（农业机械化工程专业论文）基于lonworks网络的上位机智能模糊监控系统构建技术研究.pdf

西南农业大学硕士学位论文摘要 摘要 l o n wo r k s 是一种现场总线。 s e r v e r , l n s d a t a s e rve r 提供服务 l o n wo r k s网络控 制系 统 。 在控制领域有广泛 的应用。 使 用 l o n ma k e r , n o d e b u i l d e r l o n wo r k s由 l n s 等工具设计和构建 l o n wo r k s网络使用 l o n t a l k协议， 采用载波侦听多路访 问算法通讯 。网络 是 事 件 驱 动 的 ， 可 以 以 网 络 变 量 的形 式 传 递 网 络 消 息 。 根据 l o n wo r k s网络上位机的位置，可以将 l o n wo r k s网络划分为两类: 一类是本地监控 l o n wo r k s网络，一类是远程监控 l o n wo r k s网络 。在远程监 控的 l o n wo r k s网络中，上位机与 l o n wo r k s网络有两种连接方式一一通过 mo d e m 连接和通过 i n t e r n e t连接。由于 l o n wo r k s网络连接方式的不同， l o n wo r k s网络上位机软件也相应分为三种形式一一单机模式、c / s模式、b / s 模 式 。 基于 l o n wo r k s网络上位机模糊监控系统是软件模糊控制器构成的自适应 监控系统。 本文介绍了它的构建方法。 提出了与 l o n wo r k s 网络三种连接方式相 对应的三种上位机软件模式; 探讨了一种新的模型挖掘算法一一组合模型挖掘算 法:通过对模糊控制参数和关联参数的修改，修改模糊子集的取值范围，其模 糊量化指标不变，各模糊子集的隶属函数只与模糊量化指标有关，使模糊推理 规则独立，从而将知识库的修改简化为只修改控制参数和关联参数，实现 自适 应优化控制的目的;在软件结构上，将 自适应部件和控制部件分离，在 自适应 部件进行复杂的知识挖掘时，知识库不会发生改变，不影响控制部件的推理结 果，只有一次挖掘结束，对知识库统一修改后新的知识库才起作用，这样使 自 适应和模糊控制相对独立;在控制时，将控制部件产生的控制信息存入控制数 据库，控制数据库中的数据发生变化时，触发改变控制执行部件的状态，在控 制部件进行模糊推理 时，不影响控制执行部件 ，使模糊推理与控制执行独立。 尽管在软件结构上采用了分离技术，减少了对控制延迟的影响，但是，基 于 l o n wo r k s网络上位机智能模糊监控系统毕竟要在上位机中进行一定规模的 推理、计算，将产生一定的延迟。特别在 c / s模式和 b / s模式下，还存在通讯 的开销，延迟较大，因而，它只适宜用于对延迟要求不高的控制系统。 关键词:l o n w o r k s 网络上位机组合模型智能模糊控制 西南农业大学硕士学位论文 ab s t r a c t ab s t r a c t l o n wo r k s i s a l o c a l b u s a n d i s u s e d i n t h e c o n t r o l f i e l d w i d e l y . l n s s e rve r a n d l n s d a t a s e r v e r p rov i d e l o n wo r k s s e rve s . t o d e s i g n a n d b u i l d l o n wo r k s n e t w o r k s c o n t rol s y s t e m u s e t h e t o o l s , s u c h a s l o n ma k e r , no d e b u i l d e r e t c . . l o n wo r k s u s e s l o n t a l k p rot o c o l a n d c s ma c o mmu n i c a t e . t h e n e t w o r k s a r e d r o v e b y e v e n t s a n d ma y u s e n e t w o r k s v a r i a b l e e x c h a n g e i n f o r ma t i o n . a c c o r d i n g t o t h e s t a t i o n o f u p p e r c o m p u t e r , l o n wo r k s n e t w o r k s w e r e c o mp a rt m e n t a l iz e d f o r t w o t y p e s . o n e i s t h e l o n wo r k s n e t w o r k t h a t i s mo n i t o r e d a n d c o n t r o l l e d i n t h e l o c a l c o mp u t e r ; t h e o t h e r i s t