（交通信息工程及控制专业论文）基于Lonwork技术的楼宇智能控制系统及控制算法研究.pdf

摘要 进入信息时代以来，国内外先进的楼宇智能控制系统( b a 系统) 为居民提供了安全、舒适、便捷、高效的生活环境。然而在国内外 b a 控制系统中，融入的控制技术却比较少，采用的控制算法主要是 简单的p i d 算法，p i d 参数还只是采取经验或现场调整测试的方式获 取，这些都影响了b a 控制系统的应用效果。 论文首先分别介绍了l o n w o k s 技术硬件及软件相关知识；然后， 选取楼宇智能控制系统中的子系统集中式空调系统为对象，参照控 制要求设计了d i 、d o 、a i 和a o 四种基本控制节点，对空调系统中 水阀温度控制采取动态积分分离p i d 控制算法；最后，分析了几种基 于继电反馈辨识的p i d 自整定算法，根据系统大延时特点，采用了在 继电环节后加入积分环节的继电反馈法。 通过采用动态积分分离算法，改善常规积分分离算法，提高了控 制效果，简化了参数整定工作；通过对自整定算法的m a t l a b 仿真图 的比较，说明了改进后的继电反馈算法具有较好控制效果。 关键词：l o n w o r k s 技术，楼宇智能控制系统，p i d 控制，p i d 参数 自整定 。 a b s t r a c t a d v a n c e db u i l d i n g i n t e l l i g e n t c o n t r o l s y s t e m ( b as y s t e m ) o f d o m e s t i ca n df o r e i g np r o v i d e ss a f e ，c o m f o r t a b l e ，c o n v e n i e n ta n d h i g h - e f f e c tl i v i n ge n v i r o n m e n tf o rr e s i d e n t s b u tt h eb as y s t e mj u s th a sa l i t t l eo fc o n t r o lt e c h n i q u e s i tm a i n l ya d o p t st h es i m p l ep i da l g o r i t h m w h o s ep i dp a r a m e t e rg e t sf r o mt h ee x p e r i e n c eo rf i e l d w o r k a l lo ft h e s e i n f l u e n c et h ea p p l i c a t i o ne f f e c to f b a s y s t e m t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ek n o w l e d g eo ft h el o n w o k st e c h n o l o g y a r ei n t r o d u c e da tf i r s t ；t h e nc h o o s i n gc e n t r a la u t h o r i t ya i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mw h i c hi st h es u b s y s t e mo fb u i l d i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e ma sa r e p r e s e n t a t i v es t y l e ，d i ，d o ，a ia n da o n o d ea r ed e s i g n e da c c o r d i n gt o t h er e q u e s to fc o n t r o ld e s i g n i n g a n dad y n a m i ci n t e g r a lp a r t i t i o n i n gp i d c o n t r o la l g o r i t h mi s a p p l i e dt oa d j u s tt h ew a t e rv a l v et e m p e r a t u r ei n a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ；f i n a l l y , t h ev a r i o u sp i dp a r a m e t e ra u t o t u n i n g a l g o r i t h mb a s e do nr e l a yf e e d b a c ka r ea n a l y z e d ，a n da c c o r d i n gt ot h eb i g t i m ed e l a yc h a r a c t e r i s t i co fs y s t e m ，t h ea l g o r i t h mo fr e l a yf e e d b a c ki s a d o p t e d ，w h i c hp u