（电力电子与电力传动专业论文）lonworks现场总线技术在自动停车场中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w t ho fe c o n o m ya n dd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n , a u t o m o b i l e s h a v e b e e n i n c r e a s i n gg r a d u a l l y i n p e o p l e sl i f e ，b u t t h ec o m m u n i c a t i o n c o n s t r u c t i o nb e h i n di t ，l e a d i n gt h es i t u a t i o no ft r a f f i cc o n g e s t i o ng e t t i n gw o r s ea n d w o v e a st h eb i g g e s td e v e l o p i n gc o u n t r y ，t h e r ei sn ot i m et ow a i tt os o l v et h e p r o b l e mo ft r a f f i cc o n g e s t i o n ，e s p e c i a l l yi m p r o v et h ep a r k i n gs y s t e mt oe a s et h e p r o b l e m o fp a r k i n g t h e n ，w es h o u l dl e a r nf r o m f o r e i g n e r se x p e r i e n c e s ， c o m b i n i n go u ro w ns i t u a t i o no fc i t yt r a f f i c ，v i g o r o u s l yd e v e l o p i n gt h em a c h i n e r y p a r k i n g ，a tt h es a m et i m e ，a ne f f e c t i v em a n a g e m e n ts y s t e mm u s tb ec o n s t r u c t e d , o n l yi nt h i sw a y ，t h ep a r k i n gs i t u a t i o ni no u rc o u n t r yw i l lb ei m p r o v e d t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e sd e v e l o p m e n to ff i e l d b u sa th o m ea n da b r o a d , e m p h a s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fl o n w o r k s ，o nt h eb a s i so ft h i s ，e x p a t i a t eo nt h e r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ei n d e t a i l b ya n a l y s i so nt r a n d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d ， c o m p a r i n gt h e t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o di n m a c h i n e r yp a r k i n g w i t ht h e l o n w o r k sc o n t r o ls y s t e m ，g i v i n gp r o m i n e n c et ot h ea d v a n t a g e so fl o n w o r k s t h e n ，d e s i g nt h eh a r d w a r eo ft h ek e ym o d u l eb a s eo n3 510c h i pi nd e t a i la n ds h o w t h ew o r kp e r f o r m a n c eo f1212 d i nt h ed e s i g n p r o c e s so fs y s t e ms o f t w a r e ， a c c o r d i n gt ot h es c e n e ，t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd i v i d e di n t ot w ot y p e s ：o n em o t o r c o n t r 0 1s o m ec a rb o a r d s ，o n em o t o rc o n t r 0 1o n ec a