（电力电子与电力传动专业论文）lonworks实时通讯系统的模块化设计研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：a st h ed e v e l o p m e n to fn e wt y p ee l e c t r i c a lt r a i n ，t h et r a i nh a sh i g hq u a l i t y r e q u i r e m e n t st ot h ep e r f o r m a n c eo ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a n du n t i ln o wt i m e , t h ed e v e l o p m e n to ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k so fo u rc o u n t r yi so nt h ep e r i do f p r o d u c t si m p o r ta n da b s o r p t i o n ，t h ed e v e l o p m e n t sc o s ti st o oe x p e n s i v e a st h es p e c i a l i t yo ft r a i nn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，i tr e q u i r e st h en e t w o r k so fd i f f e r e n t c a r r i a g e sh a v et ob ei s o l a t e d b u tw h e nt h e r ea r ed a t a st ob et r a n s p o r t e d ，h i g hq u a l i t y r e q u i r e m e n t st ot h ep e r f o r m a n c eo f t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sw i l lb en e e d e d t h i s a s k sf o rn e wd e m a n d so fn e t w o r kt o p o l o g ya n dd a t at r a n s m i s s i o n s o ，i nt h i sp a p e r , a f t e rw ei n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，w ea d o p tl o n w o r k st e c h n o l o g yo ft h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i e e e14 7 3 19 9 9t ot r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka p p l i c a t i o n sf o rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t w ed e s i g na l li n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o nn o d e w h i c hc a nb ea p p l i c a t e dt o t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a st h es p e c i a lu n i q u eo ft r a i nn e t w o r k s ，w ed e s i g nat w o l a y e r ss t r u c t u r eo ft h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，a n dap r o x yn o d et oa c h i e v et h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et r a i nl e v e la n dt h ev e h i c l el e v e l o nt h i sb a s i s ，at r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ke x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd e s i g n e da n de s t a b l i s hb a s e do n l o n w o r k sn e t w o r kt e c h n o l o g y t h en e t w o r ki n c l u d e st h et r a i nb