（轮机工程专业论文）基于lon网络的船舶机舱监控系统设计.pdf

摘要 现场总线技术是当前自动化领域的应用热点之一，而l o n w o r k s 现场总线以其 协议的完整性、网络拓扑结构的多样性以及强大的网络通信能了，成为现场总线 技术中的佼佼者。 本文首先详细阐述了l o n 现场总线的技术内容，针对设计智能节点的需要， 介绍了l o n w o r k s 的核心技术，包括神经元芯片、n e u r o n 芯片固件、n e u r o nc 软 件系统，常用的l o n w o r k s 开发工具。 论文介绍了应用l o n w o r k s 开发的船舶机舱综合监控系统，系统由现场控制 级、上位监控级两部分构成，它包括l o n 通用智能节点、上位组态控制和监视平 台。论文详细说明了l o n w o r k s 现场总线控制网络的硬件设计和软件开发过程，介 绍了l o n 通用节点的硬件设计和应用程序开发，包括模拟量输入输出节点和数字 量输入输出节点的硬件电路设计，以及应用程序的软件开发。应用组态软件 i n t o u c h 开发上位机人机界面，通过l n sd d es e r v e r 实现现场控制级和上位机人 机界面的通讯。 采用模块化、通用化的软件设计思想，提出利用数据库技术管理系统监测参 数的方案，设计了多种用于参数显示的控件，使系统监控软件的组态和维护容易， 增强了系统的通用性、灵活性和可扩展性。 目前，在船舶控制系统中多数是集散型控制系统，而随着船舶控制对象的不 断增加和系统增大，它已较难胜任复杂的控制对象。将现场总线l o n w o r k s 应用于 船舶控制系统中可以分散简化控制对象，提高系统可靠性。 关键字：机舱综合监控；现场总线；l o n w o r k s ；智能节点 d e s i g no fe n g i n er o o mm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o nl o nn e t w o r k a b s tr a c t t h ef i e l d b u si sn o wt h eh o t s p o to fa p p l i c a t i o ni na u t o m a t i o nf e l d a n dt h e l o n w o r k s ，诵t hi t sc o m p l e t ep r o t o c o l s ，d i v e r s i t yo fn e tt o p o l o g ys t r u c t u r ea n ds t r o n g a b i l i t yi nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，e x c e l si nt h ef i e l d b u sf i e l d f i r s t ，t h i sp a p e rd e t a i l e dd i s s e r t a t e st h et e c h n o l o g yo fl o n i nc o n f o r m i t yt o d e s i g n i n gt h ei n t e l l i g e n tn o d e ，i ti n t r o d u c e st h ec o r et e c h n o l o g yo fl o n w o r k s ，i n c l u d i n g n e u r o nc h i p ，f i r m w a r eo f n e u r o nc h i p , s o f t w a r eo f n e u r o nca n dd e v e l o p m e n tt o o l s t h ep a p e ri n t r o d u c e sae n g i n er o o mm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d0 1 1l o n w o r k s f i e l d b u s ，t h es y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h ef i e l dc o n t r o lr a n k ，t h eu p p e rc o n t r o la n d s u p e r v i s i n gr a n k i ti n c l u d e st h el o ng e n e r a li n t e l l i g e n tn o d ea n dt h eu p p e rc o n t r o la n d s u p e r v i s i n gc o n f i g u r a t i o np l a t f o r m t h ep a p e r r e c o u n t st h ep r o c e s so fh a r d w a r e d e s i g n i n ga n ds o i t w a r ed e v e l o p m e n t b a s e do nt h el o n w o r k sf i e l d b u sc o n t r o ln e t w o r k i ti n t r o d u c e sh a r d w a r ed e s i g n i n ga n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n go fl o n g e n e r a li n t e l l i g e n t n o d e s ，i n c l u d et h eh a r d w a r ed e s i g no fa n a l o g yi on o d ea n dd i g i t a li on o d e ，a n dt h e s o t h v a r ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n t h ed e v e l o p m e n to fh m