t st h ei n t e g r a lp a r tb e h i n dt h er e l a yf e e d b a c kp a r t t h r o u g hu s i n g t h e d y n a m i ci n t e g r a ls e p a r a t i o na l g o r i t h m ，t h e c o n v e n t i o n a li n t e g r a ls e p a r a t i o na l g o r i t h mi si m p r o v e d ，w h i c he n h a n c e s t h ec o n t r o le f f e c ta n ds i m p l i f i e st h ep a r a m e t e ra u t o t u n i n gw o r k b y c o m p a r i n gt h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t so fr e l a yf e e d b a c ka l g o r i t h m s ， t h ei m p r o v e dr e l a yf e e d b a c ka l g o r i t h mh a sag o o dc o n t r o le f f e c t k e yw o r d s ：l o n w o r k st e c h n o l o g y , b u i l d i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e m ，p i dc o n t r o l ，p i dp a r a m e t e ra u t o t t m i n g n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 猃鱼丕 f t l l ： ：塑孑 年羔月生日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩f - i 或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：丛盛导师签名望兰_ 日期：迎年月2 乡， 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 2 l 世纪是信息社会知识经济的时代，同时又是生态文明的时代。人们对各类 建筑物的使用功能要求越来越高，建筑物自动化系统越来越复杂，从总的方向看， 国际先进生产力水平正在运用已掌握的建筑智能化高新技术，探寻人类生存、生 产和生活聚居环境空间的可持续发展模式【l l 。 早在2 0 世纪5 0 年代初期，一些发达国家就在建筑物中采用电子器件组成控制 系统，各种仪表、信号灯以及操作按键通过各种线路接到分散在现场的机电设备 上，用来集中监控设备运行情况 e l ，并对各种机电系统实现手动或自动控制。到 了2 0 世纪6 0 年代末，开始出现数字式自动化系统。2 0 世纪7 0 年代，采用专用计算 机系统进行管理、控制和显示。随着微电子技术的发展，2 0 世纪8 0 年代中期开始， 采用计算机完成常规控制技术无法完成的任务，达到常规控制技术无法达到的性 能指标，实现建筑物智能化。 相比国外，中国起步迟，技术水平低。8 0 年代末9 0 年初，智能建筑的概念刚 刚进入我国，由于当时我国经济和信息网络发展水平的限制，我国建筑电气、自 动控制、计算机应用等相关专业人员对智能建筑这一概念的认识只是处于学术探 讨阶段。1 9 9 5 年中国工程建筑标准化协会颁布了“规范”。此后，综合布线在我国 的应用越来越普及，也日趋成熟。1 9 9 7 年中国工程建设标准化协会总结国内工程 经验，吸取国外先进经验，对1 9 9 5 的设计规范进行修订，并制定出了规范。从而 使我国综合布线系统的应用规范化，为建筑智能化准备了条件网。然而，1 9 9 6 年 建设部科技委智能建筑技术开发推广中心调研了近7 0 座智能大楼，清一色的从 b a 系统( 楼宇自动化系统，又称楼宇智能控制系统) 到综合布线全部使用的是 国外公司系统和产品。b a 系统设备仍很难见到国内产品，基本上是国外公司垄 断国内市场。计算机硬件、通信设备制造业的基础集成电路芯片，主要依赖进口。 系统软件、支撑软件基本上是国外产品【4 】，我国i t 产业关键部分受制于人。近 几年国内较有业绩的是l o n w o r k s 产品系列，国内各开发单位可提供几十种产品 和系统，在一些智能大楼和居民小区智能化系统中的应用取得成功，有较高的性 能价格比。 然而，在国内外这些b a 控制系统中，融入的控制技术比较少，采用的控制 算法主要是简单的p i d 算法，或干脆采用p d 算法，p i d 参数的获取还采取经验方 硕士学位论文第一章绪论 式或现场调整测试的方法，如在西门子公司的b a 控制系统i n s i g h t3 6 中就采用经 验方式获取p i d 参数，这些都极大的阻碍了b a 控制系统的应用效果。