h e l o n wo r k s n e t w o r k t h a t i s mo n i t o r e d a n d c o n t rol l e d i n t h e r e mo t e c o m p u t e r . i n t h e l o n wo r k s n e t w o r k s t h a t i s m o n i t o r e d a n d c o n t r o l l e d i n t h e r e m o t e c o m p u t e r , t h e r e a r e t w o t y p e s c o n n e c t i o n f o r m b e t w e e n t h e u p p e r c o mp u t e r a n d t h e l o n wo r k s n e t w o r k s 一 t h rou g h mo d e m a n d i n t e r n e t . b e c a u s e t h e c o n n e c ti o n f o r m o f l o n wo r k s n e t w o r k s i s d i f f e r e n t , t h e s o f t w a re m o d e s o f u p p e r c o m p u t e r o f l o n wo r k s n e t w o r k s w e r e c o m p a r t m e n t a l i z e d f o r t h r e e c o r r e s p o n d i n g ty p e s , p c m o d e , c / s m o d e a n d b / s m o d e f u z z y m o n i t o r a n d c o n t rol s y s t e m o f t h e u p p e r c o m p u t e r b a s e d o n l o n wo r k s n e t w o r k s i s a s e l f - s u i ti n g m o n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m t h a t i s f o r m e d o f t h e s o f t w a re c o n t rol l e r . t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e t e c h n i q u e s t h a t b u i l t i t . i t p u t f o r w a r d t h e t h ree s u p p e r c o m p u t e r s o f t w a r e m o d e s i n t e r r e l a t e t o t h e t h r e e c o n n e c t i o n f o r ms o f l o n wo r k s n e t w o r k s , a n d d i s c u s s a mo d e l d i g g i n g a r i t h m e t i c - - - - t h e c o mb i n i n g m o d e l d i g g i n g a r i t h me t i c . we m o d i f y t h e v a l u e r a n g e o f f u z z y s u b - c o l l e c t i o n t h r o u g h c h a n g i n g f u z z y c o n t rol p a r a m e t e r s a n d a s s o c i a t e p a r a me t e r s . i t s f u z z y v a l u e i s n t c h a n g e d . s u b j e c t f u n c t i o n o f e v e r y f u z z y s u b - c o l l e c t i o n o n l y i s r e l a t e d w i t h f u z z y v a l u e a n d i s n t rel a t e d w i t h t h e f u z z y v a l u e a r e a . t h e f u z z y i n f e re n t i a l r u l e s a r e i n d e p e n d e n t . s o , i t i s p re d i g e s t e d t o m o d i f y k n o w l e d g e d a t a b a s e f o r o n l y m o d i f y i n g c o n t r o l p a r a m e t e r s a n d a