LonWorks现场总线

LonWorks现场总线一．传统控制网络和神经元控制网络比较•网络信息流示意图•主从式无主从（对等神经元结构）23RoomTempSetPointTempSetPointTempSensor(MadeinUSA)SetpointDisplay(MadeinCanada)BoilerSystem(MadeinEurope)TemperatureControlLonWorks的特征和优点•1）支持广泛范围的通信介质，包括双绞线和电力线等。•2）支持可靠通信，包括防范末经授权使用系统。•3）不论网络规模，提供可预测的响应时间。•4）支持混合介质和不同通信速度构成的网络。•5）提供对节点透明的接口。•6）支持几个节点——几万个节点的网络。•7）允许节点间的任意连通。•8）允许对等通信，这样使它可用于分布式控制系统中。•9）为产品的互可操作性提供有效机制，使来自一个制造商的产品能和其他制造商的产品共享标准物理量的信息。•10）实施协议内网络管理问题的解决方案。•技术组成：•LonWorks节点和路由器•LonTalk协议•LonWorks收发器•LonWorks网络和节点开发工具LonWorks节点•现场控制节点包含：应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源。•1、以神经元芯片为核心的控制节点•一个神经元芯片加上收发器构成•2、采用模块化信息处理器结构的控制节点•问题：•神经元芯片：8位总线，最高主频10MHz，无法完成复杂控制。•解决：•采用HostBase结构：神经元芯片作为协处理器，高级主机作为主处理器，用于完成复杂的测控功能。神经元节点结构框图•神经元节点结构框图传感器控制器神经元芯片收发器通讯介质NeuronChipMC3150•一个神经元芯片内置3个CPU：–介质访问CPU；–网络通讯CPU；–用户CPU。•三个CPU之间均以双口RAM进行通讯神经元芯片•LonWorks技术的核心是神经元芯片。•神经元芯片包含3150和3120两大系列。•3150支持外部存储器，适合更为复杂的应用。•3120本身带有ROM，不支持外部存储器。•1、内部结构•集成芯片中有3个8位CPU。•一个用于完成开放互连模型中第1～2层的功能,称为媒体访问控制处理器（MAC处理器）,实现介质访问的控制与处理。•第二个用于完成第3～6层的功能,称为网络处理器,进行网络变量处理的寻址、处理、诊断、路径选择、软件计时、网络管理,并负责网络通信控制、收发数据包等。•第三个是应用处理器,执行操作系统服务与用户代码，完成用户用NeuronC语言编写的应用程序，完成用户的要求。•芯片中还具有存储信息缓冲区,以实现CPU之间的信息传递,并作为网络缓冲区和应用缓冲区。•网络处理器处于中间位置，通过使用网络缓冲区和MAC处理器通信，使用应用缓冲区和应用处理器通信。MC143150存储器•512BEEPROM存储网络配置和地址表、48位神经元ID码、用户应用程序代码及一般只读数据。•2048BRAM数据区、应用缓冲区和网络缓冲区•64KB存储器地址空间6114B为系统内部映射•16384B外部存储器存储LON的操作系统•剩余空间用户自定义I/O功能•在控制单元中需要采集和控制功能,为此,神经元芯片特设置11个I/O口。这些I/O口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口,如RS232、并口、定时/计数、间隔处理、位I/O等。•神经元芯片还有一个时间计数器,从而能完成Watchdog、多任务调度和定时功能。神经元芯片支持节电方式,在节电方式下系统时钟和计数器关闭,但状态信息(包括RAM中的信息)不会改变。一旦I/O状态变化或网线上信息有变,系统便会激活。•其内部还有一个最高1.25Mbps、独立于介质的收发器。由此可见,一个小小的神经元芯片不仅具有强大的通信功能,更集采集、控制于一体。在理想情况下,一个神经元芯片加上几个分离元件便可成为DCS系统中一个独立的控制单元。