u sa n dt h ev e h i c l eb u s a st h et w ol a y e r sb u ss t r u c t u r e ，t h et e m p e r a t u r ei sm o n i t o r i n gi t e m ，w i t hi n t e l l i g e n t c o m m u n i c a t i o nn o d ea st h em o n i t o r i n gn o d e sa n dw i t ht h ep r o x yn o d em a n a g i n gt h e v e h i c l eb u sa n dt h ei n t e l l i g e n tc h i e fm a n a g i n gn o d em a n a g i n gt h ew h o l et r a i n ，t h u s c o n s t i t u t i n gat r a i nm o n i t o r i n gn e t w o r ke x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h e nw eg oo nw i t ht h e r e l e v a n tc o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n t sa n db a s i c a l l ya c h i e v e dt h ed e s i g n i n gp u r p o s e b yd e s i g n i n ga n de x p e r i m e n t i n go f t h ei n t e l l i g e n tn o d e sa n de x p e r i m e n t a lp l a t f o r m f o rt h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，w el a yat h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o r t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta n dr e a lv e h i c l ea p p l i c a t i o nf o rt h et r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k k e y w o r d s ：l o n w o r k s ；s l a v ebm o d e ；n e u r o nc h i p ；t r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ；h o s t - b a s e dn o d e ；m o d u l a r i z ed e s i g n c l a s s n o ： 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：别岳麦签字日期：卅年厶月z 吵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：言0 承宗 导师签名：j 匀钇j ij 吗 签字日期：印年多月矽1 7 1签字日期：z 川年占月 致谢 首先要感谢我的导师汤钰鹏副教授和指导老师胡小刚老师。本系统的总体方 案设计、功能模块设计、具体实现过程和论文的撰写都是在两位老师的悉心指导 完成的。特别感谢胡小刚老师在作者的整个研究生学习过程中对作者的指导、鼓 励以及鞭策，还有在工作、生活中的关心和帮助。两位老师渊博的科学知识、严 谨求实的工作作风和勤奋敬业以及诲人不倦、平易近人的态度始终激励着我。他 们渊博的学识水平，严谨的治学风范，勤勉的工作精神，求实的科研作风，诚恳 的待人方式，以及高度的负责精神，都将使我受益终生。在以后的工作学习中， 我也将以两位老师为榜样来追求一名科技工作者应具备的素质和品质。 在课题的研究过程中，我还得到了电气实验中心徐建军老师、电控系黄或老 师、修三木老师和刘宏亮、张晔、王文军、张瑜、李丽娜、王蒙蒙、刘佚、吴吴 等同学的支持和帮助，在此我向他们表示最真诚的谢意! 最后，向所有曾给予我帮助的电气学院的各位师长，学友致以最衷心的感谢! 刘承宗 2 0 0 9 年6 月 绪论 1 绪论 1 1 列车通信网络技术 列车j 下朝着高速化、自动化和舒适化的方向发展，其技术特点主要体现在微 机控制、交流传动、低动力作用转向架这三个方面。微机控制技术又向网络化、 智能化和通用性等方向发展。网络化的关键技术在于列车网络，列车网络是列车 微机控制系统的神经中枢，越来越多的信息( 诸如状态、控制、故障诊断、旅客服 务等信息) 依赖网络实现了安全、快速、可靠、准确的传输与交换。 国外已运行的高速列车( 如德国的i c e ，法国的t g v 、日本的新干线等) 部分装 有完整的通信网络，相应的设备已经开发成熟( 如西门子公f 1 ) 。