本文以 l o n w o r k s 技术为控制网络平台，以楼宇智能控制系统中的集中式空调系统为应 用对象，完成了控制智能节点硬件设计，系统控制采用了积分分离p i d 算法，并 为了改善控制效果，便于p i d 参数的自整定，对p i d 控制采用动态积分分离算法， 最后对p i d 参数整定算法进行了研究。 1 2 现场总线及l o n w o r k s 技术概述 现场总线( f i e l d b n s ) 是近些年发展起来的，用于过程自动化、制造自动化、 楼宇自动化等领域现场智能设备互连通信网络1 1 1 。它作为工厂数字通信网络的基 础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与高级控制和管理层之间的联系。 它不仅是一个基础网络，而且这是一种开放式、新型全分散控制系统。这项以智 能传感器、控制、计算机、数字通信为主要内容的综合技术，已受到世界范围的 普遍关注，并已成为自动化技术发展的热点，它将导致自动化系统结构与设备的 深刻变革。1 9 8 4 年，美国仪表协会i s a 下属工作组中的i s a s p 5 0 开始制定现场 总路线标准；1 9 8 5 年，国际电工委员会i e c 决定开始研究和制定现场总线体系 结构与标准；1 9 8 6 年，德国开始制定过现场总线p r o f i b n s 标准；1 9 9 2 年，由 s i e m e n s 、a b b 、f o x b o r o 、y o k o g a w a 等8 0 多家公司联合，成立了i s p ( i n t e r o p e r a b l e s y s t e mp r o t o c 0 1 ) 组织，着手在p r o f i b u s 的基础上制定现场总线标准；1 9 9 3 年， 以h o n e y w e l l 、b a i l c y 等公司为首，成立了w o r l df i p ( f a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o n p r o t o c 0 1 ) 组织，有1 2 0 多个公司参加该组织并以法国f i p 标准来制定现场总线标 准。此时许多大公司开始意识到，现场总线应该有一个统一的国际标准，但由于 受地域、行业、利益等因素的影响，致使现场总线的标准化工作进展缓慢。1 9 9 4 年，i s p 和w o r l df i p 北美部分合并，成立了现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n , 简称f f ) ，于1 9 9 6 年第一季度颁布了低速总线h 1 标准，h 1 标准开始步入实 用阶段，f f 现场总线仍未成为真正意义上的国际标准。与此同时，不同行业的 大公司利用本身的行业背景，推出了适合一定应用领域的现场总线，如德国 b o s c h 公司推出的c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、美国e c h e i o n 公司推出的 l o n w o r k s 等，目前世界上有4 0 多种现场总线( p a u l a , 1 9 9 7 ) 。可以预见在很长 一段时间内，4 - 2 0 m a 模拟仪表不会完全被淘汰，任何一种现场总线都不会一统 天下，从而形成多种现场总线标准并存、现场总线与传统模拟统计表并存的局面 【5 】。 2 硕士学位论文第一章绪论 l o n w o r k s 是由e c h e l o n 公司推出的一种全面的现场总线测控网络，又称作 局部操作网( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k - - l o n ) 。l o n w o r k s 技术具有完整的开发控 制网络系统的平台，包括所有设计、配置安装和维护控制网络所需的硬件和软件。 网络的基本单元是节点，一个网络节点包括神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 、电源、收 发器和用于连接监控设备接口的i o 电路。此外还包括l o n t a l k 协议，l o n w o r k s 网络和节点开发工具。 它采用了i s o o s i 模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法， 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，很容易实现网络的互操作性。其 通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 mb p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ；支持双绞线、 同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质。 