ib a s e do nt h ei n t o u c h u s i n gt h el n sd d es e r v e r , t h ef i e l dc o n t r o lr a n kc o m m u n i c a t e sw i t h t h eh m i t os u p p l ym u c he a s i e rm a i n t e n a n c ea n dc o n f i g u r a t i o nt ot h em o n i t o rs y s t e m ，a d e s i g nm e t h o d o ft h es y s t e ms o f t w a r eb a s e do nd a t a b a s et e c h n o l o g yi sp r e s e n t e di nt h i s d i s s e r t a t i o n a l lp r o c e s sp a r a m e t e r si nt h em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e ma r em a n a g e db y t h ed a t a b a s e s s o m eu n i v e r s a ld i s p l a ym o d u l e sa r ed e s i g n e df o rt h em o n i t o rs o f h a r e a tp r e s e n t ，m o s to fm a r i n ec o n t r o ls y s t e mi sd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m w i t ht h e i n c r e a s i n go fm a r i n ec o n t r o lo b j e c t s ，i ti sn o ta b l et of i tt h ec o m p l i c a t e do b j e c t s a p p l i n g t h el o n w o r k sf i e l d b u si n t om a r i n ec o n t r o ls y s t e mm a ys e p a r a t ea n ds i m p l i f yt h ec o n t r o l o b j e c t sa n di m p r o v et h es y s t e m sr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n er e m o t ee o n t r o i ；f i e i d b u s ；l o n w o r k s ；i n t e l l i g e n tn o d e 第1 章绪论 1 1 机舱监控系统发展概况和趋势 现代船舶机舱的主要研究方向是“无人 机舱，机舱监控是“无人机舱的重 要部分。船舶自动化是伴随着陆用自动化技术不断取得进步而逐渐发展起来的， 到2 0 世纪5 0 年代末，反馈控制理论在船上已经得到了广泛的应用，使得机舱的 所有运行参数均能实现自动控制。直至2 0 世纪6 0 年代中期，开始出现无人机舱。 6 0 年代末期，计算机应用技术逐步在船上得到推广，促使船舶机舱监控进入了飞 速发展的新时期。此后的每一个发展阶段都是以计算机技术的革新作为标志的， 大体上可以分为三个阶段： 第一阶段是采用单台计算机进行集中控制和管理，计算机软件的应用使控制 系统的硬件设备大大简化，并且使得控制和管理功能更加丰富，这类系统在7 0 年 代具有一定的先进性，但该类系统造价昂贵，而且可靠性差，一旦计算机发生故 障就会导致系统完全瘫痪。 第二阶段是以微机技术为代表的分散控制，由于单台计算机过于集中的控制 方式存在上述缺点，因此从7 0 年代中后期开始，船舶机舱监控系统逐渐由集中型 转向分散型。当时微机技术的普及应用和后来单片机技术的推广也在客观上为这 一转变提供了技术支持。分散型系统简单易行，造价低，且具有较好的可靠性、 安全性和可维修性。 第三阶段是以网络技术的应用为特征的网络控制阶段分散型系统。分散系统 虽然克服了集中型系统的致命缺点，但由于各个系统之间是分散独立的，系统之 间不能进行信息通信，因此不便于集中管理和控制，尽管在集控室还设有集中监 视系统，但监视系统与各个分散系统之间并不存在数据通信关系，它只是简单地 接收各个分散系统送来的报警信号，只起到监视报警的作用，缺乏管理和控制功 能。随着计算机通信技术的发展，8 0 年代末9 0 年代初开始，新造船舶开始采用网 络型微机监控系统，这种系统采用多微机分布式控制的方法，不同的设备和系统 仍然采用独立的微机控制，但微机之间可以进行数据通信，各个分散系统通过网 络连成一体便于实现集中管理和控制，网络监控方式继承了集中型和分散型控制 系统的优点，成为当今船舶机舱自动化的发展方向1 1 。 1 2 现场总线技术概述 2 0 世纪9 0 年代以来，自动化领域发生了一次最具有深远影响的重大变革。现 场总线技术的诞生引发了传统工业自动化仪表与控制系统的革命。基于现场总线 技术的工业过程智能自动化仪表和开放的自动化系统引起了广泛的注意和高度的 重视，成为国内外自动化技术发展的一个热点f 2 】阱。 1 2 1 现场总线的概念及特点 现场总线是当前自动化技术的一种新事物。根据i e c l l 5 8 定义，现场总线是 “安装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的 一种串行、数字式、双向传输、多分支结构的通信网络”h d j 。或者说，现场总线 是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线联接 实现信息互换，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统，是计算机控制系 统与通讯技术结合的产物，是新一代全数字、全分散和全开放的现场控制系统。 