s s o c i a t e p a r a m e t e r s . a n d i t re a l i z e s t h e p u r p o s e t h a t i s s e l f - s u i t i n g a n d t h e c o n t r o l i s o p t i m i z e d . i n t h e s o f t w a r e s t r u c t u r e , s e l f - s u i t i n g c o m p o n e n t s a n d c o n t r o l c o m p o n e n t s a r e s e p a r a t e d . t h e k n o w l e d g e d a t a b a s e i s n t c h a n g e d a n d i t d o e s n t a f f e c t t h e re s u l t t h a t c o n t rol c o m p o n e n t s d e d u c e w h e n t h e s e l f - s u i t i n g c o m p o n e n t s a r e d i g g i n g d a t a . f i n i s h i n g a d i g g i n g d a t a a n d m o d i f y i n g k n o w l e d g e d a t a b a s e , t h e n e w k n o w l e d g e d a t a b a s e i s e f f e c t iv e . t h e n t h e s e l f - s u i t i n g p roc e s s a n d t h e f u z z y c o n t r o l p roc e s s a r e i n d e p e n d e n t . i n t h e c o n t r o l p r o c e s s , t h e m e s s a g e s t h a t t h e c o n t r o l c o m p o n e n t s p rod u c e a re s t o re d i n t h e c o n t rol d a t a b a s e . i t s p r i n g t o a l t e r t h e s t a t e s o f 山e p e r f o r m i n g c o m p o n e n t s t h a t d a t a i n t h e c o n t r o l d a t a b a s e c o n t r o l a r e c h a n g e d . i t d o e s n t a f f e c t t h e p e r f o r mi n g c o mp o n e n t s t h a t t h e c o n t r o l 西南农业大学硕士学位论文ab s t r a c t c o m p o n e n t s d e d u c e . t h e f u z z y d e d u c i n g p r o c e s s a n d t h e p e r f o r m i n g c o n t r o l p r o c e s s i s i n d e p e n d e n t . a l t h o u g h w e u s e t h e s e p a r a t i n g t e c h n o l o g y t o b u i l d t h e s o f t w a r e a n d t o r e d u c e t h e c o n t r o l d e l a y , t h e i n t e l l i g e n t f u z z y m o n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n l o n wo r k s n e t w o r k s i n t h e u p p e r c o m p u t e r d e d u c e a n d c a l c u l a t e t o p r o d u c e d e l a y . e s p e c i a l l y , c o m mu n i c a t i o n w o u l d s p e n d t i m e a n d i n c r e a s e d e l a y i n t h e c i s m o d e l a n d t h e b i s m o d e l . t h e r e f o re , i t o n l y i s a p p l i c a b l e t o t h e c o n t rol s y s t e m t h a t t h e r e i s d e l a y . k e y w o r d : l o n w o r k s n e t w o r k s , u p p e r c o m p u t e r , t h e c o m b i n i n g m o d e l , t h e i n t e l l i g e n t f u z z y c o n t r o l : 吐 西南农业大学硕士学位论文第 1 章 文献综述 第1 章文献综述 科学技术的进步，计算机控制由单机向网络控制发展，网络控制成为了网 络技术的一个新的研究方向。 