l o n w o r k s 测控网络具有下列特点【6 】： 1 ) 支持完全分布式的网络系统； 2 ) 支持多种通信媒介：双绞线、同轴电缆、光缆、红外线、无线通信、电 力线载波，多种传输媒介和通信速度可在一个测控网络内共存； 3 ) l o n w o r k s 网络通过网关进入数字网络，通过开放性的a p i 后，设备上 的过程数据和状态信息可由综合信息管理系统统一管理，经过i n t e m e t 又可与远 程的节点共享； 4 ) 测控网络规模可小可大，组态灵活，少至几十个结点，大至几万个节点， 但测控网络的效果却与小容量控制网络无异，任何节点不需要主控制器或中央计 算机干预却可实现相互通信； 5 ) l o n w o r k s 技术对网络管理作了很准确的定义。它可在任何操作系统平台 上，如d o s 、w i n d o w s 、u n 等等进行操作； 6 ) 提供有效的互操作性机构，不同厂家的产品在一个测控网络上即插即用； 7 ) 可靠性高：系统建立在高可靠性的硬件平台上。前端采集系统采用 l o n w o r k s 平台，监测传感器、控制执行器，提供可靠的通信及管理网络运行服 务；系统采用路由器或网关与c d p d 网络连接，远程通信系统建立在稳定线路 上： 8 ) 实时性好：任何告警信息都能快速在各级监控中心得到反应； 9 ) 扩展性强：系统采用积木式大体系结构，硬件模块化、软件组态化，监 测设备采用国外广泛应用的产品，符合相关的国际标准，具有良好的兼容性和可 替换性，系统扩展容易； 1 0 ) 开放性：系统采用了全方位的开放性设计，可与w i n d o w sn t 、u n i x 、 n o v e ll 等网络进行互连，可在p s t n 、d d n 、i s d n 、f 洲e r e l a y 、p c m 等 远程通信线路上运行； 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 ) l o n t a l k 协议使用网络变量与其它节点通信，网络变量的概念大大简化了 复杂的分布式应用的编程，大大降低了开发人员的工作量。 1 3 楼宇控制系统及l o n w o r k s 控制系统在中国的应用现状 楼宇智能控制系统( b a 系统) 是智能建筑必须具备的条件之一，楼宇控制 系统中不仅有保证楼内设备可靠运行、最大限度降低能耗和管理成本的电力供应 与管理系统、照明控制与管理系统、环境控制与管理系统，也有确保建筑物内人 身和财产高度安全、防御灾害和突发事件的消防报警与控制系统、保安监视与控 制系统以及大楼管理服务系统。而且，新的楼宇控制系统不断出现，比如门禁系 统、停车场管理系统等，并且对各个系统之间及建筑物内外对信息传递速率和共 享程度也提出了系统集成要求。 世界上高层建筑b a s 产品从五十年代就开始采用模拟式自控，六、七十年 代改迸为数字式自动控制，八十年代采用专用微型计算机管理、监控与显示，技 术趋于成熟，取名为集散式( 即集中管理、分散控制) 自控系统，主要技术特征 是采用了d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 。它是8 位或1 6 位微处理器、运算存储 模块及输入输出模块构成的控制单元。 b a s 系统在国外开发较早，使用较广泛成熟产品有美国江森( j o n s 0 n ) 公 司的m e t a s y s 、美国霍尼威尔( h o n e y w e l l ) 公司公司生产的e x c e l 5 0 0 0 系统、 瑞士兰吉尔( l a n d i s & g y r ) 的$ 6 0 0 、西门子( s i e m e n s ) 公司的i n s i g h t 系统、 美国的s i e b e 公司的n e l w o r k 8 0 0 0 系统、a n d o v e r 公司c o n t i u m ( t m ) 系统、 瑞典t a c 公司的x c n t a t m 3 0 0 系统。近几年，国内较有业绩的是l o n w o r k s 产 品系统，国内各开发单位可提供几十种产品、系统，在一些智能楼宇和居民小区 智能化系统中的应用取得成功，有较高的性能价格比 ”。 目前世界各国约有4 5 0 0 多家公司开发了l o n w o r k s 控制产品和系统，开放 式l o n t a l k 协议被世界各国相关行业广泛采用。我国对l o n w o r k s 技术开发应用 起步比迟，经过多年努力，不断追踪最新发展，现在已初步形成适合我国国情的 产品开发应用体系，正在智能建筑和居民小区智能化市场竞争中茁壮成长。早在 1 9 9 5 年，北京建工学院、北京工业大学联合二次开发了l o n w o r k s 技术楼宇智能 化系统应用开发平台，将许多国产仪表、传感器、执行器和系统接入了l o n w o r k s 控制网络，成功实现了互操作性，并于1 9 9 6 年通过建设部科技成果鉴定。在此 基础上，智能建筑技术开发推广中心与威光公司合作开发的b a s v 2 0 0 0 新一代 楼字自控系统是早期控制网技术的中国应用的一个典型系统。1 9 9 7 1 9 9 8 年阃， 4 硕士学位论文 第一章绪论 l o n w o r k s 在全国范围很快取得了行业界的共识。近几年我国国产化l o n w o r k s 技术的开发应用迅速走向深化和全面。海湾威尔公司推出的h w b a 5 0 0 0 系统是 专门为网络集成商设计，很方便用于集成楼控中常见仪表、传感器、执行器，以 构成楼宇控制系统，其硬件和软件均为现成产品，只需根据实际应用进行相应的 配置和安装即可直接使用。