现场总线(第2讲) LonWorks技术与Neuron芯片

华东理工大学自动化系现场总线控制系统第2讲LonWorks技术与Neuron芯片信息学院自动化系凌志浩华东理工大学自动化系本讲内容提要1LonWorks技术概述2神经元芯片硬件结构（1）Neuron芯片内部结构及管脚配置（2）主要性能特点（3）存储器（4）附加功能3控制网络组成华东理工大学自动化系LonWorks技术概述（1）是通用测控总线网（2）同时应用在SensorBus、DeviceBus、FieldBus等任何一层总线中。（3）ISO的OSI七层协议上实现。（4）神经元芯片（Neuron)和LonTalk协议是LonWorks技术的核心。（5）LON网中可有3~30000个节点或更多。华东理工大学自动化系SensorBusDeviceBusFieldBus逻辑控制过程控制控制类型设备类型简单设备bit中级设备Byte复杂设备Frame华东理工大学自动化系三个层次的现场总线示例Sesorbus(Bit-level)Devicebus(Byte-level)Fieldbus(Block-level)CACAIEC/SP50SeriplexDeviceetFieldbusFoudationASIProfibusDPProfibusPALonWorksLonWorksLonWorksFIPIOWorldFIPSDSIterbusS华东理工大学自动化系典型LonWorks节点基本组成传感器和控制设备收发器I/O口网络通信端口Neuron芯片电源网络晶振华东理工大学自动化系LonTalk协议智能控制器（节点）传感器执行器显示操作接口节点LONLON网采用分布式控制技术华东理工大学自动化系开放式控制网络华东理工大学自动化系1LonWorks技术概述1.1Neuron芯片（1）Echelon公司设计了Neuron芯片。（2）Neuron芯片其实是一种嵌入式系统。（3）Neuron芯片魄力：完整性（内置通讯协议与处理器）（4）提供最初的6个协议层，只有应用层的编程和配置需要给定，简化了开发。（5）Cypress、Motorola、Toshiba都生产Neruon芯片，价格很低。华东理工大学自动化系1.2LonTalk协议LonTalk协议遵循ISO定义(OSI)模型，并提供了OSI所定义的全部7层服务。它的特点：(1)支持双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质。（2）可以运行在任何主处理器(HostProcessor)上（3）LonTalk协议使用网络变量与其它节点通信。网络变量可以是任何单个数据项也可以是结构体。（4）LonTalk协议支持总线型、星型、自由拓朴等多种拓朴结构类型。（5）LonTalk寻址体系（分级：域、子网、节点）华东理工大学自动化系OSI层目的提供的服务7应用层应用兼容性LonMark对象，配置特性标准网络变量类型，文件传输6表示层数据翻译网络变量，应用消息，外来帧传输5会话层远程操作请求／响应，鉴别，网络管理，网络接口4传输层端端的可靠传输应答消息，非应答消息，双重检查，通用排序3网络层传输分组点对点寻址，多点之间广播式寻址，路由消息2链路层LLC子层帧结构帧结构，数据解码，CRC错误检查MAC子层介质访问P-坚持CSMA，冲突避免，优先级，冲突检测1物理层电气连接介质，电气接口。与介质有关的接口和调制方案（双绞线、电力线、无线射频、同轴电缆、红外线、光缆等）华东理工大学自动化系LonTalk寻址体系域子网1子网255……….节点1节点2….节点127节点1节点2….节点127三层：域、子网、节点华东理工大学自动化系网络地址可以有3层结构：域（Domain）、子网（Subnet）和节点（Node）第1层结构是域。域是一个或多个信道上节点的逻辑集合，通信只能在配置为相同域的节点之间进行，因此一个域便形成一个虚拟网络。第2层结构是子网。每一个域最多有255个子网。