近年来随着国内交 流传动大功率机车、动车组、城市轨道交通车辆研究工作的开展，列车控制技术 已从单台设备逐步向网络化方向发展。列车网络控制技术已成为大功率机车、动 车组的标志性技术之一，它已引起越来越多研究工作者的兴趣与重视。 相比于西方国家，我国对列车通信网络的基础研究和开发应用相对较晚，但 是随着我国铁路跨越式发展目标的提出，我国已经初步建立动车组和大功率电力、 内燃机车技术平台，系统掌握了万吨级重载技术，并且成功实施了六次大面积提 速。顺应国际的发展潮流，越来越多的列车采用了列车通信网络，借助微电子技 术和分布式现场总线技术的发展，利用网络实现了对车载设备的集散式监视、控 制和管理，逐步实现了列车控制系统的智能化、网络化与信息化。 因此，研究开发具有开放性、可靠性高而功能完备的列车网络通信系统对于 我国铁路今后的跨越式发展将具有重大的意义。 1 2 国内外列车通信网络技术的发展与现状 随着科学技术的不断发展和在各行业领域的广泛应用，越来越多的证据证明， 某一行业或更广泛领域内技术标准的统一越来越重要，并成为制约或促进行业技 术发展的一个极为重要的因烈i j 【2 j 。在铁路系统中也存在同样的问题，如果没有统 一的标准，各车辆系统制造商往往沿着自己的技术标准，开发出专有的，与其他 厂商互不兼容的产品，以限制用户只能使用他们的系统，不利于产品和技术的竞 争，提高了采购和维护成本，制约了相关技术的发展。 过去相当长的一段时间内，铁路系统列车网络通信技术就处于一种无标准的 状态，在很大程度上制约了列车网络监控系统技术的发展。 2 0 世纪7 0 年代术至8 0 年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和b b c 公司出现f 3 】。开始仅仅是用于传动装置的控制，随着控制、服务对象的增多，列车 通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业标 准推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列 和全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。如瑞士a d t r a n z 公司的m i c a s 系 统、德国s i e m e n s 公司的s i b a s 系统、日本的t i s 系统及法国a l s t o m 公司的 f i p 系统等。但这些系统由于自成体系，缺乏统一的通信协议及标准，互不兼容。 为此，i e c 第9 技术委员会t c 9 于1 9 8 8 年成立了第2 2 工作组w g 2 2 ，并于4 年 后向各国发出列车通信网t c n 的征求意见稿，总体结构把列车通信网规定为由多 功能车辆总线m v b 和绞线式列车总线w t b 组成。 同时在北美地区，由一家美国公司e c h e l o n 于9 0 年代初开发的主要用于建筑 自动化和工业控制的现场总线l o n w o r k s 被部件供应商和铁路公司所接受。加拿大 庞巴迪和r 本川崎等公司就已将l o n w o r k s 用作列车通信网络，用在他们为纽约生 产的地铁车辆上。 1 9 9 9 年，对于列车通信网络，国际上制定了两个相应标准；i e c ( 国际电工委 员会) 制定的列车通信网络和i e e e ( 美国电气与电子工程师协会) 制定的列车 网络通信协议。后者的内容范围包含了前者，它规定了两种类型的列车通信网 络：t 型和l 型。t 型既t c n 网络( 列车通信网络) ，l 型为自由拓扑双绞线信道 规范规定的l o n w o r k s 通信网络。该协议包含了i e c 6 1 3 7 5 1 规定的t c n ( 1 4 7 3 t1 和7 8 k b p s 数据速率的l o n w o r k s ( 1 4 7 3 l ) 【4 j 。随后，t c n 得到了在制动、车门、 粘着、厕所、仪表、显示、自动控制等方面的许多部件供应商的支持，使其在欧 洲各种铁道机车车辆得到广泛应用。 随着我国高速动车组技术的引进和动车组研究的升温，铁路行业对列车通信 网络、机车的重联控制通信的需求不断加大，已经有很多相关部门开始了与列车 通信网络有关的课题研究和联合开发、技术引进工作。国内目前列车监控系统 l o n w o r k s 现场总线技术的应用也在不断增加。已经投入使用的有用于内燃动车组 ( 曙光号、神州号) 点对点通信，实现首尾机车的重连控制。在新设计的动车组 上，有的用于列车总线( 多个节点) ，有的用于车辆总线( 多个设备) 【5 】根据上 述两大国际标准，并结合国内铁道牵引的实际情况，参照上述两大国际标准，并 结合国内铁路牵引的实际情况，2 0 0 2 年，我国铁道部也制定了相应的中华人民 共和国铁道行业标准- n 车通信网络。本标准同样规定了两种类型的列车通信 网络：t 型和l 型。目前，国内列车通信网络的应用主要集中在l 型网络。 在铁路系统内采用开放的i e e e 标准将可以保证多厂家产品的互操作性，从而 可以帮助促进供应链中每一环节的竞争力，加快技术的发展。 