rb o a r d w ee s t a b l i s hc o n t r o l m o d e l sa c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n , a n dp r o g r a mo ft h e s ec o n t r o lm o d e l s a s t h ef u n c t i o no ft h eu pm o d u l ea n dt h ed o w nm o d u l ei sd i f f e r e n t ，p r o g r a mt h e a p p l i c a t i o n ss e p a r a t e l y l a s t ，i n s t a l ln o d e so ft h en e t w o r ks y s t e ma n dd e b u gt h e m d u r i n gt h e d e b u g g i n g ，a c c o r d i n gt od i f f e r e n td e b u gn e e d s ，u s et h r e ed i f f e r e n tm e t h o d st o m o n i t o r , a n dc i t es o m ep r o b l e m sd u r i n gt h ed e b u g g i n ga n dt h o s es o l u t i o n s k e yw o r d s ：m a c h i n e r yp a r i n g ；f i e l db u s ；l o n w o r k s ；l i f t s l i d i n g 西南交通大学 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 日期： 叶饼 f 叼 f 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任伺淇他个 或集体己经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已敏中作了明确的说明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 f 冲 办 嗡 i 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 以计算机( c o m p m e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 和控制( c o m r 0 1 ) 为代 表的3 c 技术迅速发展，使得网络集成信息自动化正在迅速应用到现场设备、 控制、管理和市场的各个层次，迅速进入工业制造、工业流程、环境工程、 民用工程等广泛应用领域。以嵌入式系统仪表和设备为基础的现场总线控制 系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 正在逐步取代传统的集散控制系统。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。 现场总线将智能设备连接到一条总线上，把作为网络节点的智能设备连接为 微计算机网络，进一步建立了具有高度通信能力的自动化系统，可以实现基 本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及管控一体化等的 综合自动化功能。它是一种集智能传感器、仪表、控制器、计算机、数字通 信、网络系统为主要内容的综合应用技术。 由于现场总线领导了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方 向，它一产生便成为全球工业自动化技术的新起点，受到全世界的自动化设 备生产企业和用户的普遍关注，现场总线的出现使目前生产的自动化仪表、 集散控制系统( d c s ) 、可编程控制器( p l c ) 、控制人机接口面板等产品 在体系结构、技术功能等方面发生重大的变化，原有的模拟仪表将逐渐由智 能化数字仪表取代，也有具备进行模拟信号传输和数字通信功能的混合型仪 表，还有可以检测、运算、控制的多功能变送控制器；可以检测温度、压力、 流量的多功能、多变量传送器；带控制模块和具有故障自检信息的执行器。 它们极大的改变了原有生产过程设备的优化控制系统和维护管理方法。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控 制室的控制模块、各输入输出模块置于现场设备，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，实现彻底 的分散控制。图1 1 为现场总线系统与传统系统的结构对比。由于采用数字 信号代替模拟信号，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。这样为简化系统结构、节约硬 件设备，节约连接电缆与各种安装、维护费用l j 】f 2 】。 