏｄｕｌａｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）结构的控制节点。前者充分利用了神经元芯片自身的强大功能，增加部分收发器便构成了一个典型的现场控制节点。神经元节点的结构包括电源、晶振、神经元芯片（３１５０/３１２０）、Ｉ/Ｏ调理、收发器、１６Ｋ～５８ＫＲＯＭ（３１５０）、执行器、传感器等。然而神经元芯片毕竟是８位总线ＣＰＵ，功能有限，对于复杂控制需求显得“力不从心”。采用ＨｏｓｅＢａｓｅ结构就很好地解决了这一问题，将神经元芯片作为通信协议处理器，可用高性能主机实现复杂测控功能，其典型结构ＨｏｓｅＢａｓｅ节点包括主处理器、收发器、Ｅｐｒｏｍ、神经元芯片、复位电路等。路由器是LONWORKS技术的重要组成部分，它使LONWORKS总线突破了传统现场总线的限制，其通信不受通信介质、通信距离和通信速率的限制。在LONWORKS技术中，路由器包括中继器和桥接器等。LONWORKS技术的核心是神经元芯片，它主要包括ＭＣ１４３１５０和ＭＣ１４３１２０两大系列，ＭＣ１４３１５０系列支持外部存储器，适合更为复杂的应用；ＭＣ１４３１２０则不支持外部存储器，它本身带有Ｒｏｍ。神经元芯片的结构包括ＭＡＣＣＰＵ（系统复位和节点服务）、网络ＣＰＵ、应用ＣＰＵ、ＥＥＰＲＯＭ（５１２Ｂ×３、２ＫＢ×４）、外部存储器（３１５０）、Ｉ/Ｏ（包含１６位寄存器、脉冲计数器、２０ｍＡ环电流等）、网络网络通信口和８位数据线等。几种常用神经元芯片型号的比较如表２所示。2.2通信协议LONWORKS技术采用ＩｘｍＴａｌｋ通信协议，该协议为七层协议，通过网络变量直接面向对象通信。该协议具有发送的报文都是很短的数据（一般是几个字节到几十个字节）、通信带宽不高（一般从几KB/ｓ到２ＭB/ｓ）、网络上各节点往往是低成本低维护的单片机、多节点、多介质、可靠性高、实时性高等特点。ＬｏｎＴａｌｋ协议的网络地址采用三层结构，域（Ｄｏｍａｉｎ）、子网（Ｓｕｂｎｅｔ）和节点（Ｎｏｄｅ）。域为第一层结构，它保证在域中通信的彼此独立性。子网为网络地址结构的第二层，每一个域最多有２５５个子网，一个子网可以是一个或多个通道的逻辑分组。节点是网络地址的第三个子网最多可以有１２７个节点，所以一个域最多有２５５×１２７＝３２３８５个节点。2.3收发器LONWORKS技术的一个重要特征是它支持多种介质通信。根据通信介质的不同，LONWORKS技术可分为双绞线收发器、电源线收发器、电力线收发器等多种总线收发器。除上述收发器外，LONWORKS技术中还广泛采用无线收发器、光纤收发器等，以满足特殊情况的需要。双绞线是使用最为广泛的一种介质，用于双绞线介质的收发器主要有直接驱动收发器、ＥＩＡ－４８５收发器、变压器耦合驱动等三种。直接驱动是使用神经元芯片的通信端口作为收发同时加入电阻和瞬态抑制器作为电流限制和ＥＳＤ这种方式适合于网络上所有节点在同一个大型设备中，使用同一个电源。直接驱动收发器支持的最大通信速率为２５ＭB/ｓ，该速率下一条通道最多能达６４个节点，距离长达３０ｍ。ＥＩＡ－４８５接口是现场总线中常用的电气接口，LONWORKS同样支持该电气接口。使用ＥＩＡ－４８５共模电压比直接驱动效果好，但不如变压器耦合驱动。ＬONＭARK建议使用ＥＩＡ－４８５的通信速率是３９KB/ｓ。变压器耦合驱动可满足系统的高性能、高共模隔离要求，并具有噪声隔离的作用。因此，目前相当多的网络收发器采用变压器耦合的方式。电源线是指通信线和电源线缆共用一对双绞线。使用电源线的意义在于所有节点通过一个４８Ｖ直流中央电源供电，这对于一些电力资源匮乏的地区具有非常重要的意义。同时通信线和电源线缆共用一对双绞线，可以节约一对双绞线，也便于系统的安装和维护。由于电源线收发器采用的是直流供电，可以和变压器耦合的双绞线直接连接。电力线收发器是将通信数据调制成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到２２０Ｖ或其它交直流电力线上，或是没有电力的双绞线。这种方式减少了施工布线等建设费用，是一种将神经元节点加入到电力线中简单、有效的方法。当然，该方法也会遇到电力线通信的普遍问题，如电力线间歇性噪声大等问题，需要采用一定的技术加以解决。