一个子网是一个域内节点的逻辑集合。一个子网最多可以包括127个节点。第3层结构是节点。子网内每一个节点被赋予一个在该子网内惟一的节点号。该节点号为7位，因此，一个域内最多可有：255×127=32385个节点。华东理工大学自动化系1.3LonWorks产品（1）收发器每一个网络设备都有一个收发器。收发器在一个LonWorks设备与LonWorks网络之间提供了一个物理通讯接口。不同通信媒介之间用路由器相连。华东理工大学自动化系收发器类型收发器类型数据速率EIA-232型39kbps自由或总线拓扑的双绞线型78kbps带变压器的双绞线型78kbps带变压器的双绞线型1.25Mbps电力线型2kbps电力线型5kbps电力线型10kbps射频型300MHz1.2kbps射频型300MHz4.8kbps射频型300MHz9.6kbps红外型78kbps光纤型1.25Mbps同轴电缆型1.25kbps华东理工大学自动化系（2）LonWorks设备组成华东理工大学自动化系（3）路由器LonWorks是唯一支持多种传输介质的系统，它允许开发者选择那些最能满足他们的要求的传输介质和通讯方法。（介质转换）路由器是一个特殊的节点，由两个Neuron芯片组成，用来连接不同通讯媒介的LON网络。路由器能够控制网络流量，增加网络的吞吐量和网络速度。（交通控制）华东理工大学自动化系（4）开发工具LonBuilder和NodeBuilder用于开发基于Neuron芯片的应用。具有高度可配置性，是开发和调试应用程序、安装和配置节点以及分析网络通讯的集成工具。开发工具通常包括一个可以在多个设备上开发及调试程序的环境，一个安装和配置这些设备的网络管理器，以及一个协议分析器用来检查网络流量以保证有足够的网络容量，同时也包括检查错误。华东理工大学自动化系（5）网络接口、WEB服务器（1）独立的PC机：PCLTA-20PCLonTalk适配器，是一个封装在标准的PC机PCI适配卡上的网络接口设备。通过它可以使用网络工具，如LonMaker工具。（2）笔记本电脑：PCC10PC卡提供了一个简洁的PCMCIAPC卡式的网络接口（3）Echelon公司的SLTA-10系列LonTalk适配器可与一个调制解调器相连以实现拨号上网。（4）i.LONTM1000IP服务器支持同Internet、Intranet，或VPN的远程连接。华东理工大学自动化系用Web浏览器访Lon网LON收发器LON网Http服务器IPWeb服务器i.Lon100Echelon公司通过与CiscoSystems公司、Microsoft公司和SunMicrosystems公司等合作，开发出i.Lon100。它既是路由器，又是符合工业标准的Web网络服务器。i.Lon100将LonWorks收发的数据进行IP数据包处理后，利用IP网络传输。通过i.Lon100，可更方便地将LonWorks和Internet连接起来，使用户能够在Internet上访问到LonWorks控制网上的设备。由于Echelon公司推出了i.Lon100，使得LonWorks现场总线技术的应用领域也越来越广。华东理工大学自动化系提供LonWorks信道与IP信道的连接，实现远程组网配置，远程监控。LNSInterneti.Lon100PC-B远程监控端PC-A本地组网监控端LonWorks节点华东理工大学自动化系（6）网络工具网络工具用于设计、安装、配置、诊断、维护以及监控LON网。LON节点的寻址、构造、连接的建立可在安装阶段完成。这是由固化在Neuron芯片里的网络管理服务的集合来支持的。全部或部分的网络安装可能在生产的最初就开始了，也有可能要在现场进行。无论安装工作是在生产的开始还是在现场，系统都需要修改错误节点或重构网络。华东理工大学自动化系2神经元芯片硬件结构2.1Neuron芯片内部结构及管脚配置Neuron芯片在一个芯片上集成了多个处理器，并有RAM、ROM、通讯和输入输出设备。