西南交通大学硕士学位论文第2 页 图1 - 1 现场总线控制系统和传统控制系统结构的比较 1 2 现场总线的国内外研究概况 现场总线晟早产生于1 9 8 4 年。目前，国际上有几十种现场总线，形成了 百家争鸣的局面，但影响较大的主要有f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s l 、 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i d d b u s ) 、w o r l d f l p 、f fh s e 、p - n e = t 、c o n t r o l n e t 、i n t e r b u s 、 s w i t t n e t 等。同时，虽然在现场总线的i e c 6 1 1 5 8 中只包括上述8 种，但是 l o n w o r k s 、c a n 、h a r t 、d e v i c e n e t 、b a c n e t 等都有自己的应用背景，而 且在自己的领域产生了一定的影响。 从目前典型的现场总线来看，f f 总线技术针对工业过程自动化来开发的， 该协议在满足工业现场环境、安全防爆、总线供电等方面有全面的考虑，工 业过程控制领域的最佳选择是f f 总线技术。c a n 总线具有实时性好，抗干 扰能力强，自动出错处理及故障保护功能的技术特点，可适用于环境复杂、 可靠性要求高的应用研究领域。其目前主要用于控制测试仪器、执行机构的 通信，它应用于过程自动化还不成熟，适合于汽车电子测控网络和野外监测 控制网络。h a r t 协议总线技术实际上不是真正的现场总线技术，它保留了 4 - - 2 0 m a 的模拟信号，既确保了用户原有投资的有效性，也让用户对现场智 能仪表有深刻体会。在国内大量使用的模拟仪表，工业现场仪表没有完全智 能化的今天，采用h a r t 仪表作为一种过渡，很具有现实意义。在断续控制 为主的工厂自动化领域，p r o f i b u s 是较优的现场总线。l o n w o r k s 总线技术可 拥有电力线载波收发技术等独特优势，并消除了布线复杂度，可直接实现与 e t h e r n e t 的连接，具有通讯速率高、通讯距离远的特点，在应用层给用户很大 的自由度，有很好的灵活性，因此，适合于楼宇及电力自动化领域。 我国虽然不是现场总线技术研究开发的国家，但由于经济的快速发展和 新工程项目的大量启动，已成为应用现场总线技术最多最快的国家之一。目 前国内一些系统集成商已经推出了基于不同现场总线标准的现场总线产品， 北京和利时公司、北京华控公司推出的基于c a n 总线的集散系统；北京康拓 西南交通大学硕士学位论文第3 页 公司推出的基于l o n w o r k s 系统；1 9 9 7 年台湾研华公布了采用c a n 总线的 a d m 5 0 0 0 系列；机械部也有积极推广f f ，以取代传统的h a r t 和4 - 2 0 m a 电流环。以各地仪表集团为基础，成立了中国仪器仪表行业协会现场总线专 业委员会c f f c ，己经成为f f 的成员之一，冶金部自动化院于1 9 9 5 年、北 京华控公司于1 9 9 7 年也加入了f f 。中国自动化协会正在大力推广c a n 总线。 l o n w o r k s 技术目前己经成功地应用在我国的电力、楼宇自动化等许多行业， 其中航天部五零二所北京康拓公司、电力部南京自动化院等单位都在积极地 进行研究开发。总的来说，现场总线在我国得到较为广泛的推广和应用【3 】。 1 3l o n w o r k s 现场总线特点 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ，局部操作网络) 局域控制网络是美国 e c h e l o n 公司开发的一种局域网络控制系统。很多人也把它当成一种现场总线 产品，但是与一般的现场总线技术相比较，l o n w o r k s 网络具有以下突出的优 占 j 、 ( 1 ) 互操作性好：完全实现了o s i 网络模型的七层协议。l o n w o r k s 的通信协 议l o n t a l k 是符合国际标准化组织( i s o ) 定义的开放互连模型，任何制造商的 产品都可以实现互操作； ( 2 ) 开放性好：网络协议开放、任何用户平等； ( 3 ) 通信媒介：可用任何媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电 缆、无线电、红外线等，而且可以在同一网络中使用多种通信媒介； ( 4 ) 网络结构：可以是主从式、对等式或客户服务式结构； ( 5 ) n 络拓扑形式灵活：有星型、总线型、环形以及自由型等各种方式； ( 6 ) 网络通信采用面向对象的设计方法：l o n w o r k s 使用网络变量的方法，使网 络通信的设计简化为参数设置，增加了通信的可靠性； ( 7 ) 可带节点数多：l o n w o r k s 网络控制技术在一个测控网络上可带3 2 0 0 0 个 节点； ( 8 ) 采用短消息协议帧； ( 9 ) 开发方便：用户使用时只需要编写应用程序即可。 l o n w o r k s 网络的核心是采用了n e u r o n 芯片，它既能管理通信，同时具 有输入、输出及控制功能。