2.4开发工具和网络管理工具LONWORKS技术包含了一系列开发工具，可使节点开发和系统联网开发快速有效，主要有节点开发工具ＮｏｄｅＢｕｉｌｄｅｒ、节点和网络安装工具ＬｏｎＢｕｉｌｄｅｒ、网络管理工具ＬｏｎＭａｎａｇｅ和ＬＮＳ技术。节点开发工具ＮｏｄｅＢｕｉｌｄｅｒ，它只能完成节点开发的功能，不具备网络的功能，它只有一个在线仿真器。节点和网络安装工具ＬｏｎＢｕｉｌｄｅｒ，ＮｏｄｅＢｔｌｉｌｄｅｒ是LONWORKS技术中最主要的一个开发工具，它包括节点开发器（用于ＮｅｌｉｒｏｎＣ语言编程开发和网络通信仿真等）、网络管理器（用于现场总线网络的逻辑地址分配与连接、子网和网络通道定义、路由器安装、优先级设定等网络安装、维护工作）、协议分析器和报文统计器（用于截获网络上所有节点的通信报文，分析当前网络报文流量等网络状态信息）、例子程序和开发板（提供练习的开发板、应用模块和演示程序）等几个部分。网络管理工具ＬｏｎＭａｎａｇｅ，ＬｏｎＭａｎ．ａｇｅ主要由一系列的软件开发包和接口、卡组成，它包括ＬｏｎＭａｎａｇｅＤＤＥ、ＬｏｎＭａｎａｇｅＰｒｏｆｉｌｅ、ＬｏｎＭａｋｅｒ和ＬｏｎＭａｌｎａｇｅｒ协议分析等。ＬＮＳ（LONWORKSＮｅｔｗｏｒｋＳｅｒｖｉｃｅ）是Ｅｃｈｅｌｏｎ公司最近新开发的LONWORKS总线开发工具，它为用户提供了一个强大的客户/服务器网络构架，是未来LONWORKS总线的可互操作性基础。使用ＬＮＳ提供的网络服务，可以保证从不同网络服务器上提供的网络管理工具一起执行网络安装、网络维护和网络监测。客户可以同时申请这些服务器所提供的网络服务。LONWORKS技术需要用网络管理工具实现其网络安装、网络维护和网络监控等功能。其中，网络安装主要用于网络建设初期网络地址的动态分配，通过网络变量和显示报表进行设备间的通信。网络维护是指在系统运行过程中对设备增加或删除的管理与实现，通过数据库修改网络信息即可实现设备的增减，而不必修改网络上的其它设备。网络监控为用户提供了一个系统级的检测和控制服务，用户可以在网络上以远程方式监控整个系统。3LONWORKS现场总线控制系统的特点由于网络的大小可以是2~３２３８５个设备，并且可以适用于任何场合。现代住宅小区采用LONWORKS现场总线后，可用于单位管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。3.1具有经济性和全开放性传统的４～２０ｍＡ电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息；即一对Ｎ结构，一对传输线，连接Ｎ台仪表双向传输多个信号，节省电缆费用可观，且安装简单，维护容易。传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在LONWORKS现场总线系统中多台现场设备可串联在一条总线上，这样就只需极少的线进入中央控制室，节省了大量布线费用，同时也降低了现代住宅小区中央控制室的造价。由于LONWORKS现场总路线的互换性和互操作性，打破了传统ＤＣＳ自成体系，互相封锁的局面。１９９９年底现场总线协议已被ＩＥＣ批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为一种开放的技术。现场总线为开放互链网络，所有技术和标准全是公共的，制造商只能在其体系结构、工艺等方面保留特色，而最终也需在质量上取胜。现场总线标准保证不同厂家的产品可以互相操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，避免了在传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。3.2各种设备运行稳定可靠具有智能化与自诊断性现代住宅小区内现代数字信号传输技术抗干扰能力强、精度高，操作员在控制室既可了解现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整。现代住宅小区LONWORKS现场总线仪表具备智能和综合能力，可检测、变换、补偿，又有控制和运算功能。现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了现代住宅小区整个控制系统的可靠性和容错能力。目前，LONWORKS技术和产品已被广泛应用于现代住宅小区内的智能通信接口、智能传感器等方面，LONWORKS神经元片具有独特的优势。参考文