2 绪论 1 3 研究思路及论文工作 1 3 1 研究思路 通过神经元芯片【6 】【7 】【8 1 ( n e u r o nc h i p ) 开发出智能通信节点最小模块，通过加载 在智能节点上，完成车辆控制单元与车辆总线之间的通信功能。在本系统中，智 能通信节点为基于主机的节点类型，主处理器选用8 0 c 1 9 6 芯片，主处理器通过神 经元芯片与车辆总线进行通信，完成网络管理、监视、控制及存储历史数据等功 能，并通过串行电气接口与底层的传感、执行装置进行通信，完成数据的采集、 分析与控制功能并且完成其他分控制器的部分数据分析和控制功能。神经元芯片 小模块仅仅完成和车辆总线的通信功能。列车通信网络系统采用总线型拓扑结构， 车辆总线采用l o n w o r k s 网络。 1 3 2 论文工作 1 ) 首先对于国内外列车通信网络的起源、发展、及现状进行了分析研究，并 总结了l o n w o r k s 现场总线技术的独特之处和相对于其他控制技术的优势，并从应 用的角度对l o n w o r k s 的核心技术进行了阐述，包括神经元芯片、n e u r o nc 编程语 言和l o n t a l k 协议等几方面的内容。 2 ) 对于l o n w o r k s 现场总线技术在列车只能通讯网络中的实际应用进行了研一 究，设计开发了基于主机的智能通信节点和智能代理节点，分别采用从b 并行通 信方式和s p i 通信方式实现节点内部芯片的通信【9 】，完成了两个节点的软硬件设 计。 3 ) 利用设计好的节点组建了小型列车通信网络模型试验平台，进行了相应的 列车网络功能设计和软硬件实现，并实现了基本的网络通信。 3 2l o n w o r k s 现场总线技术和原理 2 1l o n w o r k s 技术概述 l o n w o r k s 是美国埃施朗( e c h e l o n ) 公司在8 0 年代后期开始提出的。l o n w o r k s 网络由智能设备( 如传感器、制动器和控制器等) 组成，它们之间用一种共同的 协议( l o n t a l k 协议) 进行通信，占有一个或多个通信信道。其采用面向对象的设 计方法，通过网络变量把网络通讯设计简化为参数设置，大大地提高了开发速度， 其通信速率从3 0 0 b p s 一- 1 1 5 m b p s 不等，直接通信距离约3 0 0 0 m 。 l o n w o r k s 包含所有设计、配置和维护网络所需要的技术：3 1 2 0 、3 1 5 0 n e u r o n 芯片；n e u r o n c 编程语言；l o n t a l k 协议：l o n w o r k s 收发器；l o n b u i l d e r 和 n o d e b u i l d e r 开发工具等。l o n w o r k s 网络系统由智能节点组成，每个智能节点可具 有多种形式的i o 功能，节点之间可通过不同的传输媒介进行通信，并遵守i s o o s i 的七层模型协议。 l o n w o r k s 现场总线是一种开放的网络平台控制技术，它提供了一个平坦的、 对等的控制网络构架，它给各式各样的网络应用提供了端到端的解决方案。也就 是说，它提供了一个标准的网络协议，任何符合协议的产品都可以在控制网上实 现无缝连接，使得每个厂家生产的设备都不需要考虑他们之间的兼容问题。 l o n w o r k s 现场总线在赋予所有设备智能化，并保障相互运用的同时，以p e e r - t o p e e r 方式按照开放型标准实现相互连接，从而使上述智能型设备无论何时何地都能接 入的控制技术。 l o n w o r k s 以其优秀的分布处理能力、开放性、互操作性、多媒介适应能力以 及多网络拓扑结构等特点，适应了未来发展对测控网络的要求。 2 2n e u r o n 芯片 2 2 1n e u r o n 芯片简介 l o n w o r k s 技术的核心是n e u r o n 芯片( 神经元芯片) ，它是由e c h e l o n 公司研 制的一种集通信、控制、调度和i o 支持为一体的高级v l s i 器件。神经元芯片是 智能节点的核心，它提供通信、控制、介质访问、i o 接口、i o 应用库、l o n t a l k 协议、操作系统等软、硬件功能模块，并通过收发器实现与外部的通信，其主要 性能特点如下： 夺3 个8 位的c p u ，输入时钟范围：6 2 5 k h z 一1 0 m h z ； 夺1 1 条可编程i o 引脚，有3 4 种可选的工作方式； 片上有1 k b ，2 k b 的r a m ，或e e p r o m ，r o m 等； 夺有2 个1 6 位的定时器，计数器，有1 5 个软定时器； 4 l o n w o r k s 现场总线技术和原理 令其休眠工作方式能在维持操作的情况下降低电流损耗； 网络通信端1 2 1 有单端、差分和专用3 种方式，发送速率为 6 10 b p s 1 2 5 m b p s ； 令固件包括l o n t a l k 协议，i o 驱动器程序，事件驱动多任务调度程序： 令服务引脚用于远程识别和诊断； 有4 8 位内部n e u r o ni d ，用于唯一识别n e u r o n 芯片： 内置低压保护，以加强对片内e 2 p r o m 的保护。 