芯片内部含有三个c p u ，分别管理网络通信以及 处理用户应用程序。此外，芯片附有的固件实现了l o n t a l k 通信协议和所有 的任务调度，用户无需把时间用在底层通信及控制上。同时e c h e l o n 公司还 为网络的开发提供了强有力的开发工具、控制模板及网络服务工具等，极大 的缩短了开发周期。为了更好的推广l o n w o r k s 技术，由世界上十几个国家 的1 4 0 多个公司组成了一个独立行业协会l o n m a r k ，负责定义发布和确认 产品的互操作性标准，包括a b b 、m o t o r o l a 、1 1 3 m 、t o s h i b a 、h p 等公司。 特别近十年来，l o n w o r k s 总线迅速发展已广泛应用于工业、楼宇、家庭、能 源管理等领域【】。 西南交通大学硕士学位论文第4 页 1 4 课题的研究意义 随着我国经济的增长和城市化进程的加快，汽车快速进入普通家庭，而 城市交通环境建设相对滞后，导致了交通拥挤和混乱状况严重。作为世界上 最大的发展中国家，如何妥善解决城市化进程中的交通拥挤问题，特别是如 何改善城市静态交通，缓解停车难已经刻不容缓。对此，我们应当在吸取发 达国家的教训和总结成功经验的基础上，并结合我国城市交通的实际情况， 通过大力发展机械式立体停车库，同时建立起一套行之有效的停车管理制度， 才能真正改善我国的停车环境。下面就当前城市停车难现状以及应当采取何 种对策提出一些初步看法【5 】。 l 、我国城市静态交通形势严峻 ( 1 ) 改革开放以来，我国汽车工业有了快速的发展，到2 0 0 7 年底，中 国汽车产量已经跃居世界第三，超过德国仅次于美日，而汽车销量则仅次于 美国为世界第二，预计2 0 0 8 年仍将保持两位数的增长，有望突破1 0 0 0 万辆。 据公安部发布的统计资料，到2 0 0 8 年3 月，全国机动车保有量已超过1 6 亿 辆( 其中私人机动车保有量达1 2 亿) ，其中汽车近6 千万辆。 ( 2 ) 虽然我国国土面积幅员辽阔，可是由于人口众多，人均有效占用土 地资源极为短缺。据有关资料，在我国特大城市人均用地为6 1 5 5 平方米，而 欧美和日本为8 3 6 5 平方米，相差1 2 6 倍。我国城市人均道路面积为4 2 2 平 方米人，而发达国家为2 1 4 平方米人。我国城市道路管网密度为4 8 5 公里 平方公里，而发达国家为1 6 2 1 公里平方公里。 ( 3 ) 伴随着汽车产业的发展，我国的道路交通也有很大发展，高速公路 里程已居世界第二。中国的城市化进程是全球最快的，虽然政府花了大量的 财力和人力用于城市道路交通的建设和改造，但是仍然跟不上汽车数量的激 增，再加上由于城市建设与管理经验不足，使得道路交通拥挤、环境污染、 能源浪费已经成为大城市的通病。 ( 4 ) 目前在我国的大城市，除了动态交通拥挤外，买车容易停车难、有 钱买车无处停车等静态交通难题也日益突出。据有关方面统计，由于汽车的 增长速度远远高于停车位的增长速度，我国每年停车位的缺口高达3 0 0 多万 个，再加上历史欠账，城市停车位远远不能满足需要。比如，北京的机动车 保有量已经超过3 3 0 万辆，但是经政府主管部门备案的合法停车位数量还不 足其一半。北京每百辆机动车所具有的公共停车位不到新加坡、香港、首尔 的三分之一。 ( 5 ) 在城市中建设停车场( 库) 需要投入大量的建设资金、占据大量的 城市空间。按照目前的政策法规和市场环境，解决城市停车问题主要是由政 府承担的一项公益事业，还远未形成一个产业。由于缺乏多元化的投资渠道， 按政府现有的财力，难以单独承担全部的财政支出，而且无法保证车库建成 后的运行、维修。即使有些地方城市财力雄厚，也缺乏足够的场地建停车位。 停车难确实成为一个制约城市有序发展的瓶颈，成为制约人们出行的一个社 西南交通大学硕士学位论文第5 页 会问题。 ( 6 ) 除了车位短缺造成停车难外，停车管理不规范、规章制度不健全、 停车资源配置不均匀、浪费严重、人们的社会公德意识淡薄等因素也是造成 停车混乱的原因。比如，在大城市的繁华地带的公共地下停车场、很多高档 写字楼的停车场往往其车位的使用率还不到一半，利用率不高，与此同时地 面公共停车场则车位严重不足拥挤不堪，还存在乱停乱放等人为因素，更造 成停车混乱。 2 、我国现有机械式立体停车库的建设情况 机械式立体停车库是近几十年发展起来的一种新型停车系统，最大的优 点是能够大量节省有限的地表面积，将停车位向空间和地下发展，采用光机 电方式存取汽车，自动化程度较高，代表了停车场的发展方向。 我国从1 9 9 7 年开始生产和应用机械式停车设备，短短十余年，机械式停 车设备生产企业从仅有9 家，发展到2 0 0 7 年的1 0 0 多家，还有几十家配套企 业，开始成为增长迅速的朝阳产业。下面是我们对国内停车设备主要生产企 业统计得到的一些情况： ( 1 ) 截止到2 0 0 7 年底，中国大陆各种类型的机械式停车库已近3 0 0 0 座， 机械车库泊位的保有量超过4 0 万个，成为世界上采用机械式停车数量仅次于 日本的国家。仅2 0 0 7 年，大陆新安装的机械式停车泊位数就近1 2 0 0 0 0 个， 新增泊位数首次超过日本年l o 万个的平均增长数。