在软件方面，我国自主开发的通用l o n w o r k s 系统工 具软件o n l o n 和v i s u a l l o n 软件，专门用于l o n w o r k s 节点及管理软件的开发。 o n l o n 是全世界第二个对l o n w o r k s 节点图形化编程软件，它符合i c e l l 3 1 - 3 标 准，用功能块图形编制控制程序，编译后下载到l o n w o r k s 节点上，此外还提供 n e u r o nc 编程环境，用户可以用此功能编程自己的功能块，并加到o n l o n 的功 能块库中。v i s u a l l o n 软件提供l o n w o r k s 节点的安装、节点替换、节点测试、程 序加载、网络变量绑定等网络管理功能，还提供节点的网络变量读取、修改及节 点配置参数的设定功能p j 。 1 4 主要工作及章节安排 本文的主要工作是以l o n w o r k s 技术为控制网络平台，以楼宇智能控制系统 中的集中式空调系统为应用对象，完成了控制智能节点硬件设计和软件设计，对 p i d 控制采用动态积分分离算法，最后对p i d 参数自整定算法进行研究。 本文共分共分五章，第一章主要介绍了楼宇智能控制系统及其当前应用现 状，分析了本课题的研究背景及意义。第二章主要介绍了l o n w o r k s 技术，包括 硬件结构、l o n t a l k 协议、开发工具和开发语言n e u r o nc 。第三章首先介绍了楼 宇智能控制系统的系统结构，选取集中式空调系统分析设计示例对象，简要介绍 了集中式空调系统的各大系统，设计了控制的模拟及数字的输入输出节点，用软 件实现其控制，根据p i d 控制提出了采用动态积分分离p i d 算法。第四章综述了 几种p i d 参数自整定算法，详细介绍了继电反馈灵敏度算法和基于频域的p i d 参 数自整定算法，根据被控制对象大惯性大延时特点，采用改进后的继电反馈算法 进行p i e ) 参数整定，m a t l a b 仿真结果证实了改进后的继电反馈的p i d 自整定算 法可获得很好的控制效果。第五章是总结和展望，总结了本文主要工作，对以后 工作提出了展望，分析系统仍需要改进的地方。 硕士学位论文第二章l o n w o r k s 技术 第二章l o n w o r k s 技术 l o n w o r k s 是一个开放的控制网络平台，是国际上普遍用来连接日常设备的 标准之一。该技术采用分布式的智能设备组建控制网络，同是也支持主从式网络 结构。l o n w o r k s 网络技术由l o n w o r k s 智能节点、路由器、l o n t a l k 协议和 l o n w o r k s 网络及节点开发工具几个部分组成。本章在论述分析了l o n w o r k s 网 络技术几个部分，介绍了l o n w o r k s 神经片芯片硬件结构，比较了l o n t a l k 协议 的m a c 子层中的可预测的p 坚持c s m a 与传统c s m a ，c d 的优点，最后介绍 了l o n w o r k s 网络技术开发工具和编程语言n e u r o nc 。 2 1l o n f f o r k s 硬件分析 2 1 1l o n w o r k s 神经元芯片 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片【9 j ，神经元芯片主要有m c l 4 3 1 5 0 和 m c l 4 3 1 2 0 两大系列，3 1 2 0 芯片包括e e p r o m 、r a m 、r o m 存储器，而3 1 5 0 芯片无内部r o m ，但拥有外部存储器的接口，寻址空间可达4 2 k b ，作为应用 程序存储区，利用开发工具可将应用程序代码和通信协议软固件一道写入外部存 储器中。它主要具有以下特点：集成度高，所需外围器件少，三个8 位c p u ， 输入时钟可选范围：6 2 5 k h z - 1 0 z ，3 1 5 0 芯片内带有2 k b 静态r a m 和5 1 2 字节的e e p r o m ，11 个可编程引脚，有3 4 种可选的工作方式，i o o 1 0 3 可 带2 0 m a 的电流负载，两个1 6 位可编程定时器，计数器，1 5 个软定时器，提供低 功耗的休眠工作方式；提供网络通信端口，支持单端、差分和专用方式，发送 速率的可选范围为6 1 0 b p s 1 2 5 m p s 时，峰值吞吐量是1 0 0 0 个数据包秒，可支 持吞吐量是6 0 0 个数据包秒，对差分方式和单端方式c p 4 可作为冲突检测的输 入口；固件包括：符合o s i 的7 层协议l o n t a l k 协议、f o 驱动程序和事件驱动 多任务调试程序，服务引脚用于远程识别和诊断，4 8 位的内部n e u r o ni d 用于 唯一的识别n e u r o n 芯片，内置低压保护电路以加强对片内e e p r o m 的数据保 护。 神经元芯片的结构框图如图2 1 所示。与一般微处理器不同，n e u r o n 芯片 中包含3 个c p u ，介质访问c p u ( m a c c p u ) 、网络c p u 和应用c p u 。