2 2 2n e u r o n 芯片结构介绍 神经元芯片目前由t o s h i b a 和c y p r e s s 两家公司研制和生产，主要包含3 1 5 0 和3 1 2 0 两大系列。3 1 2 0 系列芯片支持小型的应用程序，适用于简单的低成本系统， 芯片中包含e 2 p r o m 、r a m 、r o m 存储器；而3 1 5 0 系列芯片内部无r o m 存储 器，但支持外部存储器扩展，用于开发较复杂的应用系统。图2 1 为神经元芯片的 结构框图。 f i g u r e2 1n e u r o nc h i pb l o c kd i a g r a m 图2 - 1 神经元芯片内部结构图 神经元芯片内部装有三个8 位的微处理器，分别为m a c 处理器( 通信处理器) 、 网络处理器和应用处理器，其3 个c p u 分工不同。 ( 1 ) 介质访问控制处理器：介质访问控制处理器主要控制七层网络协议中的1 2 层，它包含驱动通信子系统的硬件以及避免冲突的算法。 ( 2 ) 网络处理器：网络处理器完成七层网络协议中的3 - 6 层网络协议，它处理 网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等功能。网络 处理器使用共享存储器中的网络缓冲区同介质访问控制处理器通信，使用共享存 储器中的应用缓冲区同应用处理器通信。在更新共享缓冲区的数据时，用硬件信 号来仲裁对共享缓冲区数据访问的冲突。 ( 3 ) 应用处理器：应用处理器完成用户的编程，其中包括用户程序对操作系统 的服务调用。 三个c p u 之间的相互联系如图2 2 所示。 f i g u r e2 - 2p r o c e s s o ro r g a n i z a t i o nm e m o r ya l l o c a t i o n 图2 2 处理器结构及存储区分配 2 3l o n t alk 通信协议 2 3 1l o n t alk 协议介绍 l o n w o r k s 技术的核心是l o n t a l k f i o 】【i l 】【1 2 】通信协议。该协议提供一套通信服务， 使装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接受报文而无需知道网络拓扑、 名字、地址或其他装置的功能。 t a b l e2 - 1l o n t a l kp r o t o c o ll a y e r i n g 表2 - 1l o n t a l k 协议的各层功能 层次层次 服务 l o n 提供的服务处理器 7应用层 网络心用标准嘲络类型 应用c p u 6表力层 数据表示喇络变量、外部帧传输 | 】c ) 9 络处理器 5会衍层 远程摇控请求l l l 向应，i x 证，网络管理嘲络处理器 4 传输层 端对端的可靠传输心答、非心答、点对点及双霞榆测州络处理； 3 网络层 传输分组地址、路由网络处删器 链路链路层 帧结构帧结构，c r c 错洪检盘数据解玛m a c 处理器 2 层m a c 了层介质沈问可预测c s m a ，冲突避免，优先级m a c 处理器 l物理层电路连接介质、电气接口m a c 处理器 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。它和以太网和 因特网协议一样，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 6 l o n w o r k s 现场总线技术和原理 构要求。可是，l o n t a l k 协议设计用于控制系统而不是数据处理协议的特定的要求。 每个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。 表2 1 列出的是对应七层o s i 参考模型的l o n t a l k 协议为每层提供的服务。 l o n t a l k 协议体现网络变量( n v ) 的革新观念，所谓网络变量是任何数据项 ( 温度、公开、或执行器位置设定) ，它们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 ) 或期望提供给网络上其他装置的( 输出n v ) 。应用程序 的输出( 输入) n v 的值变化时，它就只是把这个新值写入( 读出) 一个特定的存 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 的装置组和其他装置的逻辑地址，汇集和 发送适当的包到这些装置。 在l o n t a l k 中可以把逻辑地址分配给节点，以此简化网络配置和管理。逻辑地 址让用户把一个名字和物理装置或节点配合。使用l o n t a l k 的控制网中的逻辑地址 在网络配置时定义。使用l o n t a l k 协议的系统中每个域可以有3 2 3 8 5 个以下的装置。 一个域中可以有2 5 6 个以下的组，每个组可以有如意数目的分配给它的节点，只 是在需要端到端的确认时，组被限制在6 4 个节点。每个节点可以属于1 5 个以下 的组。 l o n t a l k 协议提供三种基本服务并且支持鉴别的报文。最优化的网络会经常使 用这些业务。