特别是2 0 0 3 年以来，我 国机械式停车设备行业进入稳定高速增长期，年销售安装的停车泊位数的平 均增幅达到3 7 ( 如果从2 0 0 0 年开始计，平均增幅则达到6 1 ) ，超过日本 高速增长时期的平均增幅。 ( 2 ) 1 9 9 7 年时，全国只有11 个省市自治区的1 3 个城市有机械式停车设 备，而到2 0 0 7 年底时，已有2 9 个省、自治区、直辖市( 只有西藏和宁夏还 是空白) 的1 1 6 个城市安装了机械式立体停车系统，仅北京市机械式停车泊 位数量就接近1 4 万个。 ( 3 ) 目前，全国从事设计制造机械停车库的企业已经能够生产全部机械 式停车设备，在满足国内需要的同时，还对外出口。据统计，2 0 0 7 年，申报 业绩的4 7 家主要主机制造企业的年销售额超过了2 6 5 亿，其中国内销售额超 过2 4 亿，出口超过2 3 亿。仅国内销售额排名前1 0 位的企业，就占到国内销 售额的6 6 4 ，达1 6 亿；销售的泊位数占总数6 5 9 ，达7 8 3 8 4 个。据业内 专家预计，2 0 0 8 年国内机械式车库的安装量以及销售额仍将保持较高的增长 速度，机械式停车库在停车场( 库) 中所占比例也将进一步提高。 3 、发展机械式立体车库是缓解城市停车难的必由之路 3 3 1 3 4 1 1 3 5 1 1 3 6 根据以上分析，我们认为在政府牵头和统筹规划下，可以从以下几个方 面着手进行： ( 1 ) 大力推进机械式立体停车库的建设 由于机械式立体停车库是向空间和地下发展，能够节约大量的地表面积， 因此其停车密度要大大高于地面停车，在有限的地表面积上能够容纳更多的 西南交通大学硕士学位论文第6 页 车位，停放更多的车辆，被称之为城市“空间的创造者。采用机械式立体 停车的方式，特别适用于老城区、中心城区、c b d 这样的地面停车位置极为 有限、寸土寸金的地区。机械式立体车库向空间和地下发展，一方面可改善 市容环境，另一方面其单车位综合建设成本也比较低。因此，政府对于人口、 建筑物密集的地区，应该明确规定限制地面停车，只允许建设高密度的立体 停车库，这些规定应该形成政策，纳入开发建设规划之中。 机械式立体车库是通过采用光机电方式存取车辆，管理方便、操作简单、 安全可靠、存取速度快、防盗性和防护性较高。目前，世界上最先进的停车 系统已经能够实现全自动、全封闭、高密度、智能化，通过采用机器人大大 简化了车辆存取动作和存取时间，技术成熟、设备运行稳定、故障率低、使 用寿命长，安全、环保、节能，管理与控制功能强大，停车、收费管理方便， 可以实现停车数据远程统计、停车诱导和车位预约，能够方便地并入城市智 能交通网络，停车空间、出入口与道路可以灵活组合，出入口占地少，任何 空间都可以用来停车，是一种高科技产品。 ( 2 ) 进一步完善城市停车系统的统筹规划和规范管理 要从根本上解决静态交通停车难问题，一要靠正确的产业政策和促进机 械式停车设备行业能够不断发展壮大的激励机制，这样将有利于推进机械式 停车系统的建设；二要制定出符合城市静态交通实际的配套管理制度，完善 停车场的管理；三要不断提高市民的社会公德意识，遵纪守法，自觉维护公 共停车秩序。政府应当从停车场建设和停车场管理两方面统筹规划，将静态 停车作为一个系统工程纳入城市交通建设、城市基础设施建设的总体布局中。 要发挥政府、生产企业、社会用户各方面的积极性。同时，应当持续开展“退 路进库的专项治理活动，杜绝乱停乱放，使广大车主承担起整治城市静态 交通环境的义务。 ( 3 ) 积极推进城市停车系统的产业化和市场化 在发达国家，城市停车已经成为一个产业，采用市场化运作方式。据有 关资料，美国每年的停车产业收入达2 6 0 亿美元，能够提供1 0 0 万个就业机 会，占g d p 的3 5 ，是一个很不错的产业，即使在经济萧条时，停车产业 也没有受到多大影响。在日本，经营立体车库有时要比经营旧写字楼更能赚 钱，因此开发商常常把旧写字楼改建成立体车库。 机械式立体停车库在我国出现和使用虽然只有短短十几年，但发展迅速， 方兴未艾，成效显著。我们相信，在政府、业内各界、社会大众的共同关心 和支持下，机械式立体停车系统必将很快成为城市停车的一种重要方式，代 表了今后城市停车的发展方向1 3 0 】。 1 5 本课题的来源和主要研究内容 1 5 1 课题的来源 本文选题来源于安徽马钢智能立体停车设备有限公司在成都的禾嘉利好 西南交通大学硕士学位论文第7 页 生活小区地下机械式立体停车库项目。该小区地处火车北站附近，建筑物密 集，人口流动量大。建立地下机械式立体停车库既可充分节省有限的地表空 间，方便行人和车辆的通行，又可避免人口流动量大所引起的不安全因素， 确保停车安全，具有很大的现实意义。 1 5 2 本文的主要研究内容 如上文所述，机械式立体停车库是我国停车系统发展的必然趋势。而目 前国内外对这些机械停车库的控制系统主要采用p l c 技术。对于小规模的停 车设备而言，p l c 技术很成熟，在很长一段时间内也发挥了重要作用，但随 着停车设备的规模不断增大，p l c 就显得不够灵活，无论是设备建造成本， 使用维护成本，远程网络通信支持成本，功能灵活性，设备可靠性方面都显 得力不从心。而本文将采用一种全新的控制方式叫，o n w o 旭技术来实现其 功能。