（控制理论与控制工程专业论文）基于msp430的lonworks通用网络智能测控节点的研发.pdf

摘要 摘要 现场总线是当今自动化领域的主导技术之一，被誉为自动化领域的计 算机局域网。l o n ( l o c a l o p e r a t i n g n e t w o r k s ) 总线是美国e c h e l o n 公司推出的 局部操作网络，为集散式监控系统提供了强有力的实现手段。为支持l o n 总线，e c h e l o n 公司开发y l o n w o r k s 技术，它为l o n 总线的设计和成品化提 供了一套完整的开发平台。 文章对现场总线的概念、发展现状、特点和优点进行了概述，并对现 场总线的发展趋势进行了展望。文章对l o n w o r k s 核心技术作了详细的介绍， 包括神经元芯片、芯片固件、收发器芯片、l o n t a l k 通信协议、n e u r o nc 语 言以及常用的l o n w o r k s 开发工具等。 文章着重设计了基于主机的智能l o n w o r k s 网络测控节点。节点的主处 理器采用了高性能的m s p 4 3 0 f 1 4 9 系列1 6 位单片机，t p f t - 1 0 闪控模块作为 高性能的l o n w o r k s 网络接口。单片机与神经元芯片之间的通信采用s c i 模 式。然后将己开发出的l o n w o r k s 网络通用节点应用于汽车发动机控制系统 中。本文设计了发动机燃油喷射系统和发动机断油控制系统的基于主机的 智能测控网络节点，对于其它节点，只要针对各自的具体测控任务，适当 设计应用程序，就可分别设计出来。 最后为了便于汽车故障的检查，采用组态王监控软件设计了故障监控 界面。在此，应用l n sd d e 服务器和组态王的d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 特性建立了组态王与l o n w o r k s 网络之问的动态数据链接。 关键词l o n w o r k s 总线技术；神经元芯片；m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机；基于主机 的节点：串行通讯；发动机控制系统 燕山大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t f i e l d b u s ，o n eo ft h el e a d i n gt c c h n o l o g i e si nt o d a y sa u t o m a t i o na r e a , i s c h a r a c t e r i z e d 蠲c o m p u t e rl o c a la r e an e t w o r ki na u t o m a t i o nf i e l d l o ni sa l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r kp u tf o r w a r db ye c h e l o nc o r p o r a t i o na n do f f e r sa p o w e r f u lm e a n sf o rd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m t os u p p o r tl o n ，e c h e l o n c o r p o r a t i o nd e v e l o p sl o n w o r k st e c h n o l o g y , w h i c hp r o v i d e s as u i to f d e v e l o p i n gp l a t f o r mf o rd e s i g n i n gl o n b u sa n d m a k i n gi ti n t op r o d u c t s t h et h e s i s g i v e s t h es u m m a r i z a t i o no ft h e c o n c e p t ，h i s t o r y a n d b a c k g r o u n d ，d e v e l o p e ds t a t u s ，c h a r a c t e r i s t i c a n dm e r i to ff i e l d b u sa n d f o r e c a s t st h ep e r s p e c t i v eo ff i e l d b u s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o r et e c h n o l o g y o fl o n w o r k si nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h en e u r o nc h i p s ，f i r m w a r eo f n e u r o nc h i p s ， t h et r a n s c e i v e rc h i p s ，l o n t a l kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，n e u r o ncl a n g u a g e ， t h ec o m m o n d e v e l o p i n gt o o l so f l o n w o r k s t h e nt h i sc h a p