这三 个c p u 各自分工不同，介质访问c p u 处理l o n t a l k 协议的第一和第二层，包括 6 硕士学位论文 第二章l o n w o r k s 技术 驱动通信端口的硬件和执行m a c 算法。介质访问c p u 与网络c p u 通过共享网 络缓存区进行通信，正确地对网上报文进行编码和解码；网络c p u 实现l o n t a l k 协议的第三层到第六层，这包括处理网络变量、寻址、事物处理、权限证实、背 景诊断、软件定时器、网络管理和路由等，同时它还控制网络通信端口。物理地 发送和接收数据包。网络c p u 通过网络缓存区与介质访问c p u 通信。通过应用 缓存与应用c p u 通信。应用c p u 执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作 系统命令，其中包括用户程序对操作系统的服务调用，编程语言用n e u r o nc 。 外部存储嚣 ( 仅3 1 5 0 ) m a c i 同络ll 应用 c p u ic p uic p u从mji 紫 ii2 k b l 啦地址总 8 位数据总线 时序和控制 訾憾i k 。一嚣，然嚣一， 网络通信口 ( 收发嚣) r e s e f i 乱k 1 l 1 0 ； 露面而i c l k 2 1 存储器 图2 - 1 神经元芯片结构框图 m c l 4 3 1 5 0 存储器的分配包括以下几种情况： l 、5 1 2be e p r o m 。包含网络配置和地址表，独一无二的4 8 位神经元i d 码，用户应用程序代码和一般只读的数据。 2 12 0 4 8br a m 。包含堆栈段、应用程序和系统程序的数据区，l o n t a l k 协 议应用缓冲区和网络缓冲区。 7 硕士学位论文第二章l o n w o r k s 技术 3 ) 最多6 4 k b 存储器地址空间，但处理器提供的外部存储器接口能够访问 到5 9 3 9 2b ；而剩下的6 1 1 4b 是作为系统内部映射。 4 ) 1 6 3 8 4b 的外部存储器用于存储l o n 的操作系统。 5 ) 剩下的空间可作为用户编写的应用代码，以及应用程序和需要的额外读 写数据区、应用缓冲区和网络缓冲区。 2i o 端口 在一个控制单元中需要有采集和控制的功能，为此在神经元芯片上特设置 1 1 个口，这1 1 个i 0 口可根据不同的需求进行灵活配置，便于同外围设备 进行接口，如可配置成r s 2 3 2 、并口、定时计数f o 、位f o 等。采用n e u r o n c 语言可定义一个或多个f o 对象，一个f o 可以简单地理解为一个定义的输入或 输出波形，也可看成是存放在r o m 中提供用户调用的固件例程。用户程序可通 过i o - i n 0 和i o - o u “) 来访问对象，并在程序执行期间完成输入，输出操作。 3 分频器、s e r v i c ep i n 引脚和w a t c h d o g 定时器 神经元芯片包含一个分频器，通过外部的一个输入晶振来输入时钟。神经元 正常工作频率范围为6 2 5 舷1 0 m h z ( 6 2 5 l c k 是对于低电压神经元芯片来说 的) 。 神经元芯片里有一个非常重要的服务引脚( s e r v i c ep i n ) 。在节点的配置、 安装和维护时都需要使用该引脚。电路如图2 - 2 所示。该管脚既能输入也能输出。 输出时，s e r v i c ep i n 能过一个低电平来点亮外部的l e d 。l e d 保持亮表示该节 点没有应用代码或芯片已坏；l e d 以o 5 h z 的频率闪烁表示该节点处于未配置 状态。输入时，一个逻辑电平使神经元芯片传送一个包括该节点4 8 b i t 的n e u r o n i d 网络管理信息：为完成输入输出功能，该管脚的输入输出以7 6 h z 的频率、波 形占空比是5 0 。当s e r v i c ep i n 没有连接l e d 和上拉电阻时，s e r v i c ep i n 有一 个片内可选( 通过软件设置) 的上拉以保证输入是无效的状态。 8 硕士学位论文第二章l o n w o r k s 技术 l r 图2 - 2 s e r v i c ep i n 电路 神经元芯片为防止软件失效和存储错误，每个c p u 有一个w a t c h d o g 定时 器。如果应用软件和系统没有定时刷新这些w a t c h d o g 定时器，整个神经元芯片 将自动复位，w a t c h d o g 定时器的复位周期信赖于神经元芯片输入时钟的频率。 当神经元芯片处于睡眠状态时，所有的w a t c h d o g 定时器被禁止。 4 通信端口及工作模式 神经元芯片可以支持多种传输介质。使用较多是双绞线，其次是电力线，还 有无线、红外、光纤、同轴电缆等。典型的收发裂1 川如表2 1 所示。 表2 - 1 神经元芯片的典型收发器类型及数据传输速率 收发器类型 波特率b p s收发器类型波特率b p s r s 4 8 53 0 0 1 2 5 m无线( 4 5 m h z )4 8 0 0 自由拓扑型总线型 7 8 k 1 2 5 m无线( 9 0 0 m h z )3 9 k 双绞线带变压器 电力线( 载波) 4 k 红外 7 8 k 电力线( 扩频) 1 0 k 光纤 1 2 5 m 无线( 3 0 0 m h z )1 2 0 0 同轴电缆 1 2 5 m 通信端口为适合不同的传输介质可以将5 个通信管脚( c p 0 - c p 4 ) 配置三种 不同的接口模式，以适合不同的编码方案和不同的波特率。