网络控制的市场巨大， 研发网络控制技术具有极大 的市场潜力。8 0年代中后期，网络控制成为了具有经济和技术实力的高科技公 司 的投 资热 点 。 l o n w o r k s 是埃施朗公司 ( e c h e l o n )在 8 0 年代后期，着手开发控制网技术 平台。 l o n w o r k s 控制网以对等方式工作， 采用 l o n t a l k 协议来完成监控传感器、 控制执行器、可靠地通信、管理网络操作和提供对网络数据全面接入等任务. l o n w o r k s 技术现已成为控制网的通用标准之一川。 l o n w o r k s 控制网在某些方面类似于局域网 ( l a n ) 等数据网。数据网采用公 用协议进行相互通信， 由各种通信介质和 以路 由器连接的计算机组成。 控制网中 包含许多数据网类似的部件， 只是对控制的成本、 性能、 规模和响应等特征进行 、 了优化。这种专用控制网络就是局部操作网络- - - - l o n ( l o c a l o p e r a t i n g n e t w o r k ) . l o n 技术使网络扩展到数据组网技术无能为力的控制网。 l o n w o r k s技术的复杂程度不一，从机器内装的几个节点的小网络，到几千 个节点 的控 制熔化用激光器 、造纸机和楼宇 自动化 的大 网应 有尽有 。由于 l o n w o r k s网络通信协议一一l o n t a l k是公开的，控制系统和装置的制造商在产 品中整合了 l o n w o r k s技术，不同制造商的产品能相互协调通信，使 l o n w o r k s 系统真正成为一个理想的开放系统。 1 . 1网络和协议 1 . 1 . 1网 络 z 1 网络的主要功能是让许多智能装置直接相互通信。 在网络中， 没有一个监控 装置负责全系统的算法， 不需要监控者的 “ 轮询”介入取得信息， 然后再转发给 其它装置。即每个装置能根据 自己需要发布信息，通过网络直接到另一些装置。 网络通信通常涉及一个信息发送者，一个或一个以上的接收者和收听者， 发送者和接收者之间一定要有某种形式的连接。 所有连接以信道为基础。 连接到 某一特定信道 ( 双绞线、电力线、无线、红外线、光纤和同轴电缆)的装置必须 有同一速率运行的兼容收发器。 在网络中， 信道类型和收发器类型的选择影响传 输的速度 、距离和 网络拓扑。 1 . 1 . 2 通信协议 西南农业大学硕士学位论文 第 i 章 文献综述 组网的目的就是让网络上的装置能互相通信。 在通信过程中， 很可能许多装 置都试图在同一时间 “ 谈话” ，为了避免冲突，有效利用信道资源，需要为网络 装置间的数据传输编排一套规则和过程。 这些规则和过程就称之为通信协议， 简 称 协 议c 2 l 。 协 议 规定 装置间 传 输的 报 文 格式 和 发 送 报文时的 动 作 和响 应。 协议通常以嵌入软件或固定代码形式存在于每个网络装置中。协议的嵌入 代码相当复杂。 为了简化理解和便于实现， 协议这一复杂的概念被人为分为若干 功能层，用于网络通信的软件代码中，这些功能层统称 为协议堆栈。 国际标准化组织 ( i s o )制定了网络协议堆栈的世界通信标准模型一一开放 系 统 互 联( o s t ) 模型， 即i s ms 工 的7 层 模型 2 1 ， 如 表1 所示。 表 t i s o / o s i 的 7层模 型 o s 7层目的服 务 1应 用应 用 程 序 标准对象和类型、配置属性 、文档转移、网 络 服 务 z 表示数据 解 释网络变盈、应用、报文、外来帧 3对 话远程 行 动对话、远程程序调用 、连接恢复 4 传输端 到端 可靠性 端到端确认、业务类型、包排序、 双 重检测 5 网络目的地 寻 址 单路传输和多路传输、目的地寻址、 包 路 由选择 6 数据链 路介质访 问和组帧 组帧、数据编码、c r c 、介质访问、 冲 突检测 7物 理 电互联介质特定细节、收发器类型、物理连接 1 . 1 . 3 控制网 网络最初设计用于互联大、中、小型机等大的计算机系统，网络通信协议也 主要用于批处理的计算机间传输大量数据。 网络技术的发展， 使协议规模逐渐扩 大，功能和灵活性显著增强。但是.大部分的协议仍然设计用于计算机系统或 p c之间的通信 。 随着微处理器制造工艺技术的成熟，成本暴跌，人们可以将它们装入低廉 的控制器和控制装置中， 网络技术也扩展到控制系统之中。 控制网有许多不同于 数据网的独特要求 ，包括: .装置间经常 、可靠和安全的通信 .用短报文格式传送信息 西 南 农 业 ) jik 醚登些这一一 塑竺鱼t 丝一一一一一一一， 令每个装置功能对等 .