t e rm o s t l yd e s i g n sag e n e r a li n t e l l i g e n to b s e r v a t i o na n d c o n t r o ll o n w o r k sn e t w o r kn o d eb a s e do nh o s t t h e1 6 - b i th i i 曲p e r f o r m a n c e m s p 4 3 0 f 1 4 9m i c r o p r o c e s s o ri sa d o p t e da sh o s tp r o c e s s o r , a n dt p f t - i oi s u s e d 嬲h i g hp e r f o r m a n c el o n w o r k sn e t w o r ki n t e r f a c e t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm s p 4 3 0 f 1 4 9m i c r o p r o c e s s o ra n dn e u r o nc h i pa d o p t ss c im o d e w e a p p l yt h ea l r e a d yd e v e l o p e dg e n e r a li n t e l l i g e n to b s e r v a t i o na n dc o n t r o ln o d et o t h ea u t o m o b i l ee n g i n ec o n t r o ls y s t e m t h ep a p e ro n l yt a k e st h ee n g i n ef u e l i n j e c t i o ns y s t e ma n dn o n s u p p l yf u e lc o n t r o ls y s t e m 嬲e x a m p l e ；o t h e rn o d e s c a no n l yb ed e s i g n e db yc h a n g i n gt h ea p p l i c a t i o na c c o r d i n gt oe a c hi d i o g r a p h i c a s s i g n m e n t a tl a s t ，t of a c i l i t a t et h em a l f u n c t i o no ft h ea u t o m o b i l ee n g i n e ，w ea d o p t t h e k i n g v i e wm o n i t o r i n gs o f t w a r e t o d e s i g n t h ec o n t r o li n t e r f a c e t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nl n sd d es e r v e ra n dt h ek i n g v i e wi s 辩tu pb yd d e p r o t o c 0 1 a b s t r a e t k e y w o r d s l o n w o r k sf i e l d b u s ；n e u r o nc h i p ；m s p 4 3 0 f 1 4 9s i n g l ec h i p m i c r o - c o n t r o l l e r ；, s e r i a lc o m m t m i c a t i o n ；h o s t - b a s e dn o d e ；t h e e n g i n ec o n t r o l l i n gs y s t e m h i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于m s p 4 3 0 的l o n w o r k s 通用网络智能测控节点的研发，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注 明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果 将完全由本人承担。 作者签字铂缘 日期：硼7 年f 月留日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于m s p 4 3 0 的l o n w o r k s 通用网络智能测控节点的研发系本人 在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文 的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单 位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者繇锅呶 吼咔妒8 日 导师签名： 日期：词年j 月g 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 随着计算机网络通信技术、智能控制技术和信息技术的飞速发展，以 及人们对生活质量要求的不断提高，家用电器、生产工具及设备逐渐向网 络化和智能化的方向发展。开发通用智能网络控制节点适应了这一发展需 求，具有广阔的前景。l o n w o r k s 现场总线技术以其独特的性能广泛应用于 楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备和工业过程控 制等行业。 