在只读存储器里储存了操作系统、LonTalk协议以及输入输出工作方式库。这一芯片对于从LonWorks网络上下载的应用程序和配置数据来说是一个不可变的存储器。每一个Neuron芯片都被赋予了一个独一无二的48位代码，称作NeuronID。华东理工大学自动化系华东理工大学自动化系2.1.1Neuron芯片内部结构Neuron芯片包括3个8位的CPU。华东理工大学自动化系CPU-1:是媒体访问CPU，主要处理LonTalk7层协议栈中第一和第二层。包括驱动通信子系统硬件以及执行MAC算法。CPU-1和CPU-2通过共享内存中网络缓冲区通信。CPU-2:网络处理CPU，实现LonTalk协议栈的3-6层。处理网络变量、寻址、事务处理、权限认证、背景诊断、软件定时器和网络管理。CPU-2用网络缓冲区和CPU-1通信，CPU-2用应用缓冲区和CPU3通信。华东理工大学自动化系CPU-3:是应用CPU。它运行用户编写的代码和应用代码调用的操作系统命令。编程语言是NeuronC。（1）每个CPU有各自的寄存器设置，但它们可共享数据、ALU的地址以及存储区访问电路。（2）三个CPU的最小周期分别间隔一个系统周期，以便在每个最小周期，各个CPU可以访问存储器和ALU各一次。（3）系统对三个CPU采用了管道技术，在不影响性能的情况下，大大减少了硬件的需求。三个CPU可并行工作，而不会造成耗时的中断和上下文交换。华东理工大学自动化系2.1.2管脚配置Neuron芯片家族中的成员是Neuron3120和3150芯片。3120芯片中包括E2PROM、ROM、RAM存储器，3150中无内部ROM，但拥有访问外部存储器的接口，寻址空间可达64KB，可用于开发更为复杂的应用系统。华东理工大学自动化系3120芯片引脚华东理工大学自动化系3150芯片引脚华东理工大学自动化系Neuron芯片比较华东理工大学自动化系华东理工大学自动化系芯片引脚华东理工大学自动化系芯片引脚华东理工大学自动化系（1）高度集成，所需外部器件较少（2）三个8位CPU,输入时钟范围:625kHz~10MHz（3）11条可编程I/O引脚（有34种工作方式）（4）两个16位的定时器/计数器、15个软定时器（5）网络通信端口:工作方式单端、差分和专用（6）固件包括：LonTalk协议、I/O驱动程序、事件驱动多任务调度程序（7）服务引脚：用于远程识别和诊断（8）每个Neuron芯片有唯一的48位的内部ID号。（9）内置低压保护以加强对片内E2PROM的保护。（10）通讯速率：610b/s----1.25Mb/s2.2主要性能特点华东理工大学自动化系2.3存储器2.3.1E2PROM内部E2PROM包括：（1）网络配置和地址信息（2）独一无二的48位NeuronID（3）用户写的应用代码和大部分的只读数据3120其内部E2PROM也存由LonBuilder或NodeBuilder开发工具产生的应用程序。3150应用代码可写在片内E2PORM中或片外扩展存储器中，或两者兼而有之。华东理工大学自动化系E2PROM包含固定数量的系统开销，用来存放网络映象（配置信息）、用户代码和用户数据。E2PROM华东理工大学自动化系2.3.2RAM3120和3120E1包含1K片内RAM，3150和3120E2包含2K片内RAM。RAM用来存储：（1）堆栈、应用和系统数据（2）LonTalk协议的网络和应用缓冲区即使在睡眠模式下，RAM的状态保持着。当节点复位时，RAM中的数据将被清除。华东理工大学自动化系2.3.3ROM所有3120xx芯片都包括10K字节的ROM。ROM用来存储Neuron芯片固件，包括：（1）LonTalk协议代码（2）事件驱动和任务调度（3）应用函数库华东理工大学自动化系2.3.4ExternalMemory3150片内不包括任何ROM，允许外扩58K的外接存储器。外接存储器用来存储：(1)应用程序和数据（最多42K）(2)Neuron芯片固件以及保留空间（16K）应用程序和数据可用的42K的存储空