l o n w o r k s 技术的优点如上文所讲，实现起来非常灵活方便，控制系统 的扩充也很简单，且具有很好的升级空间( 将在下文进行详细论述) ；更重 要的是编程简单，一个控制器的程序测试完成后，只需进行简单修改甚至不 用修改就可以直接拿到其它的控制模块中直接使用，应用程序可实现标准化， 后续工作方便快捷。 本课题的主要研究内容如下： 第一章，介绍了现场总线的国内外现状，着重介绍了l o n w o r k s 技术的特 点，以及本文的研究意义和主要研究内容。 第二章，详细的阐述了l o n w o r k s 技术，重点介绍神经元芯片和l o n w o r k s 节点开发技术。在分析了现有停车系统的控制方式后，设计出了基于l o n w o r k s 技术的停车系统的控制方式。 第三章，通过对升降横移类机械式立体停车库工作原理的分析，根据系 统的要求，设计了基于神经元芯片3 1 5 0 的键盘智能节点硬件电路，并对系统 的通用模块1 2 1 2 d 的工作性能进行了详细阐述。 第四章，在硬件电路设计完成的基础上，根据键盘节点和各个通用模块 节点所要实现的功能，分别对它们进行软件设计。键盘的功能相对比较简单， 系统的控制功能主要由分布在现场中的各个控制模块来实现，根据现场的实 际情况和设备要求，将控制方式分为两种：一机多板控制方式和一机一板控 制方式。再分别对两种控制方式的软件实现建立控制模型，编写应用程序。 一机一板的控制方式所用控制节点较多，现场中控制节点分别安装在立体停 车库的上下两层，由于下层节点和上层节点所实现的功能不同，对其应用程 序分开设计。 第五章，介绍了系统的安装工具，安装了控制系统的节点，并调试了网 络系统，在调试的过程中，根据不同的需求，采用了三种监控方式。最后记 录了调试过程中出现的部分问题和解决方法。 西南交通大学硕士学位论文第8 页 第2 章基于l o n w o r k s 技术停车系统控制网络结构 2 1l o n w o r k s 现场总线技术 2 1 1l o n w o r k s 技术概述 美国e c h e l o n 公司于1 9 9 2 年研制成功了l o n w o r k s 测控网络。l o n ( l o c a l o p e r a t i n gn e t w o r k s ) 总线是该公司推出的局部操作网络，e c h e l o n 公司开发了 l o n w o r k s 技术，为l o n 总线设计和成品化提供了一套完整的开发平台。它采 用l o n t a l k 协议，这个协议遵循国际i s o 的开放系统互连( o s i ) 参考模型，支 持o s i r m 的所有七层模型；支持不同的通信媒体，如双绞线、同轴电缆、 光缆、射频、红外、电力线等；可采用多种网络拓扑结构，如总线型、星型、 环型和混合型等。l o n t a l k 协议通过神经元芯片上的硬件和固件实现，提供介 质存取、事务确认和点对点通信服务；还有一些如认证、优先级传输、单一 广播组播消息发送等高级服务。l o n w o r k s 技术的基本元件- n e u r o n 芯片， 具备通信和控制功能，固化了i s o o s i 的全部七层协议以及3 4 种常见的i o 控制对象。采用了可预测性p 坚持c s m a ，在网络负载很重时，不会导 致网络瘫痪。网络通信采用了面向对象的设计方法，称为“网络变量”，使 网络通信的设计简化为参数设计，效果是节省了设计工作量，增加通信的可 靠性。高可靠性、安全性、易于实现和互操作性，使得l o n w o r k s 应用非常 广泛。它已被广泛应用于过程控制、电梯控制、能源管理、环境监视、火灾 报警、采暖通风和空调控制、交通管理、家庭网络自动化等领域，近几年迅 速得到推广。 2 1 2n e u r o n 芯片的硬件结构 神经元芯片是l o n w o r k s 网络节点的核心器件，也是l o n w o r k s 系统的关 键器件，主要包括3 1 2 0 和3 1 5 0 两大系列，其中3 1 2 0 系列芯片中集成了5 1 2 字节的髓p r o m 、1 k 的r a m 和1 0 k 的r o m ，适用于比较简单的场合；3 1 5 0 系列芯片中则无内部r o m ，但拥有访问外部存储器的接口，适用于应用程序 较大的复杂的场合。n e u r o n 芯片提供了通信、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。其结构框图如图2 1 所乖矾。 西南交通大学硕士学位论文第9 页 图2 1n e u r o n 芯片框图 n e u r o n 芯片有三个c p u ，每个c p u 各自分工不同，见图2 2 。 图2 2 处理器结构及存储区分配 c p u 一1 是介质访问控制处理器，处理l o n t a l k 协议的第l 层和第2 层， 这包括驱动通信子系统硬件和执行m a c 算法。c p u 1 和c p u 2 用共享存储 区中的网络缓存区进行通信，正确地对网上报文进行编解码。c p u 2 是网络 处理器，它实现l o n t a l k 协议的第3 到第6 层，这包括处理网络变量、寻址、 事务处理、权限证实、背景诊断、软件计时器、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。