第一类报文服务提供端到端的确认，称为确认的报文发送。第二类 报文时不确认的重复报文。第三类报文简单的就是不确认的报文。报文鉴别服务 使报文接收者能确认发送者是否有权发送这个报文，这样，鉴别就能防止对节点 的未经受权的访问。鉴别功能是在安装是分布4 8 位密钥到节点而设立的。 l o n t a l k 协议的设计是独立于传输介质的，能支持由不同介质的网段组成的网 络。协议还提供可改变的配置参数，以便折衷某一特殊应用的性能、安全和可靠 性。下表总结几类广泛应用的信道的特征。 t a b l e2 - 2c o m p e r i s o no fs e v e r a lc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s 表2 - 2 儿种信道的特征比较 信道类型 介质数据速率最多节点数最人距离 t p x f l2 5 0双绞线总线型1 2 5 m u s 6 4 1 2 5 m ( 总线长度) t p x f 7 8 双绞线总线型7 8 k b p s 6 413 3 0 m ( 总线k 度1 t p f r - l o 双绞线灵活拓扑7 8 k b p s 6 4 ( 女u 采通过链路供l 乜町达j 2 8 ) 5 0 0 m ( 节点到节点1 p l 2 x 电力线5 k b p s 5 0 0 视环境丽定 为了提高l o n 网络的可靠性和实时性，l o n 采用了独特的冲突避免算法。 l o n t a l k 协议m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层采用了带预测的p 一嘬持c s m a c d 7 【1 3 1 4 1 协议实现冲突检测和优先级。带预测的p 一坚持c s m a 协议对所有节点都根 据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，有效地避免了网络频繁碰撞。 2 3 2l o n t aik 协议的特征和优点 总而言之，l o n t a l k 协议可从事的多种服务提高了可靠性、安全性和网络资源 的优化。这些服务的特征和优点包括： 支持广泛范围的通信介质，包括双绞线和电力线。 夺支持可靠通信，包括方法未经受权使用系统。 无论网络规模，提供可预测的响应时间。 夺支持混合介质和不同通信速度构成的网络。 提供对节点透明的接口。 支持几万节点，但在只有几个节点的网络中同样有效。 支持节点间的任意连通。 允许对等通信，这样就使它可用于分布式控制系统中。 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和其他制造 商的产品共享标准物理量的信息。 实施协议内网络管理问题的解决方案。 2 4n e u r o nc 编程语言与l o n w o r k s 开发工具 神经元芯片有着自己的编程语言，n e u r o nc 【1 5 】【16 1 ，它是一种专门为神经元芯 片设计的，以a n s ic 为基础的编程语言，它同时加入通信、事件调度、分命数据 对象和i o 功能，直接支持神经元芯片的固件，是编写神经元芯片程序和开发 l o n w o r k s 应用的最为重要的工具。 为了满足智能分布控制应用的需要，n e u r o nc 有自己扩展的运行库和语法， 这些扩展功能包括：软件定时器、网络变量、显示报文、多任务调度、e e p r o m 变量和其他多种功能。 l o n w o r k s 技术提供了两种现成的节点开发工具： 设备级丌发工具n o d e b u i l d e r t l 7j 和系统级开发工具l o n b u i l d e r 。 1 ) n o d e b u i l d e r ，其提供对单个设备的编程和调试丌发环境，它不包含系统集 成和测试工具。n o d e b u i l d e r 开发工具是一个用来开发l o n w o r k s 节点的丌发工具， 是一个硬件和软件的平台。它在硬件上包括p c n s s p c 接口卡，l t m 1 0 a 模块和 m o t o r o l ag i z m o4i o 板。在软件上n o d e b u i l d e r 开发工具包括n e u r o n c 编辑器、 n e u r o n 连接器、c 调试器及设备定义和控制工具。 2 ) l o n l 3 u i l d e r ，它是l o n w o r k s 技术中最主要的一个开发工具，它包含了开发 l o n w o r k s 现场总线技术和原理 l o n w o r k s 节点和系统网络样机所需的所有工具和部件。这个多节点开发系统提供 了可在两个到数百个节点的网络开发中建立应用软件和硬件样机测试的工具。它 分包括节点开发器，网络管理器，协议分析器和报文统计器。 2 5l o n w o r k s 通信网络控制系统介绍 l o n 网络控制技术囊括了设计、调度以及支持智能分布控制系统的所有要素。 且l o n 总线在网络开放性和网络互操作性等网络处理能力等方面具有很大的优势。 l o n w o r k s 技术自从推出后，发展很快。至今它的应用范围几乎包括- j n 控应用的 所有范畴。 