•神经元和其他设备的互连是通过它的11个I/O口来实现的，这些引脚可以根据不同外围设备I/O的要求，灵活配置输入输出方式。芯片引脚图NC1IO02IO13IO24IO35~RESET6VDD7VSS8VSS9IO410IO511IO612IO713IO814IO915IO1016~SERVICE17NC18VSS19VDD20VSS21VDD22CLK223CLK124VSS25VDD26NC27CP028CP129CP230CP331CP432D733D634D535D436D337D238VSS39VDD40VDD41D142D043VDD44R/~W45~E46A1547NC48NC49A1450A1351A1252A1153A1054A955A856A757A658A559A460A361A262A163A064U0TMPN3150B1AFA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15D0D1D2D3D4D5D6D7~ER/~WRESET-IO0^IO1^IO2^IO3^WDI^7219LOAD1^DO^CP0CP1CP2CP3CP4VCCGNDR1274R2100KC133PFC233PFJZ10MHZGND-SERVICECLK^7219LOAD2^CSIC^DI^CLK1CLK2定时/计数器•神经元芯片带有两个片内定时/计数器。•定时/计数器1为多路选择定时/计数器，它通过多路选择开关从IO4－IO7中任选一个作为输入，输出连至IO0。•定时/计数器2为专用定时/计数器，输入是IO4，输出是IO1。•每个定时/计数器包括：16位装入寄存器、16位计数器、16位锁存器。通信•LON总线特点：支持多种通信介质，视现场环境选择收发器和介质。•1、双绞线收发器•直接驱动：使用神经元芯片的通信端口作为收发器保护：电阻（限制电流）、瞬态电压抑制器（静电敏感度）•支持通信速率1.25Mbit/s64节点/通道30m•EIA－485：电气接口。比直接驱动好•通信速率39kbit/s32节点/通道660m•所有节点使用共同的电压（共地）•变压器耦合：高性能、高共模隔离、噪声隔离•FTT-10自由拓扑收发器：支持没有极性、自由拓扑的互连方式。方便现场网络布线。•注意：总线拓扑节点和总线的距离不能超过1m。•2、电源线收发器•电源线：通信线和电源线共用一对双绞线。•意义：（1）经济适用（所有节点均由一个DC48V中央电源供电）•（2）共用可节约一对双绞线。•直流供电，可以和变压器耦合的双绞线直接互连。•3、电力线收发器•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或其他交直流电力线上，甚至是没有电力的双绞线。•优势：利用已有的电力线进行数据通信，减少了繁琐布线。•4、其他介质收发器•（1）无线收发器•（2）光纤收发器•5、路由器•连接两个通信通道之间的LonTalk信息。•通道：因物理原因将网络分割成能独立发送报文无需转发的一段介质。•用途：•－扩展通道的容量•－连接不同的通信介质或波特率•－提高LON总线可靠性•－全面提高网络性能•RTR-10模块：适于嵌入原始设备制造商产品。一个RTR-10路由器加上两个收发器模块即可组成一个常规路由器。•路由算法：4种•－配置型路由器智能路由器，根据目标•－学习型路由器地址有选择的转发报文•－桥接器：转发所有符合它的域的报文•－中继器：发送所有报文通信协议LonTalk•协议数据单元：•MPDU（MAC层协议数据单元）帧•LPDU（链路层协议数据单元）帧•NPDU（网络层协议数据单元）报文•TPDU（传输层协议数据单元）消息应答•SPDU（会话层协议数据单元）请求/响应•NMPDU（网络管理协议数据单元）•DPDU（网络检测协议数据单元）•APDU（应用层协议数据单元）•LonTalk是LonWorks的通信协议,固化在神经元芯片内。