该处理器用共享存储区 中的网络缓存区与c p u 1 通信，用应用缓存区与c p u 3 通信。c p u 3 是应用 处理器，它执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。在多数 应用中，使用的编程语言是n e u r o n c 。 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 2 1 3n e u r o n 芯片固件 n e u r o n 芯片固件是指固化在n e u r o n 芯片内的软件，包括l o n t a l k 通信协 议。n e u r o n 芯片中的存储映像分为3 个主要部分：系统映像、应用映像和网 络映像 7 1 。 1 系统映像系统映像包括l o n t a l k 通信协议、n e u r o nc 库函数以及任 务调度程序。3 1 2 0 系列芯片的系统映像软件存储在片内的1 0 k br o m 中； 3 1 5 0 芯片的系统映像软件存储在片外的r o m 或闪存中。对于3 1 5 0 芯片，由 于该部分软件不能固化在芯片内，所以只能作为开发工具l o n b u i l d e r 以及 n o d e b u i l d e r 随带的软件的一部分，依靠开发工具随带的软件，产生包含系统 映像的目标文件，编程写入将作为神经元芯片外存的e e p r o m 、r o m 或闪 存中。 2 应用映像应用映像由两部分组成：n e u r o nc 编译应用程序产生的对象 代码、应用程序指定的有关参数；这些参数可以经网络管理工具查询。在 n e u r o n3 1 5 0 芯片中，应用映像通常是编程写入外部的r o m 中，也可以通过 网络下载到外部的e 2 p r o m 或闪存中。对于n e u r o n 3 1 2 0 芯片，应用映像软 件下载到片内的e 2 p r o m 中。l o n b u i l d e r 或n o d e b u i l d e r 都能创建应用映像。 3 。网络映像网络映像定义节点与网上其它节点的关系，给定节点在网上 的唯一行为。它由4 部分组成：节点地址配置、网络变量的连接信息、消息 标签的连接信息、安装时要设置的l o n t a l k 协议的参数以及应用程序的配置 变量。网络管理工具通常在安装节点时将网络映像通过网络下载到片内的 e 2 p r o m 中。对于简单的网络，节点可以修改自己的网络映像。 网络映像数据结构包括：一个包含节点所在域数据项的域表；一个包含 节点对应网络地址数据项的地址表；网络变量配置表，即由节点定义的每个 网络变量数据项；定义节点与收发器接口的通道配置结构。 可见，在设备的存储映像中，应用映像和网络映像是用户定义部分，l o n 网络中的许多设备可以有同样的应用映像，如在工厂自动化系统中，传送带 马达设备就可以有同样的应用映像，同样的应用程序、硬件、i o 以及收发器 配置信息。而网络映像则允许各个传送带马达设备在网上有不一样的行为。 在神经元芯片固件中，l o n t a l k 通信协议是非常重要的部分。该协议是 为l o n 总线设计的专用通信协议，符合a n s i e i a 7 0 9 1 控制网络标准，是 l o n w o r k s 系统的核心技术之一。它通过神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 上的硬件 和固件程序实现，提供介质存取、事物确认和点对点通信服务；还有一些诸 如认证优先级传输、单一广播组播消息发送等高级服务，这些服务使得设 备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其他设备功能的情况下 发送和接收网络上其他设备的报文。 l o n t a l k 协议的特点如下： 1 采用域、子网和节点分级编址方式。 2 支持多种通信介质，包括双绞线、电力线、同轴电缆、无线和红外线、 西南交通大学硕士学位论文第11 页 光纤等。 3 互操作性强。网络上节点可以对其他任一节点进行操作，传输控制信息。 4 响应时间快，通信安全可靠。 l o n t a l k 协议符合i s o o s i 制定的开放系统互联标准，具有完备的七层 协议。 l o n t a l k 协议在介质访问层( m a c ) 采用特有的冲突回避算法，为了使 数据帧传输独立于所采用的物理介质和介质访问的控制方法，数据链路层被 分为两个子层：逻辑链路控制l l c 和介质访问控制m a c 。l l c 与介质无 关，m a c 则依赖于介质。l o n t a l k 协议的m a c 子层采用了一种改进的载 波多路监听协议( c s m a ) ，称为可预测的p 坚持c s m a 算法。通常的 c s m a c d 算法在轻负载的情况下有很好的性能，但当负载较重时，一个数 据包在传送的同时，可能有许多网络节点在等待网络空闲，一旦这个数据包 传送完毕，网络空闲，这些待发送节点就会马上发送报文，而同时发送必然 产生碰撞。产生碰撞后，由避让算法使之等待一段时间再发，又有可能在等 待同样的时间后再次发生碰撞，使得网络效率大大降低。可预测的p 坚持 c s m a 算法在保留了c s m a 协议的优点，并克服了它在控制网络中的不足。 