不同的文章对现场总线的定义有不同的说法，例如： ( 1 ) 现场总线一词广义上是指控制系统与现场检测仪表以及执行装置进 行双向数字通信的串行总线系统。 ( 2 1 一般认为现场总线是用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开 放的、全数字化、双向、多站的通信系统。 ( 3 ) 现场总线( f i e l d b u s ) 是一种数字化的串行双向通信系统。 有关定义的说法还有，现不一一列举。本文以权威组织的定义作为现 场总线的标准定义。 根据国际电工委员会i e c l l 5 8 定义：安装在制造或过程区域的现场装置 与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称 为现场总线【l 】。 1 2 现场总线的发展历史 2 0 世纪末世界最重大的变化是全球市场的逐渐形成，从而导致竞争空 前加剧，产品技术含量高、更新换代快。处于全球市场之中的工业生产必 须加快新产品的开发，按市场需求调整产品的上市时间t ( t i m et om a r k e t ) ， 改善质量q ( q u a l i t y ) ，降低成本c ( e o s t ) ，并不断完善售前售后服务s ( s e r v i c e ) ， 才能在剧烈的市场竞争中立于不败之地。为了适应市场竞争的需要，在追 求t q c s 的过程中逐渐形成了计算机集成制造系统。计算机集成系统把生产 燕山大学t 学硕士学位论文 过程看作是信息的采集、传送及加工处理过程，因而信息技术成为工业生 产制造过程的重要因素。 随着计算机功能的增强，价格降低，计算机和计算机网络系统得到迅 速发展，为计算机集成制造系统的实施提供了良好的物质基础。但处于企 业生产过程底层的测控自动化系统要实现整个生产过程的信息集成和综合 自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行、性能可靠、价格低廉 的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂 底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 现场总线就是在这种背景下产生的。 1 3 现场总线的研究现状与发展趋势 1 3 1现场总线的研究现状 现场总线是一个低带宽的底层控制网络，它能实现与管理层的网络互 联，解决了长期困扰自动控制界的自动化信息孤岛问题。现场总线技术诞 生以来，在减少系统电缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资 和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，得到大范围的推广，它被誉 为自动化领域的计算机局域网【2 翔。现场总线控制的最大特点在于它的开放 性，现场总线标准一经国际公认，通过功能模块参数的标准化，可以实现 不同厂家的产品的互操作和互换。从用户到生产厂家都要求采用统一的标 准，但由于历史发展的原因，相继形成许多有影响，有特色的现场总线标 准，主要有以下几种。 、 ( 1 ) f f 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i d d b u s ) 是目前最具发展前景， 在过程自动化领域极具竞争力的现场总线之一。f f 的通信模型以璃k ) o s i 开放系统模型为基础，采用了物理层、数据链路层、应用层，并在其上增 加了用户层。f f 总线采用的是令牌总线通信方式，可分为周期通信和非周 期通信。f f 目前有高速和低速两种通信速率，其中低速总线协议h 1 已应用 于工作现场。f f 可采用总线型、树型、菊花链等网络拓扑结构，网络中的 设备数量取决于总线宽度、通信段数、供电能力和通信介质的规格等因素。 f f 支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质。f f 具有出色的互 2 第1 章绪论 操作性，这在于f f 采用了功能模块和设备描述语言使得现场节点之间能准 确、可靠地实现信息互通【4 】。 ( 2 ) l o n w o r k sl o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出，并由它与摩托罗 拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年推出的局部操作网络l o n ( l o c a lo p e r a t i o n n e t w o r k ) 。它采用了i s o o s i 模型的全部7 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；支持光缆及双绞 线等多种通信介质，被誉为通用控制网络1 5 1 。在开发智能通信接口和智能传 感器方面，l o n w o r k s 芯片具有独特的优势。它已被广泛应用在楼宇自动化、 家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。 ( 3 ) p r o f i b u sp r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 作为德国国家标准和欧洲 国家标准的现场总线标准，同f f 一样，它也是最具竞争力的一类总线，该 技术是由西门子公司为主的十几家德国公司和研究所共同推出的。 