这三种工作模式是： 单端、差分和专用模式。通信管脚的不同配置如表2 - 2 所示 9 硕士学位论文第二章l o n w o r k s 技术 表2 - 2 通信管脚的不同配王 管脚驱动电单端差分专用 b t t m a c p 0 1 4 r x 。( i n )r x + ( i n )r x ( i n ) c p i 1 4 t x ( o u t )r x - ( i n )t x ( o u t ) c p 2 4 0t x t x “o u t ) b i tc l o c k ( o u t ) e n a b l e ( o u t ) c p 3 4 0 s l e e p ( o u t )t x - ( o u t )s l e e p ( o u t ) o rw a k e u p ( i n ) c n1 4 c d e t ( i n )c d e t ( i n ) f r a m ec l o c k ( o u t ) 其中：r x 表示“接收”； t x 表示“发送”； ( 要) c d e t 表示“碰撞侦测”。 2 1 2 收发器和路由器 l o n w o r k s 的一个重要特点就是它对多种传输介质的支持，因此，l o n w o r k s 可以根据现场环境选择不同的收发器【1 1 1 和介质。常见的l o n w o r k s 收发器主要包 括双绞线收发器、电源线收发器、电力线收发器【1 2 】和无线收发器，产品性能如 表2 3 所示。 表2 - 3 常见的l o n w o r k s 收发器 收发器功能通信速率 f t t 1 0 a自由拓扑双绞线收发器 7 8 1 2 5 k b p s l p t 1 0 信号线供电双绞线收发器 7 8 1 2 5 k b p s t p t 7 8总线型双绞线收发器 7 8 1 2 5 k b p s t p t 1 2 5 0 总线型双绞线收发器 7 8 1 2 5 k b p s p l t 2 1 电力线双绞线收发器 7 8 1 2 5 k b p s p l t 2 2 电力线双绞线收发器 7 8 1 2 5 k b p s p l t 1 0 a 电力线双绞线收发器 7 8 1 2 5 k b p s p l t 3 0 电力线双绞线收发器 7 8 1 2 5 k b p s l o n w o r k s 路由器用于连接两个通道之间的l o n t a l k 信息，实现控制网络通 1 0 硕士学位论文第二章l o n w o r k s 技术 信量、划分不同网段、增大网络容量的目的。路由器是中继器、桥接器、配置型 路由器和学习型路由器的统称。路由器的用途主要包括以下几个方面： 1 ) 扩展通道容量。由于节点的收发器的负载是有限的，因此每一个通道中 的节点数和通道长度也是有限的，而使用路由器可扩展网络的容量。 2 ) 连接不同的通信介质或通信速率。例如，在网络的不同位置上综合考虑 数据传输速率和通信距离因素：用低传输速率换取长距离通信；用高速1 2 5 m b p s 双绞线作主干通道，连接几个低速7 8 1 5 k b p s 的自由拓扑和电力通道。 3 ) 提高l o n w o r k s 的可靠性。连到路由器上的两个通道在物理上是隔离的， 因而一个通道失效并不影响另一个通道的使用。 4 ) 全面提高网络性能。在系统各部分之间使用智能路由器可以避免内部报 文传输影响其它部分，从而提高了整个网络的吞吐率，同时也可以缩短通信的响 应时间。 l o n w o r k s 路由器提供四种路由算法，分别是配置型路由器、学习型路由器、 桥接器和中继器。配置型路由和学习型路由器属智能路由器，智能路由器可以根 据目标地址有选择地转发报文；桥接器转发所有符合它的地址域的报文；中继器 发送所有报文。采用软件下载的方式分别装配l o n w o r k s 四种路由器，虽然降低 了系统性能，但装配更简单明了。 2 2l o n w o r k s 协议 l o n t a l k 协议 1 3 1 是专门为l o n w o r k s 设计的协议，它发送的报文都是很短的 数据( 一般只有几个到几十个字节) ，通信带宽为几k b p s 到2 m b p s ，网络上的 节点是低成本、低维护量的单片机，并且具有多节点、多通信介质、可靠性高和 实时性高等特点1 5 】。 l o n t a l k 协议是i s o 组织制定的o s i 开放系统互连参考模型七层协议的一个 子集。它包容了l o n 总线的所有网络通信的功能，包含一个功能强大的网络操 作系统，通过所提供的网络开发工具生成固件，可使通信数据在各种介质中非常 可靠地传输。由于l o n t a l k 协议对o s i 的七层协议的支持，使l o n 总线能够直 接面向对象通信，具体实现就是采用网络变量这一形式。网络变量使节点之间的 通信实现只是通过网络变量的互相连接便可完成。l o n t a l k 协议层如表2 4 所示。 