下图2 3 为基于l o n w o r k s 技术的现场监控网络。 幽因 f i g u r e2 - 3f i e l dm o n i t o r i n gn e t w o r kb a s e do nl o n w o r k st e c h n o l o g y 图2 - 3 基于l o n w o r k s 技术的现场监控网络 l o n w o r k s 总线的每个控制节点称为l o n 节点或l o n w o r k s 智能节点，节点的 内容包括软件和硬件部分，软件包括l o n t a l k 协议、n e u r o n 固件、应用程序等， 硬件包括n e u r o n 芯片、外部存储器和相关电路、l o n w o r k s 网络收发器等。 节点分为两类，一类是基于n e u r o n 芯片的节点，节点中不再出现其它处理器， 它利用n e u r o n 芯片完成包括通信以及用户应用程序在内的所有工作；另一类基于 主机的节点，节点中除了n e u r o n 芯片以外，还有其它的处理器【1 8 】【19 1 。 1 ) 基于神经元芯片的控制节点 在典型的l o n 节点中，n e u r o n 芯片是节点的核心，它包括一套完整的通信协 议，即l o n t a l k 协议，从而确保节点l 日j 使用可靠的通信标准进行互操作。 图2 - 4 示意的是一种典型的l o n 节点( 即n e u r o nc h i p h o s t e d 节点) 的方框图。 在这种节点中，n e u r o n 芯片是唯一的处理器，适合于i o 设备简单，处理任务不 复杂的系统，我们称之为基于n e u r o n 芯片的节点( n e u r o nc h i p h o s t e d ) 。 9 辱= = = = = = 皇= = = = = 日 l o n 网 f i g u r e2 - 4l o n w o r k sn e u r o nc h i p h o s t e dc o n t r o ln o d e 图2 - 4l o n 基于神经元芯片的控制节点 2 ) 基于主机的控制节点 然而，神经元芯片是八位总线，对一些复杂的控制显得力不从心，这就有必 要添加额外的处理器来组成所谓的基于主机的节点。图2 5 示意的为一种基于主机 的节点( 既h o s t b a s e d 2 0 】【2 l 】节点) 的方框图。 i 收发器j t 一 仁一：兰旦整马 f i g u r e2 - 5l o n w o r k sh o s t - b a s e dc o n t r o ln o d e 图2 - 5l o n 基于主机的控制1 了点 在基于主机的节点中，n e u r o n 芯片只作为通信处理器，充当着l o n 网的网络 接口，节点应用程序由主处理器来执行，这类节点适合对处理能力、输入输出能 力要求较高的系统，我们称之为基于主机的节点( h o s t b a s e d ) 。 本论文主要开发的就是这种节点，并把n e u r o n 芯片，f l a s h 存储器，收发器集 成到一个独立的小板子上。让它在主机控制节点上担任计算机独立网卡的作用， 由于它实际上是个n e u r o n 芯片的最小系统，可用于符合通讯速率条件的l o n 网中 任意节点上，区别的只是f l a s h 芯片中的程序有差别。 2 。6 本章小结 本章着重介绍了l o n t a l k 协议、神经元芯片的功能、n e u r o nc 编程语言、l o n 现场控制节点类型、n o d e b u i l d e r 开发工具等内容。 通过对这些内容的介绍，我们能够了解到l o n w o r k s 不同于其它现场总线的技 术特点，而正是这些核心技术决定了本文对列车通信网络研究设计采用l o n w o r k s 总线技术。 l o 瓣藿嘴丽啐塑 l o n 网络节点硬件结构模块化设计 3l o n 网络节点硬件结构模块化设计 3 1 引言 目前，在铁路行业中新型机车车辆及高速动车组的应用越来越广泛，需要对 列车的运行状态和故障信息作出快速准确的判断和处理，传统的机车车辆控制技 术已经显得力不从心。应用l o n w o r k s 现场总线技术到列车通信网络中进行列车运 行检测和故障信息判断，可以满足高速动车组高速、安全、稳定运行的要求。 在列车通信网络的分布式控制系统中最主要的是机车车辆中的现场智能设 备，由它们完成整个列车的防滑器工作状态监测、车电监测、车门、火灾险情监 测、制动系统监测、走行部动力学性能检测和轴承状态监测等所有数据采集和处 理工作，从而实现在线监测诊断各车厢各监测对象的运行状态，并在列车级进行 集中显示、报警。 按照列车通信网络的国际惯例和我国国家标准，一般列车通信网络分为车厢 级网络和列车级网络两层结构。代理节点是联接列车网和车厢网的桥梁，有2 个 独立的l o n w o r k s 通讯接口。上行l o n w o r k s 通讯接口负责列车级网络通信，接收 列车主机的信息，并将信息转发给下行l o n w o r k s 通讯模块。下行l o n w o r k s 通讯 接口负责车厢级网络通信，转发集中控制命令，接收车厢级各应用节点传输的参 数、工作状态等信息。 