p r o f i b u s 目前包括分散化的外围设备( p r o f m u s d p ) 、现场总线报文规范 ( p r o f i b u s f m s ) 、过程自动化( p r o f i b u s p a ) 三个系列。它采用了i s o o s i 参考模型的物理层、数据链路层。p r o f i b u s 可以采用总线型、树型、星型 等网络拓扑，总线上最多可挂接1 2 7 个站点。p r o f i b u s 支持主从方式、纯 主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站问通过传递令 牌来传递对总线的控制权【5 。 ( 4 ) c a nc a n 是控制器局域网络( c o n 仃o d c r 觚an c t w o r k ) 的简称。最 早是由德国b o c s h 公司开发，用于测量与执行部件之间的数据通信，目的是 为了节省接线的工作量，后来由于自身的特点被广泛地应用于各行各业。 c a n 结构模型取i s o o s i 参考模型的物理层、数据链路层与应用层。c a n 的 信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，传输时间短，受干扰 的概率低。物理传输介质可支持双绞线，最多可挂接1 1 0 个节点。节点之问 不分主从，但节点之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现点对点、一 点对多点及广播方式传输数据，无需调度。c a n 的应用范围非常广，从自 动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统，到工业自动化、 建筑物环境控制、机床、电梯控制、医疗设备等领域都得到了应用。 ( 5 ) h a r th a r t 是( h i g ha d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 最早由 燕山大学丁学硕士学位论文 r o s e m o u n t 公司开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持。这种被称为可寻址 远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上 实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品， 因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。但这 种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接 口芯片。h a r t 能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求、并可组成由手 持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 ( 6 ) d e v i c e n e td e v i c e n e t 最早由罗克韦尔自动化公司于1 9 9 4 年提出。它 是种开放式通信网络。d e v i c e n e t 将工业设备如光电开关、操作员中端、电 动机起动器、变频器和条形码读入器等连接到网络。这是种底层工业控制 网络，通信速率低，传输数据量小，但它采用了数据网络通信的新技术。 d e v i c e n e t 遵从i s o o s i 参考模型的物理层、数据链路层和应用层，物理层下 面还定义了传输介质1 7 1 。 由此，从世界范围来看，现场总线技术的发展已进入了一个群雄并起， 竞争激烈的时代。由于各具特点，短时间内不可能出现某一种现场总线独 霸天下的局面，有理由认为：从现在起的未来l o 年内，可能出现几大总线 标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过网关互 联实现信息共享的局面。 ( 1 ) 多种总线共存总线是为了满足自动化发展的需求而产生的，每种 总线都有其产生的背景和应用领域。不同领域的自动化需求各有其特点， 因此在某个领域中产生的总线技术一般对这一特定的领域适用性好些，应 用的多些。 ( 2 ) 每种总线有其各自应用领域据美国a r c 公司的市场调查，世界市 场对各种现场总线需求为；过程自动化1 5 州f f 、p r o f i b u s - p a 、w 酬【d f l p ) ， 医药领域1 8 ( f f 、p r o f i b u s p a 、w o r l d f i p ) ，加工制造 1 5 ( p r o f i b u s - d p 、d e v i e e n e t ) ，交通运输1 5 ( p r o f i b u s d p 、d e v i e e n e t ) ， 航空、国防3 4 ( p r o f i b u s f m s 、d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、c o n t r o l n e t ) ，农 业未统计( p - n e t 、c a n 、p r o f i b u s p a d p 、d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t 、 c o n t r o l n e t ) ，楼宇未统计( l o n w o r k s 、p r o f i b u s f m s 、d e v i c e n e t ) 。由此 4 第1 章绪论 可见，各种总线应用领域比较明确，但相互间又互有渗透。 ( 3 ) 每种总线都有相应的国际组织支持大多数总线都成立了相应的国 际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持，同时 也想显示出其技术是开放的。 ( 4 ) 每种总线都有相应的公司支持每种总线都以一个或几个大型跨国 公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关，如p r o f i b u s 以s i e m e n s 公司为主要支持，c o n t r o l n d 以r o c k w e l l 公司为主要背景。 ( 5 ) 设备制造商参加多个总线组织多数公司都积极的参加不止一个总 线组织，其目的是能让自己的产品和网络上其他组织的产品进行通讯。 ( 6 ) 多种总线均作为国家和地区标准每种总线大多将自己作为国家或 地区标准，以加强自己的竞争地位。现在情况是：p - n e t 已成为丹麦标准， p r o f i b u s 已成为德国标准，w o d d f i p 已成为法国标准。上述3 种总线于1 9 9 4 年并列成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，其他总线也都形成了各组织的技术规范。 ( 7 ) 协调共存除了力推自己的总线产品外，也都力图开发接口技术， 将自己的总线产品与其他总线相连接，如施奈德公司开发的设备能与多种 总线相连接。在国际标准中，也出现了协调共存的局面。 ( 8 ) 7 - 业以太网引入工业领域工业以太网的引入成为新的热点。工业 以太网正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，几乎所有远程i o 接口 技术的供应商均提供一个支持t c p i p 协议的以太网接口，如s i e m e n s 、 r o c k w e l l 等，他们销售各自的p l c 产品，但同时提供与远程i o 和基于p c 的 控制系统相连接的接口。 1 3 2 现场总线的发展趋势 计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能，随着网络技术的 发展，现场总线技术成为发展的主要趋势【3 1 。 在分散控制系统的发展历程中，较早地在站问通信中采用了局域网技 术。随着电子技术的发展，许多站的功能可以在现场实现，因此通信也逐 渐延伸到现场。近几年来，传统上用于办公室和商业的以太网已逐渐进入 了工业控制领域并且发展迅速，原因在于工业自动化系统正向分布化、智 燕山大学工学硕十学位论文 能化的实时控制方面发展，而其中通信又是关键，用户对统一的通信协议 和网络的要求日益迫切。另一方面，i n t r a n e t i n t e m e t 等信息技术的飞速发展， 要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个 开放的基础构架，但目前现场总线尚不能满足这些要求。由于因特网的快 速发展，人们通过因特网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务的愿 望越来越强烈，因此t c p i p 协议也进入到了过程控制领域。可以说，今后 e t h e m e t 和t c p i p 将成为器件总线和现场总线的基础协议。由以上分析可 知，以太网进入工业控制领域是一个不可忽视的发展趋势。 1 4 现场总线的特点和优点 1 4 1 现场总线的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采 用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器 与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之 间均为一对一的物理连接。现场总线系统采用了智能现场设备，能够把原 来d c s 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加 上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直 接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表， 直接在现场完成，彻底实现了分散控制【羽。由于采用数字信号替代模拟信号， 因而可实现一对电线上传输多个信号( 包括多个运行参数值、多个设备状态、 故障信息) ，同时又为多个设备提供电源，现场设备以外不再需要模拟数 字、数字模拟转换部件。 1 4 2 现场总线的技术特点 ( 1 ) 对现场环境的适应性现场总线是专为在现场环境下工作而设计 的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有 较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆 要求等。 ( 2 ) 系统的丌放性开放系统是指所有技术和标准是公丌，不同厂家的 6 第1 章绪论 设备之间可进行互连并实现信息交换，这样用户可以自由集成不同制造商 的通信网络，即可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，从而用户可 及其方便的共享网络数据库【9 ，加】。现场总线开发者就是要致力于建立统一的 工厂设备层网络的开放系统。这里“开放”是指对相关标准的一致性、公 开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统可以与任何遵守相同标准 的其他设备或系统互连。 ( 3 酒! 操作性与互用性互操作性是指实现互连设备问、系统问的信息 传送与沟通，可实行点对点、一点对多点的数字通信。互用性意味着对不 同生产厂家的性能类似的设备可进行互换、互用。 ( 4 ) 现场设备的智能化与功能自治性将系统的传感测量、补偿计算、 工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，并完成自动控制的基本 功能，随时诊断设备的运行状态。 ( 5 ) 系统结构的高度分散性现场总线构成一种新的全分布式控制系统 的体系结构，简化了系统结构，提高了可靠性。 1 4 3 现场总线的优点 现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投入到正常生 产运行及其检修维护等工作更加简便【i o l 。 节省硬件数量与投资。现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能 直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，可以减少变送器的数量，不 再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调整、转 换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，节省了硬件投资。控制设备的减 少，可减少控制室的占地面积。 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单。由于一对双绞线或一 条电缆上通常可挂接多个设备，因此电缆、端子、接线槽、桥架的用量大 大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制 设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资， 也减少了设计、安装的工作量。 节省维护开销。现场控制设备具有诊断与简单故障处理的能力，并将 7 燕山大学工学硕士学位论文 相关的诊断维护信息送往控制室。用户可以查询设备的运行情况，诊断维 护信息，分析故障原因并快速排除。从而缩短了维护停工时间，减少了维 护工作量。 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商提供的 设备来集成系统。系统集成的主动权掌握在用户手中。 提高了系统的准确性与可靠性。与模拟信号相比，现场总线设备的智 能化、数字化从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。因 为系统结构简化，设备连线减少，提高了系统的可靠性。设计简单，易于 重构。 1 5 论文的主要内容和结构安排 本论文的主要内容如下： 第l 章为绪论。主要介绍了课题的研究背景、研究现状、发展趋势以及 研究的意义。 第2 章为l o n w o r k s 现场总线技术。介绍了l o n w o r k s 控制网络的结构和 特点，并且对本文所用到的l o n w o r k s 总线的核心技术及产品进行了深入的 阐述。 第3 章为基于主机节点的开发。本章是论文的核心部分，着重对基于主 机节点的主机和微服务器之间的通讯进行了研究，并给出了通用智能节点 开发的软硬件设计。 第4 章为基于主机节点的汽车发动机控制系统。在第三章开发的通用智 能节点的基础上，将通用智能节点应用在汽车发动机控制系统中。对汽车 发动机系统中的燃油喷射系统控制模块和断油控制系统控制模块进行了设 计。 第5 章为汽车发动机故障监控与实现。在l o n m a k e r 和动态数据交换协议 d d e 基础上，通过l n sd d e 服务器，采用组奁王监控软件设计了汽车发动 机故障监控界面。 8 第2 章l o n w o r k s 现场总线技术 第2 章l o n w o r k s 现场总线技术 2 1 l o n w o r k s 现场总线的特点 局部操作网络( l 0 c a lo p e r a t i o nn e t w o r k ) ，简称l o n 网络，它是用于开 发监控网络系统的一个完整的技术平台【l ”。该技术在控制系统中引入了网 络的概念，在该技术的基础上，可以方便的实现分布式的网络控制系统， 因l o n 网络具有局域网的功能，所以与异型网的兼容性好。l o n 技术具有 两大优势：高性能低成本的网络接口产品及高度的开放性和互操作性，除 此之外还有很多优势，一并介绍如下【1 2 1 。 ( 1 ) 开放性l o n w o r k s 具有完全的开放性，其网络协议开放，对于所有 用户都是平等的。我国现场总线水平落后，l o n 网络的完全开放性同时也 为我们提供了良好的借鉴机会。 ( 2 ) 互操作性其l o n t a l k 网络通信协议符合i s o 的o s i 模型，使得任何遵 从该协议制造商的产品均可实现互操作。 ( 3 ) 传输介质可采用双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波、电力线和 红外线等多种传输介质，而且在同一网络中，可以有多种通信媒介，网络 扩展方便。 ( 4 ) 网络结构有主从式、对等式以及客户服务式网络结构。网络通信 设计采用面向对象技术，利用网络变量将网络通信设计简化为参数设置， 因而增加了通信的可靠性。 ( 5 ) 网络拓扑有总线型、星形、环形和混合形，这为现有网络的扩展 和安装提供极大的方便。 ( 6 ) 通信有效字节数通信的每帧有效字节数可从0 字节帧至1 j 2 8 8 字节 帧。 ( 7 ) 通信速率和距离通信速率为3 0 0 b p s 1 2 5 m b p s ，距离最长可达到 2 7 1 a n ( 采用双绞线收发器f t t - 1 0 ，速率7 8 k b p s ) 。 ( 8 ) 改进了c s m a 采用了可预测p 坚持c s m a ，这样，在网络负载很重 的情况下，不容易导致网络崩溃。 9 燕山大学工学硕十学位论文 l o n w o r k s 以其独特的技术优势，将计算机技术、网络技术和控制技术 融为一体，实现了测控和组网的统一。也正是由于这些优势，使得l o n w o r k s 现场总线能在众多总线中异军突起，这也是我们重视并研究l o n w o r k s 总线 的重要原因之一。 2 2 l o n w o r k s 控制网络的构成 l o n w o r k s 控制网络所构成的分布式控制系统如图2 1 所示。 f 翮 节点j 节点 黼学堂刊熬霎 t t 鬻 节点ii 节点 皇堑堕堑垩堡墨卜_ 叫塑塑堡舅! 纠 j 电话罔 节点 节点 远距斑监蔫站 绞线主通道 s c t 1 ) a 工作站 豳 母遂 图2 1l o n w o r k s 现场总线控制系统结构 f i g 2 - it h es t r u e l u r eo f l o n w o r k sc o n t r o ls y s t e m l o n w o r k s 控制网络结构包括五个部分：网络协议( l o n t a l k ) 、网络传输 介质、网络设备、执行机构和管理软州1 3 】。其中，网络设备包括智能测控 单元、路由器和网关等；执行机构包括传感器、变送器等：管理软件包括 l o n t 柚k 开放式通信协议，为设备之间交换控佑4 状态信息建立了一个通用的 标准。神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是除l o n t a l k 协议之外的又- - l o n w o r k s 核心 1 0 一器一一由一一路一 下同 道一通一 毗五 第2 章l o n w o r k s 现场总线技术 技术产品【1 4 1 。 2 2 1 l o n w o r k s 总线硬件部分 2 2 1 1 路由器每个l o n t a l k 节点都需要物理地连接到信道( c h a n n e l ) a 二。 信道是数据包的物理传输介质，l o n w o r k s 网络包括一种或多种信道，不同 的介质的信道之间通过路由器相连旧。在l o n w o r k s 网络中路由器有以下几 种：中继器、桥接器和智能路由器。路由器还能控制网络交通，增加信息 量和网络速度。路由器每侧都有收发器。 2 2 1 2 网关网关允许专用的控制系统连接至1 l o n w o r k s 系统。一个网关 具有对异型系统设备或总线的物理接口，它的应用程序为异型系统提供专 用的通信协议。网关按需要进行两种协议之间的转换并允许两个系统传送 信息，不能把网关混同为网络中的一个设备，网关是一个异构的对象并连 接到一个异构的系统1 1 6 1 。甚至当所选择的信息可以在两个系统间传送时， 其连接根本谈不上无缝，该连接把另外的操作系统和网络工具引入集成系 统。 2 2 1 3w 曲服务器w 曲服务器是为了l o n w o r k s 网络提供w e b 浏览器的 一种特殊网关。w e b j 艮务器有一个连接n l o n w o r k s 网络的l o n w o r k s 收发器 和一个h t l 甲服务器，而h r r p 服务器可以从w e b 浏览器观看w e b 页【1 7 1 。为简 便配置，可以动态地创建w 曲服务器上的网络变量，该变量被连接到任一 l o n w o r k s 网络上的网络变量，通过w e b 服务器提供的w e b 页方便的访问网络 变量。e c h e l o n 公司的i i o n1 0 0 0 1 1 服务器提供了这种w e b 服务器，并与 l o n w o r k s i p 路由器集成。 2 2 1 4 收发器收发器提供神经元芯片和l o n w o r k s 络的物理通信接 口。收发器简化了可互操作的l o n w o r k s 节点的开发，并用于多种类型的通 信介质的拓扑结构，具有不同收发器类型的产品需要通过路由器实现节点 之间的互操作。e c h e l o n 公司提供双绞线收发器和电力线收发器，其它公司 提供用于无线电、光纤等介质的收发器。 2 2 1 5 网络适配器网络适配器是网络接口设备，它不连接传感器和执行 器，而是外部主机( 如p c 机) 的物理接口。该设备的应用程序提供通信协议 燕山大学t 学硕士学位论文 和应用程序接1 3 a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，使得基于主机的程 序可以访问l o n w o r k s 网络。 2 2 1 6 网络节点网络节点被称为智能设备，它是与物理连接的i o 设备 互相配合的对象。节点包括一个神经元芯片、l o n t a l k 收发器、存储器、电 源和外围电路。节点之间通过l o n t a l k 协议进行通信。网络节点有两种类型： 基于芯片的节点和基于主机的节点。 ( 1 ) 基于芯片的节点( n e u r o nc 玲b a s e dn o d e ) 神经元芯片是一组复杂 的大规模集成器件，一个神经元芯片包含应用c p u 、i o 处理单元和通信处 理器。因此，一个神经元芯片加上收发器就可以构成一个典型的现场节点， 负责现场设备的通信和简单数据处理任务。图2 2 ( a ) 为基于神经元芯片节点 框图。 ( 2 ) 基于主机的节点( h o s tb a s e dn o d e ) 对于一些复杂的控制，如带有 p i d 算法的单回路、多回路，神经元芯片的控制能力就不够了，采用基于主 机节点的结构是解决这一矛盾的好方法：将神经元芯片作为通信协处理器， 用高级主机来完成复杂的测控功能。图2 2 ( b ) 为基于主机的节点框图。其中 主处理器可以是一个p c 兼容系统，一个工作站、一个小型计算机或其它的 微处理器。 l o n 总线 l o n 总线 ：。一 r j l 1 1 收发器 i 二二二 二通信端口 ln e u r a l 芯片l = 二匕 i 主处理器i i ( 3 端口 i 帕设备1 ( a ) 基于芯片的节点( b ) 基于主机的节点 ( a ) n e u r o nc h i p - b a s e dn o d e( b ) h o s tb a s e dn o d e 图2 - 2l o n w o r k s 现场控制节点结构框图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f l o n w o r k sn o d e 1 2 第2 章l o n w o r k s 现场总线技术 2 2 2 l o n w b r k s 总线软件部分 2 2 2 1n e u r o nc 编程语言n e u r o nc 是基于标准c ( a n s ic ) 的一种编程语 言。它对a n s ic 加以扩展，以便支持由n e u r o n 芯片固化软件的实时 ( r u n - t i m e ) 性能。它增强了对i o 支持、时间处理、报文传递等功能，其扩 充部分包括软件定时器、网络变量、显示报文、一个多任务调度、e 2 p r o m 变量和复杂函数等【1 t 1 9 1 。 n e u r o nc 语言对a n s ic 的扩展包括： ( 1 ) 一个内部多任务调度程序，允许程序员以自然的方式描述事件驱动 的任务，并可以控制任务执行的优先级。 ( 2 ) 将i o 对象直接映射到处理器的i o 能力。 ( 3 ) 网络变量对象定义，提供一种简单的实现节点之间数据共享的方法。 ( 4 ) w h e n 语句引入事件并定义这些事件的i 晦时排序。 ( 5 ) 支持显式报文传递，用于直接对l o n t a l k 协议的底层进行访问。 ( 6 ) 秒及毫秒级定时器对象可随意激活用户的任务。 ( 7 ) 函数库：当调用时可以执行事件检查、i o 管理、网络信息的接收和 传送以及控制各种n e u r o n 芯片的功能。 n e u r o nc 不支持的特性如下： ( 1 ) 不支持浮点运算，但有浮点库。 ( 2 ) 不支持指向定时器、消息标签及1 1 0 对象的指针变量。 ( 3 ) 网络变量指针及e 2 p r o m 变量指针与常数指针( 通过指针访问的内容 是只读内容) 。 ( 4 ) 宏展开后宏参数才能被扫描，这样在嵌套的宏展开中宏运算符撑及蝌 不能像在a n s i cc 标准中定义的那样得出结果。 ( 5 ) n e u r o nc 中有三个a n s i 包含文件：s t d d e f hs t d l i b hl i m i t s h 。 ( 6 ) 在函数定义之前调用函数必须对函数进行说明。 ( 7 ) n e u r o nc 在单个编译单元中不支持多个源文件。 利用n e u r o nc 语言，可方便地开发基于网络的应用系统。例如，该语 言对不同节点所定义的变量都可简单作为本地变量一样使用，只需要在系 燕山大学丁学硕士学位论文 统联合调试时给予“绑定”即可。这种方式大大简化了网络的开发和应用， 使开发人员几乎感觉不到是在网络环境下编程。 在n e u r o nc 语言中，有以下些亮点，同时也是该语言中最为核心的 部分，现分别介绍如下。 ( 1 ) 显式报文尽管大多数应用系统采用的是网络变量，但由于每个网 络变量的数据长度一经确定就不能改变，且最多只有3 1 个字节，限制了它 的使用范围。为此，n e u r o nc 还提供了显式报文这一数据类型。所谓显示 报文是种结构变量，它提供请求响应机制：某个节点发出请求消息能调 动另一个节点做出相应的动作，从而实现远程过程调用。显示报文是实现 节点之问交换信息的更为复杂的方法。显式报文在应用程序中生成、发送 和接收显式消息，因此应用起来难度较大。节点使用报文标签( m e s s a g et a g s ) 发送和接收报文。每个节点有一个默认的输入报文标签，同网络变量一样， 必须在网络安装时建立输入和输出报文标签之间的绑定。 ( 2 ) 网络变量网络变量又称隐式报文，是节点的一个对象。l o n w o r k s 网络的节点之间的通信主要是通过网络变量来实现的。当一个网络变量在 一个节点的应用程序中被赋值后，这个值就会被传播到网络中被绑定的相 应节点。节点间共享数据就是通过绑定节点问网络变量来实现的。所谓绑 定就是将不同节点或同一节点之间数据类型相同的输入和输出网络变量相 互关联起来，进行通信。因此只有数据类型相同的输入网络变量和输出网 络变量才能进行绑定。网络变量有整型、布尔型或字符串等类型。基于芯 片的节点最多可定义6 2 个网络变量，基于主机的节点最多可定义4 0 9 6 个网 络变量。为增加网络的互操作性，系统提供了标准网络变量s n v t s ( s t a n d a r d n e t w o r kv a r i a b l et y p e s ) 供用户使用1 2 0 , 2 1 1 。s n v t s 是一组与度量单位( 如长 度、电压) 有关的预定义的类型集合，被定义为同种s n v t s 的变量可直接进 行数据交换。 ( 3 ) 调度程