硕士学位论文第二章l o n w o r k s 技术 表2 - 4l o n t a l k 协议层 0 s i 层次标准服务l o n 提供服务 芯片中的处 理器 7 应用层网络应用标准网络变量类型应用c p u 6 表示层数据表示 网络变量，外部帧传网络c p u 送 5 会话层远程遥控动作请求响应，认证，网络c p u 网络管理 4 传送层端对端的可靠应答，非应答，点对网络c p u 传输点广播，认证等 3 网络层 传输分组 地址，路由网络c p u 链 链路帧结构帧结构，数据解码， 2 路层层c r c 错误检查m a c c p u m a c 介质访问p 预测c s m a ，碰撞 子层规避，优先级，碰撞检 测 l 物理层电路连接介质，电气接口m a c c p u 2 2 1 l o n t a i k 协议的m a c 子层与可预测的p - 坚持o s m a l o n t a l k 协议的m a c 予层是链路层的一部分，它使用o s i 各层协议的标准 接口和链路层的其他部分进行通信。l o n t a l k 协议的m a c 予层在保留传统 c s m a 特性的同时，注意克服它在控制网络中的不足，采用可预测的p 坚持 c s m a ，所有节点根据网络积压参数等待时间片来访问介质。 1 传统c s m a c d c s m a c d 要求一个节点在发送报文前，必须先侦听信道是否空闲，当信道 空闲时发送，否则延时一段时间再侦听，直至报文发送出去。c s m a 按占用信 道的方式分为3 种： 1 ) 非坚持c s m a ：一旦侦听到信道空闲，立即发送报文，否则随机等待一段 时间再侦听。 2 ) 1 坚持c s m a ：节点在发送报文之前，先侦听信道，若信道空闲，立即发 硕士学位论文第二章l o n w o r k s 技术 送，否则继续侦听，直至出现信道空闲。 3 ) p 坚持c s m a ：使用分时隙介质访问控制方法。当节点侦听到信道空闲时， 以给定的概率p 在一个随机分配的时隙发送报文，而以概率q = 1 p 把发送推迟 到下一个时间片，重新侦听信道。每一帧的发送总是在时隙开始瞬间启动，时隙 数目r i l p 。这种时隙介质访问控制方法极大地降低了产生冲突的概率。 非坚持c s m a 算法通信带宽的利用率很低，1 坚持c s m a 算法冲突概率高， p 坚持c s m a 算法的性能介于两者之间，它用于降低1 c s m a 算法的冲突率， 提高非坚持c s m a 算法的通信带宽利用率。对于p 坚持c s m a 算法，由于p 是 给定的，所以很难兼顾这两个方面。 2 可预测p 坚持c s m a l o n t a l k 协议采用可预测p 坚持c s m a ，它是对传统p 坚持c s m a 的改造， 从而使网络性能有较大的提高。 在可预测p 坚持c s m a 算法中，所有节点根据网络积压参数( b a c k l o g ) 等 待随机时间片来访问介质，这就有效的避免了网络的频繁碰撞。每一个节点发送 前随机地插入o w 个随机时间片，因此网络中任一节点在发送普通报文( 区别 于优先报文) 前平均插入w 2 个随机时间，而w 则根据网络积压参数变化进行 动态调整，w = b l * w h 。，其中w h 。= 1 6 ，b l 为网络积压的估计值，它是对当 前发送周期有多少个节点需要发送报文的估计。这样既可以减少碰撞情况，又提 高介质的带宽利用率，很好地满足在大网络系统和多介质、重负载下保持网络高 效率、可靠的通信。 当一个节点有信息需要发送而试图占用通道时，首先在周期检测通道有没有 信息发送，以确定网络空闲。随后产生一个随机等待t ，t 为啦w 时间片b e t a 2 中的一个，如图2 3 ，当延时结束时，网络仍为空闲，节点发送报文；否则节点 检测是否有信息发送，接收信息，然后重复m a c 算法。 平均等待时间 、 i 。= = = = ；，t ；2 = 一报文 fl 图2 - 3 带预测的p - c s i 姒概念示意图 1 3 硕士学位论文第二章l o n w o r k s 技术 其中：b e m l 为空闲时间，b e t a l l b i t + 物理延时+ m a c 响应时间 b e t a 2 为随机时间片，b e t a 2 2 * 物理延时+ m a c 响应时间 2 2 2 网络变量和显示报文 1 网络变量 应用程序可以定义一类特殊的静态对像类一网络变量【1 4 】( n v ，n e t w o r k v a r i a b l e ) 网络变量可以是整型、字符型或结构等类型。网络变量可以与一个 或多个其它节点的网络变量捆绑( b i n d i n g ) ，输入网络变量可以和其它节点的 多个输出网络变量捆绑，输出网络变量也可以和其它节点的多个输入变量捆绑， 但是输入与输入或输出和输出是不能捆绑的。 节点的数据可以通过网络变量进行共享，一个节点输出的网络变量更新，而 所有与之捆绑的其它节点的输入网络变量也相应地更新。网络变量的传送是通过 l o n t a l k 协议来完成，对用户来说是透明的，应用程序者不必关心网络变量传送 的目标地址、打包、报文缓冲区、请求响应重发等低层网络操作。因此网络变 量大大地简化了开发和安装分布式系统的过程。许多工具可以实现网络变量的捆 绑，如l