所有的节点根据网络积压参数b l ( b a c k l o g ) 等待随机时间片来访问介质，这 有效避免了网络的频繁碰撞。b l 是对当前发送周期有多少个节点需要发送 报文的估计。每个节点发送前随机地插入0 w 个很小的随机时间片，而w 则根据b l 变化进行调整，其公式为w = b l * 1 6 。当然，使用p 坚持c s m a 算法并不能完全避免冲突，只能降低冲突至最小，所以在m a c 层中，为了 提高紧急事件的响应时间，提供了一个可选择优先级的机制。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 一概率时间片后发送。 2 1 4n e u r o nc 语言 n e u r o nc 是种专门为n e u r o n 芯片设计的程序设计语言。它是标准c 的基础上进行了自然扩展，直接支持n e u r o n 芯片的固化软件，删除了标准c 中的一些不需要的功能( 如某些标准的函数库) ，并为分布式l o n w o r k s 环 境提供了特定的对象集合及访问这些对象的内部函数，还提供了内部类型检 查，是一个开发l o n w o r k s 应用的有力工具。 n e u r o nc 所提供的新功能有： ( 1 ) 一个新的对象类网络变量( n e t w o r kv a r i a b l e ) ，简化了节点间的 数据通信和数据共享。 ( 2 ) 一个新的语句类刊e n 语句，引用时间( e v e n t s ) 并定义这些时 间的当前时间顺序。 ( 3 ) i o 操作的显示控制，通过对i o 对象( o b j e c t ) 的声明，是n e u r o n 芯片的多功能i 0 得以标准化。 ( 4 ) 支持显示报文，用于直接访问基础的l o n t a l k 协议服务。 n e u r o n 芯片的任务调度采用事件驱动方式：当一个给定的条件变为真的 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 时，与该条件相关联的一段代码称为任务( t a s k ) 被执行。调度程序允许自定 义任务，该任务作为特定时间的结果而被运行，如输入管脚状态的改变，接 收一个网络变量的新的值或计时器的终止。也可以指某些任务作为具有优先 级的任务，以便使它们能得到优先服务。 调度程序用循环的方式检测以队列形式登录的w h e n 语句：每个w h e n 语 句均由调度程序检测，如果为真( t r u e ) ，则与其相关联的任务被执行：如 果w h e n 语句为假( f a l s e ) ，调度程序将继续检查后面的w h e n 语句。在检 查完最后一个w h e n 语句后，调度又返回至队列首部重复执行上述过程。 对一个w h e n 语句冠以p r i o r i t y 前缀，可以使之比无优先的w h e n 语句检 查得更频繁。每次调度器运行时，按声明的次序首先计算优先的w h e n 语句， 如果任何一个优先的w h e n 语句计算为“真，则执行相应的任务，然后调度 器又从最开头的优先w h e n 语句开始检查；如果没有任何一个优先的w h e n 语 句计算为“真”则会依次开始计算无优先级的w h e n 语句，同样以先前描述的 方式从轮转中选择一个；如果被选中的无优先级的w h e n 语句为“真”，它的 任务就被执行，然后调度器回到最先的w h e n 语句进行检查。任务调度如图 2 3 所示f s 】。 图2 。3n e u r o n 芯片固件的任务调度 2 1 5l o n w o r k s 技术开发工具 l o n w o r k s 技术的一个重要特点是提供了一套强有力的开发工具平台 l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 。它不断提供了网络开发的基本工具，而且还提供 了网络协议分析工具，这套工具可以用于分析与检测网络通信上的节点间的 通信包、网络变量等的通信状况，包括通信量的分析、数据包的误码率和内 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 容检测等。这套开发工具平台是l o n w o r k s 技术在应用中能很快从设计到完 成的一个基本因素【9 】。 1 基于网络的开发工具l o n b u i l d e rl o n b u i l d e r 开发包包括开发l o n 节点 和l o n 网络测试样机所需的所有工具和部件。l o n b u i l d e r 开发包包括： ( 1 ) l o n b u i l d e r 开发工具平台：它是l o n b u i l d e r 开发包的核心。l o n b u i l d e r 开发工具平台集中了三种工具多节点开发系统、网络管理器和协议分析 器称为一套简单、易用的开发环境。多节点开发系统提供了建立应用软 件和测试两个到上百个节点的开发网络硬件工具。 ( 2 ) l o n m a n a g e rd d e 服务器：l o n m a n a g e rd d e 服务器使用任何具备 动态数据交换( d d e ) 功能的w i