需要大量功能单一、廉价小节点 控制网的诞生，人们才开始认识到原来使用的数据网协议并不真正与控制 系统中的最佳性能 “ 合拍” 。为了满足控制网络要求:同时又满足通信标准 ，形 成可互操作性，推动扩大市场规模和提高效率，这两个因素促成了 l o a t a i k协 议 的问世 。 1 . 2 l o n t a l k协议 1 . 2 . 1协议定义 l o n t a l k 通 信协 议是l o n w o r k s 技 术的 核 心 川。 该 协 议 提 供了 一 套 通 信 服 务 功能，使装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文而无需知道网 络拓扑、名称、地址、装置的功能。l o n t a l k 协议能有选择地提供端到端的报文 确认、 报文证实、优先级发送，以便设定有界的事务处理时间。远程网络管理工 具能接入网络， 实现对网络的管理。 包括网络地址和参数的重新配置、 下载应用 程序、报告网络问题和节点应用程序的起始/ 终止/ 复位。 l o n t a l k 协议是一个分层的以数据包为基础的对等的通信协议。 与e t h e r n e t 和 i n t e r n e t协议相似，它是一个公布的标准，并遵守国际标准化组织 ( i s o ) 的 分 层 体 系 结 构 要 求 1 0 3 每 个 数 据 包由 可 变 数目 的 字 节 构 成， 长 度不 定， 并 且包含应用层 ( 第 7层) 的信息以及寻址和其他信息。 信道上的每个装置监视在 信道上传输的每个包，以确定 自己是否是收信人。如果是，就对它进行处理。在 处理时，首先判明包是应用包还是网络管理包:然后，把应用包中的数据提供 给应用程序，管理包的数据用于网络管理 ( 改变网络状态) ;最后，给发送者发 一个确认报文 。 为了处理网上报文冲突， l o n t a l k 使用类似以太网所用的 “ 载波侦听多路访 问” ( c s m a ) 算法。l o n t a l k 协议建立在 c s m a基础上，提供介质访问协议，可 以根据预测网络业务量发送优先级报文和动态调整时间槽的数 目。通过被称为 预测性 p - p e r s i s t e n t c s m a协议的算法动态调整网络带宽，使网络能在极高网 络业务量出现时继续运行，而在业务量较小时期不降低网络速度。 1 . 2 . 2 l o n t a i k协 议寻 址 为了 简 化网 络配 置 和 管 理， 可以 给 节 点 分 配 逻 辑 地 址 3 2 一 3 5 。 分 配 逻 辑 地 址就是将逻辑地址和物理装置或节点关联，便于通过逻辑地址访问节点和装置。 西 南 农 业 大 学 硕 上 * r 发送不确认报文的组规模是无限制的 组是一个有效的优化方法，用于一个对多个的网络变量和报文标签连接。 总之，使用 l o n t a l k协议的系统中的每个域可以有 3 2 3 8 5个以上的装置。 一个域中可以有 2 5 6个以下的组，每个组可以有任意数 目的节点，只是在需要 端到端的确认时，组被限制在 6 4个以下的节点。每个节点可以属于 1 5个以下 的 组。 上述信息 简列于下川: . 子网中的节点 1 27 . 域中的子 网 255 . 域 中的节 点 32385 . 网络中的域 2 4 . . 系统中最多的节点3 2 k x 2 0 8 . 组中的成 员 . 未确认或重复的无限制 . 确认或要求响应的6 3 . 域 中的组 25 5 西南农业大学硕士学位论文 第 1 章 文献综述 . 网络 中的信道无 限 制 nn 12脚 3q乙n . 网络变量中的字节 . 显式报文 中的字节 . 数据文档中的字节 1 . 2 . 3 l o n t al k网络 变 且 l o n t a l k协议革新t网络变量 ( n v -n e t w o r k s v a r i a b l e )的内涵一一消息 通过网络变量传递。 n v大大简化了多个销售商产品可互操作的 l o n w o r k s 应用程 序的设计工作，并方便了以信息为基础而不是以指令为基础的控制系统的设计。 所 谓网 络变量 1 1 是一 个特定 装置 应用 程序期 望从网 上 其他装置 得到的( 输 入n v ) 或期望提供给网上其他装置的 ( 输入 n v ) 。它可以是任何数据项 ( 如温度、开关 值、或执行器位置设定) 。 装置中的应用程序根本不需要知道输入 n v来 自何处或输出 n v走向何处。 应用程序的输出 n v的值变化时，它就只是把这个新值写入特定的存储单元。在 网络设计和安装期间会发生一个叫做“ 捆绑” 的过程， 通过这个过程配置 l o n t a l k 固件，以确定网上要求 n v的装置组或其他装置的逻辑地址，以便汇集和发送包 到这些装置。 这种捆绑过程就是在一个装置中的输入 n v和另一装置或装置组的输入 n v 之间 建 立了 逻 辑 连 接。 逻 辑连 接 可 想 象 为“ 虚 拟 线 路” 川。 例如， 一 个 节点 有 一 个物理开关 ( 输出 n v )和一个灯泡 ( 输入 n v ) ，建立一个逻辑连接，其功能效 应就如同从开关到灯泡连接一条物理线路。