LonTalk局部操作网协议是为LonWorks中通信所设的框架,支持ISO组织制定的OSI参考模型的7层协议,并可使简短的控制信息在各种介质中非常可靠地传输。•LonTalk协议是直接面向对象的网络协议,具体实现即采用网络变量的形式。通过网络变量的互相连接即可实现节点之间的通信。又由于硬件芯片的支持,使它实现了实时性和接口的直观、简洁等现场总线的应用要求。•1、物理层•支持多种通信协议，为适应不同的通信介质而支持不同的数据解码和编码。•支持在通信介质上的硬件碰撞检测，可以自动将正在发送碰撞的报文取消，重新再发。•2、网络层•网络地址可以有以下三层结构：•第一层结构是域。域的结构可以保证在不同的域中通信彼此独立。例如,不同的应用节点共存在同一通信介质中(如无线电),不同的域的区分可以保证它们的应用完全独立,不会彼此干扰。•第二层结构是子网。每个域最多有255个子网，一个子网可以是一个或多个通道的逻辑分组，有一种子网层的智能路由器产品可以实现子网间的数据交换。•第三层结构是节点。每个子网最多有127个节点,所以一个域最多有255×127=32385个节点。任一节点可以分属一个或两个域，容许一个节点作为两个域之间的网关，也容许一个节点将采集到的数据分别发向两个不同的域。•节点也可以被分组，一个分组在一个域中跨越几个子网或通道。在一个域中最多有256个分组，每个分组对需应答服务最多有64个节点，而无应答服务的节点个数不限。一个节点可以分属15个分组去接收数据。分组结构可以使一个报文同时被多个节点接收。•另外，每个神经元芯片有一个独一无二的48位ID地址。这个地址由厂方规定，一般只在网络安装和配置时使用，可以作为产品的序列号。•通道并不影响网络的地址结构，域、子网和分组都可以跨越多个通道，一个网络可以由一个或多个通道组成。数据链路层•介质访问控制(MAC)子层是OSI参考模型的数据链路层的一部分。目前在不同的网络中存在多种介质访问控制协议，其中之一就是大家熟悉的CSMA(载波信号多路侦听)。LonTalk的MAC是该协议的一种改进。•LonTalk协议使用一个改进的CSMA介质访问控制协议，称为预测的P-坚持CSMA。LonTalk协议在保留CSMA协议优点的同时，注意克服它在控制中的不足。在预测的P-坚持CSMA中，所有LonWorks节点等待随机时间片间隔访问介质，这就避免了网络的频繁碰撞。•在LonWorks中，每个节点发送前随机插入0～W个很小的随机时间片。在空闲网络中，每个节点发送前平均插入W/2个随机时间片。W＝BLWbase，Wbase＝16，BL为网络积压的估计值，是对当前发送周期有多少个节点需要发送报文的估计。取值范围为1～63。•发送原理：•检测（Beta1）→空闲→随机等待T（Beta2中的任意一个）→延时结束仍空→发送报文•忙→接收信息→重复算法•每一个节点都有一个BL值，检测有或发送一个MPDU时，BL＋1，隔一个固定报文周期，BL－1。保持BL≧1•LonTalk协议根据网络积压动态地调整介质访问，允许网络在轻负载情况下用较短的时间片，节点发送速度快；而在重负载情况下用较长的响应时间片（插入的随机时间片较多），能有效避免碰撞。•综上所述,Lon的MAC子层具有以下优点：支持多介质的通信，支持低速率的网络，可在重负载情况下保持网络性能，支持大型网络。•优先级•在LonWorks网络中,为提高紧急事件的响应时间,提供了一个可选择的优先级机制。该机制允许用户为每个需要优先级的节点分配一个特定的优先级时间片,并保证有且只有一个节点拥有这样的优先级时间片。在发送过程中,优先级数据报将在该时间片内把数据报发送出去。优先级时间片为0～127,0是不需等待立即发送,1是等待1个时间片,2是等待2个时间片,依此类推。低优先级的节点需等待较多的时间片,而高优先级的节点需等待较少的时间片,这个时间片加在P-概率时间片之前。非优先级的节点必须等待优先级时间片都完成后,再等待P-概率时间片后发送。因此,加入优先级的节点总比非优先级的节点有更快的响应时间。LonTalk的链路层•Lo