本章就针对列车通信网络的主要组成部分智能通信节点【2 2 】【2 3 1 和智能代理节点 2 4 】进行相应的硬件开发设计，使之在硬件上具备完成复杂的测控、处理任务的能 力和与列车网络上其他智能设备共享数据和控制信息的能力。 3 2 智能通信节点的功能和硬件设计 在本课题中设计开发的一号智能通信节点具备检测机车车辆中的温度检测 ( 集成温度传感器) ，同时还具有外部电压监测、l e d 显示和较强的功能扩展处理 能力。由于它需要具备完成复杂的测控、处理任务的能力，因此智能通信节点的 设计以i n t e l 公司的1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k b l 2 5 为主处理器的l o n w b r k s 主机节点结构。 以数字温度传感器：d s l 8 8 2 0 1 2 6 为监测器件，n e u r o n 芯片为从处理器，主从处理器 之间通过并行通信传递数据【2 、协同工作，使节点具备了与l o n w o r k s 总线的通信 接口，能够方便的与列车中的其他智能设备进行信息共享。 各部分具体功能：主处理器8 0 c 1 9 6 主要完成温度采集任务，同时还能实现外 部电压信号的采集、a d 转换、数码显示等测控和数据处理功能；以n e u r o n 芯片为 核心的通信子模块作为通信协议处理器实现与l o n 网通信接口的任务，图3 1 给出 了8 0 c 1 9 6 智能通信节点的简要硬件结构框图。 f 温度检测| 1 、 j f l a s h id s l 8 8 2 0r 叫 a t 2 9 c o l 0 a l 数码管显示洽= n 蕊猹旷8 0 c 1 9 6 卜 l 复位监控 1h 7 并口、 n e u r o n 一r i x 2 5 0 4 5 一 3 1 5 0 厂e p r o m 一八 i2 7 6 4 卜 z 、 一 蕞 读访问时间：t a c c , n m r t c v c t a d 瑚x t d s r , n l i n 9 0 n s 2 0 0 n s 4 5 n s - 2 5 n s 9 0 n s 1 3 0 n s 读o e 时间： 读 - c e 时间： 写数据建立时间： 写数据保持时间： t o e 舳x ；p w e l m i l l t d s r ，m i n - t o e d o d e 。l n 缸 4 0 n s 9 5 n s 。2 5 n s ( 1 ) ( 8 5 ) a s 4 0 n s 6 1 5 n s t c e ，n 姒t c y c - t a d ，m 舣- t d s r m i i l - t c e d o d e l n 缸 9 0 n s 2 0 0 n s 4 5 n s 2 5 n s l ( 2 ) ( 8 0 ) n s + ( 1 ) ( 8 5 ) jn s 9 0 n s 10 5 5 n s t o s ，m 觚p w e k m i n t d d w ，m x + t w e d o d e m i n 3 5 n s 9 5 n s 6 0 n s + ( 1 ) ( 0 ) a s 3 5 n s 3 5 n s t d h ，m 瓢t d h w ：m i n - t w e d o d c d - n a x 0 n s 9 n s ( 1 ) ( 8 5 ) m s 0 n s 0 5 n s 由于神经元芯片的信号和存储器的信号连接中采用了逻辑器件a c 0 0 和 a c 3 2 ，所以我们必须把它们的时间延迟考虑在内：a c 0 0 最严重的门延迟是8 0 n s ， a c 3 2 是8 5 n s 。上面的不等式中已经把这两种器件的延迟计算在内。 从上面的不等式可以看出所选择的外部存储器符合时间参数的要求，能够满 足时序需要。 存储空间分配 n e u r o n 3 1 5 0 芯片允许寻址的外接存储器空间最高为5 8 k b ，其中需要有1 6 k 字节的片外非易失性存储器( e p r o m 或f l a s h 存储器) 来存放神经元芯片包括 l o n t a l k 协议的固件；另外的4 2 k b 空间作为节点应用程序和有关数据信息的存储 区，此空间也可分配用作l o n t a l k 协议需额外添加的网络缓存器和应用缓存器。 n e u r o n 3 1 5 0 芯片至少用3 块存储空间来存放不同的内容： 存储n e u r o n 芯片固件的非易失性存储器： 1 6 k b 的外接非易失存储器，寻址范围0 x 0 0 0 0 0 x 3 f f f ，用来保存n e u r o n 芯片 的固件。 存储配置以及应用信息的非易失性存储器： 3 1 5 0 芯片提供有5 1 2 b 的片内e e p r o m 来存储配置信息以及应用程序，可以 很方便地在网上直接在线修改应用程序、应用常量以及重新配置。如果应用程序 和常量需要更多的存储空间则必须添加外部e e p r o m ，闪存或非易失性的r a m 。 数据包缓存的可读写存储器： 2 4 , o n 网络节点硬件结构模块化设计 3 1 5 0