类似地，当 l o n t a l k固件收到它的 应用程序所需的输入 n v的更新数值时，就把它放在一个特定的存储单元。应用 程序知道在这个单元找最新数据 ，并从中读取数据 。 1 . 2 . 4 l o n t a l k报文类型 l o n t a l k 协 议 提供3 种 基 本 报 文 服 务 1 1 3 2 1 w 3 5 1 。 第1 类 报文 服 务 提 供 端 到 端的确认， 称为确认报文发送。 在使用确认报文发送时， 一个报文发送给一个节 点或节点组， 并希望从每一个接收者那里得到收到报文的确认报文。 假若未收到 确认报文. 发送者将做超时重发事务处理。 重发的次数是可选择的。 确认报文能 确认接收者是否收到报文，但会造成所有的接收节点同时尝试发出一个响应， 容易形成网络拥挤、 阻塞。 第 2 类报文是不确认的重复报文。 使用这类报文可把 一个报文发送到节点或节点组许多次。这个业务通常在向一个大的节点组广播 西 南 农 业 大 学 硕 t 学 鱼 鱼 主一一二塑竺主鲤鲤止一一一一一一一 信息时使用。 第 3 类是报文鉴别服务。 报文鉴别服务使报文接收者能确定发送者 是否有权发送这个报文。 鉴别的目的是防止对节点未经授权的访问。 在安装时分 布 4 8 位密钥到节点设立鉴别功能。 1 _ 2 . 5 l o n t a i k信道 类型 l o n t a l k协议独立于传输介质，l o n w o r k s系统可以在任何物理传输介质上 通信。 因而 ， 设计者可以充分利用提供给控制网的各种信道设计 l o n w o r k s网络。 协议还提供可改变的信道配置参数， 以便折衷某一特殊应用的性能、 安全和可靠 性 。 信道是个特殊的物理通信介质 ( 如双绞线或电力线等) 。在每类信道上，有 专用收发器与 l o n w o r k s 装置连接。不同信道在最多可连接的节点数、通信位速 率 和 物理 距 离的 限 值川不同( 详 见 表2 ) 0 裹 2 常用信道限值表 信道类 型介 质数 据速 率最 多节 点数 最大距离 t p / x f - 1 2 5 0双绞线，总型1 . 2 5 h b p s 6 4 1 2 5 m( 总线 长度 ) t p / x f - 7 8双绞线，总型7 8 k b p s 6 4 1 3 3 0 m( 总线 长度 ) t p / x f 一 1 0双绞线 ，灵活拓扑7 8 k b p s 6 4( 假若通过链路供 电 可达 1 2 8 ) 5 0 0 m( 节 点 到节 点 ) pl-2x 电力 线5 k b p s - 50 0 视环境而定 2 . 6 l o n 丁 a i k的特征和优点 l o n t a l k协议在高可靠性、安全性和网络资源优化的前提下从事多种服务。 这 些 服务的 特征 和 优点川包 括 . 支持多种通信介质，包括双绞线和电力线等 。 . 支持可靠通信，包括防范未经授权使用系统。 . 不论网络规模如何，都提供可预测的响应时间。 . 支持不 同通信速度 的混合介质构成网络 。 . 提供对节点透明的接口。 . 支持只有几个节点小网到几万个节点的大型网络。 西南农业大学硕士学位论文 第 1 章 文献综述 . 在节 点间允许任意连通。 .允 许 对 等 通 信 ， 可 用 于 分 布 式 控 制 矛 统 . 提供可互操作性，即来 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。 令 提供网络管理问题的解决方案. 1 . 2 . 7 l o n t a l k标准 几年前， l o n t a l k 协议仅仅嵌在神经元芯片内。 所有的制造商使用神经元芯 片保证了 l o n t a l k协议的一致应用。确保了开发的装置可互操作。现在，埃施 朗公司公布了 l o n t a l k协议 ， 并使其成为 e i a 7 0 9 . 1 控制联网标准下的一个公开 标 准 。 e i a 标准允许在 自己选定的微处理器中执行其协议。 在应用时， 如果需要更 强大处理器的装置， 在经济上可能比神经元芯片更合算。 但是， 通常最经济地使 用 l o n t a l k 通信协议的方法仍然是购买神经元芯片。 1 . 3 l o n w o r k s技术 1 . 3 . 1建立平台 为了 实 现 控 制设 备 可 互 操作 必 须 解决3 个 基 本问 题川。 首 先， 必 须 开 发 一 个针对控制 网优化的通信协议，同时又具有一定程度 的通用性，能与各种类型 的控制设备一起工作。其次，把协议嵌入到装置中的成本必须有竞争力;第三， 协议不会因销售商而异，否则会破坏可互操作性。 埃施朗公司为了实现控制设备可互操作，在 1 9 8 8年着手 l o n w o r k s技术平 台 的 开 发， 开 始 建 立 一 个 平台 来 设 计、 建 造 和安 装智 能 控制 设 备川。 在 技 术 上， 通过设立 l o n t a l k协议统一标准;在技术推广上，和开发工具一起向顾客提供 通信协议服务。l o n w o r k s技术的发展目标就是建立一个方便和经济的开放控制 平 台。 1 . 3 . 2神经元芯片 神 经 元 芯 片 ( 1 1 (4 1 ( 3 2 1 ( 3 6 是l o n w o r k s 技 术 的 神 经 中 枢 。 神经元芯片的来历起源于神经元细胞。神经元是人脑的细胞。人脑中没有 控制中心，几百万个神经元联网，每个神经元通过为数众多的路径向其他神经 元发送信息 ;每个神经元通常都有某一专门功能，但失去任何一个不一定影响 西 南 空 业 大 尝 醚登些这一一塑兰卫些些 一 网络的整体性能。埃施朗根据网络控制机制和人脑的相似性设计了网络控制芯 片 一一命名为神经元芯片。 神经元芯片之优越在于它的完整性。内装协议和处理器免除了开发者和系 统集成人员在底层通信方面 的开发和编程 。神经元芯 片提供 了通信协议 的 i s o / o s i模型前面的 6层。开发者和系统集成人员只需要提供应用层编程和配 置。神经元芯片使协议的使用标准化，并使开发和配置较为容易。 神经元芯片基本上是一个 “ 芯片上的系统” ，由多个微处理器.读写存储器 和只读存储器 ( r a m和 r o m ) 、通信和 i / 0 接 口组成。只读存储器包含操作系统、 l o n t a l k 通信协议和 i / 0 功能数据库系统。 芯片上有用于装置数据和应用程序的 r a m ，数据和应用程序都可从通信网络上下载。在制造时，每个神经元芯片被赋 予一个永久的、全世界唯一的、4 8 位码长的神经元 i d . l o n t a l k协议以 l o n t a l k固件的形式包含在每个神经元芯片的 r o m中，使 得神经元能保证在每个装置中以完全相同的方式应用协议。 大部分 l o n w o r k s 装 置包含一个具有完全相同的嵌入式 l o n t a l k协议的神经元芯片。这个方法解决 了 “ 9 9 % 兼容性”问题，并保证 l o n w o r k s装置在同一网络上的连接只需要很少 甚至不需要额外的硬件。神经元芯片实际上是结合成一体的 3个 8位的连机处 理器。 其中 2 个用来优化和执行协议; 第 3 个供节点应用。所以， 芯片既是网络 通信处理器又是应用处理器。神经元芯片保证了不论控制装置/ 网络装置来自哪 个制造商，使这些装置能相互通信的内在协议是相同的，从而实现可互操作。 每个神经元芯片，或任何使用公布的 l o n t a l k协议复制件的其他处理器都 有一个被保证是唯一的 4 8 位的 i d ， 因而， 每个使用了装载有 l o n t a l k 协议处理 器的 l o n w o r k s 装置就有 了唯一的可由 l o n t a l k 协议使用的物理地址。但是 ，i d 通常只用于初始安装和诊断。为了简化正常网络运行，用逻辑寻址方法。 . 3 . 3 神经元芯片应用程序 l o n w o r k s网络的应用程序以“ 神经元 c ” 码编写。 神经元 c码实际上是 a n s i c 码， 只做了3 个重大的 扩展 1 1 g 1 3 2 1 1 3 6 1 . 新的语句类型，w h e n 语句触发 “ 事件”和确定任务执行次序。 . 的使用 3 ? 个额外数据类型， 3 5 个 1 / 0 对象， 2 个定时器对象以简化装置控制器 并使其标准化 。 西 南 农 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 塑 里述 wa 生一一一一一一 . 同时可用显式 ( 物理、逻辑、目的地名称寻址 )和隐式 ( 网络变量)报 文格式的报文传送机制。 由于神经元芯片使用的编程语言神经元 c 基本上就是 a n s i c ，易于学习， 大量熟悉 a n s i c和稍有面向对象编程思想的程序员可以直接成为神经元 c的开 发者。 神经元 c以事件为基础编程模型。 换句话说 ， 应用程序通常由发生在网上 其他地方或特定节点上的事件触发， 所以事件驱动 l o n w o r k 。 网络意味着一个装 置不必等待轮询即可通信 ，其业务量远低于如典型的办公室 l a n等网络。 神经元 c码一旦写成，就编译成神经元芯片能理解的 0和 1的集合，并输 入存储器 ，直接输入芯片或连接到芯片。 在某些复杂的应用中，处理器速度和神经元系列的最大存储器容量不足以 完成 l o n w o r k s 节点要求的功能。为了适应这些应用，某些种类的神经元芯片拥 有高速并行接口，使任何微处理器能与神经元芯片联接 ，并以一个专用接 口应 用微处理器 ( 称为 m i p应用)作为它的网络通信微处理器来执行应用程序。作 为替代方案，开放的 l o n t a l k 协议可移植在任何处理器上运行。在这种情况下， l o n w o r k s 装置并不一定都需要一个神经元芯片， 但是所有装置都植入了l o n t a l k 协议 ，并分配给 一个 唯 一的 4 8位 i d用 于寻址 。 3 . 4 收发器 收发器在神经元芯片和 l o n w o r k s 网络间提供物理通信接口。收发器简化了 可互操作的 l o n w o r k s 节点的开发。有各种通信介质的收发器。可用于各种网络 拓扑 。 3 . 5 l o n w o r k s装3 l o n w o r k s 网络中，大部分装置的工作是检测和控制受控系统的组件状态， 通常叫做 l o n w o r k s 控制装置或节点。一般情况下， l o n w o r k s 装置包含有神经 元芯片和收发器 。按照功能划分，装置分为:嵌入传感器和执行器、对外部传统 传感器和执行器的输入一一输出接口、象 p c之类的对主处理器的接口、对其他 神经元的收发器和在路 由器中的收发器接 口。 神经元芯片执行的应用程序体现装置的“ 个性” ，应用程序可能常驻在 r o m ( 只读存储器)中或通过网络下载到读写存储器 ( r a m )中。装置中的应用程序 不仅在网上发送和接收数值 ，也可以对检测到的变量和 p i d ( p r o p o r t i o n a l 工 n t e g r a l d i f f e r e n t i a l ) 环路控制之类的控制逻辑和数据记录等作相应的数据 处理 ( 例 如 :线性 化 ) 。 西南农业大学硕士学位论文 第 1 章 文献综述 36 路 由器 路 由器 实现 不 同传输 介质 的 l o n w o r k s网络之 间的互连 。也就是说 ， l o n w o r k s网络对多种介质的支持通过路由器来实现。路由器也能用于控制网络 业务量，将网络分段，抑止从其它部分来的数据流量，从而增加了网络总通过 量和容量。对多种介质的透明支持是 l o n w o r k s技术的独特能力，使开发者能选 择最适合他们需要的介质和通信方法，更经济、有效地搭建 l o n w o r k s 网络。 路由器装置使单一的对等网络能跨接许多类型传输介质，支持成千上万的装 置。路由器通常有 2个互联的神经元，每个神经元有一个适用于 2个信道的收 发器。路 由器就连接在这 2 个信道上。路由器对网络的逻辑操作是完全透明的。 按照功能划分，路由器分为:智能路由器充分了解系统配置 ，能将没有远地地 址的包闭塞;穿越路由器，使 l o n w o r k s 系统能在象因特网这样的广域网上跨接 巨大的距离;自动配置路由器 ，以网络拓扑为基础 ，使安装者便于安装并对节 点透 明 。 1 . 3 . 7 开发工具 开发工具 州 。 ， 通常包括;一个在节点上开发和调试应用程序的环境、一个 安装配置这些节点的网络管理器和一个检测网络业务量以保证合适的网络容量 和检出错误的协议分析器。 l o n w o r k s开发工具主要有基于 l o n w o r k s的控制网设 计和测试 各个 节 点的工具 ( 例如埃 施 朗的 l o n m a k e r t f o r w i n d o w s , n o d e b u i l d e r )以及 h m i ( h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e )工具 ( 例如 w o n d e r w a r e s i n t o u c h ) e 1 . 3 . 8 网络适配器 网络接 口并不连接控制传感器和执行器， 而是外部主机 ( 例如 p c 或便携式 维护工具) 的物理接 口。 网络接 口应用程序提供通信协议和 a p i ( 应用编程接口) ， 让基于主机的程序 ( 例如网络工具) 能访问 l o n w o r k s网络。 埃施朗的 p c l t a - 2 0 l o n t a l k适配器是封装在标准 p c i 适配器卡上的网络接口装置。它插入 p c内部 p c i 总线， 让网络工具 ( 如l n s 一一l o n w o r k s n e t w o r k s s e v e r 和l o n m a r k e r f o r w i n d o w s等 )能访 问网络 。 网关是外系统装置或通信总线的物理接 口。 专用的传统控制系统通过网关连 接到 l o n w o r k s 系统。网关应用程序是对接本、外地系统的专用通信协议.网关 根据需要在这两个协议间翻译，以便让报文在两个系统间传输。在某些情况下， 网关能把专用的以指令 为基础 的外系统报文转换成以信息为基础的 l o n w o r k s 网 西南农业大学硕士学位论文 第 i 章 文献综述 络使用的 s n v t ( s t a n d a r d n e t w o r k s v a r i a b l e t y p e ) 。但是，我们不能将网关 错误理解为网络中的一个装置，而它是一个外部对象 ，是不相似系统之间的一 个联系。即。 使报文能在两个系统间传输， 使分离的操作系统和网络工具集成工 作到一起 .满足控制的要求。 3 . 9 网络操作系统 网络操作系统川一一n o s ( n e t w o r k o p e r a t i n g s y s t e m ) 不仅提供支持监测、 控制、 安装和配置的一套公共的全网范围的服务， 而且提供编程扩展，以方便网 络管理和维护工具的使用。l o n w o r k s n o s还必须额外提供对 h m i和 s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ) 应用程序的数据访问业务以 及通过 l c n w o r k s或 i p网络的远程访问，并且可在一个或多个用户的