其中，“生产过程”包括连续生产过程和断续生产过程两种；现场设备仪表是指 位于生产现场的各种传感器、驱动器和执行器等设备：现场是指工作环境处于生 产设备的一侧；总线是指传送信息的公共路径，这些遵守相同联接规范的设备通 过“公共路径 联接为系统，并实现相互操作。因此，现场总线是面向工厂底层 自动化及信息集成的数字化网络技术。人们把基于这项技术的自动化系统称为基 于现场总线的控制系统f c s t 引。现场总线技术的核心是它的通信协议，它必须根据 国际标准化组织i s o 的计算机网络开放系统互连基本参考模型o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ) 来制定，它是一种开放的七层网络协议标准，多数现场总线技 术只使用其中的一、二和七层协议。现场总线具有如下特点：( 1 ) 用数字化通讯 取代4 - 2 0 m a 模拟信号传输。( 2 ) 控制功能下移，实现彻底的分散控制。( 3 ) 具 有互操作性。( 4 ) 集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体。( 5 ) 真 正的开放系统。 2 1 2 2 几种典型的现场总线 到目前为止，世界上约有4 0 多种现场总线。2 0 世纪8 0 年代初，德国b o s c h 公 司推出控制局域网络c a n 总线协议。1 9 8 4 年，美国i n t e l 公司提出b i t b u s 标准。 1 9 8 5 年，美国r o s m e n t 公司推出h a r t 协议，在4 - 2 0 m a 模拟信号的基础上叠加数 字信号。随后，德国的s i e m e n s 、a e g 、a b b 等公司推出了p r o f i b a s 标准。1 9 9 0 年， 美崮e c h e l o n 公司推出并由m o t o r o l a 公司和t o s h i b a 公司共| 蒯倡导的l e n w o r k s 总线技术。1 9 9 2 年，美国的f i s h e r - r o s e m o u n t 、f o x b o r o 公一j 、德国的s i e m e n s 、 h b 公司、臼本的横河、n e c 等公司成立了i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 ) 协议集团，以德国p r o f i b u s 标准为基础提出了i s p 协议，先后有9 0 多家公司加 盟。1 9 9 3 年，美国的h o n e yw e l l 、s q u a r e 、a l l e n - b r a d l y 、b p 、口本的山武、臼 立富士电机等公卅成立- rw 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 np r o t o c 0 1 ) 组织， 共有1 5 0 多家成员以法国的f i p 标准为基础提出了w o r l df i p 总线标准。在众 多的现场总线产品中，f 列产品是比较有影响的 6 1 1 7 1 。 ( 1 ) c a n 总线：c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t ，控制局域网络) 总线由德国b o s c h 公司于1 9 9 3 年推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，是一种点 对点( p e e rt ep e e r m ) 现场总线嘲络，其总线规范已被i s o 认定为国际标准，由于 得到了m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p ，s i e m e n s ，n e c 等公司的支持而被广泛应用在 分散控制领域。其模型结构只有三层，即o s i 的物理层、数据链路层和应用层。 通信介质采用取绞线，通信速率可达l m b p s 4 0 m ，直接通信距离町返l o k m s k b p s 。 c a n 包括一系列舰范：通信、设备、接口、应用行规等。它的应用节点数量巨大， 到1 9 9 7 年底已达到3 0 0 0 万个。它不仅用于工q k 生产线、机器人等工业控制，而 且还用于医疗器械、铁路、航海、航空建筑自动化等领域。由于其性能优异，价 格低廉，因此很快被推广到工业测控现场，被i l o n e yw e ll 等自动化厂家广泛应用 【9 i 口0 1 。 ( 2 ) p r o f i b u s 总线：过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 总线是 由德国等1 3 家工业企业和5 家科研机构在联合开发项目中制定的标准化规范，是 德国标准和欧洲标准。由p r o f i b u s - p a 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u sd p 共 列形成其 系列，其中p a ( p r o c e s sa u t o m a n i o f l ) 用于过程自动化，通过总线供电，提供本 质安全型，可用于危险防爆区域。f m s ( f i e h l b u su e s s a g es p e c i f i c a t i o r l ) 用十 质安全型，可用于危险防爆区域。f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o r l ) 用于 一般自动化。d p 用于加工自动化，适用于分散的外围设备。p r o f i b u s 采用了o s i 模型的物理层、数据链路层，f m s 还采用了应用层。传输速率9 6 k b p s - - 1 2 m b p s ， 最大传输距离为1 2 m b p s 时为l o o m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m 。可用中继器延长至l o k m 。 传输介质可为双绞线、光纤。最多可挂1 2 7 个站点。p r o f i b u s 提供一个从传感器 执行器直至管理层的透明网络，供应完整的产品系列，从底层测控网络、工厂管 理网络直至i n t e r n e t 系统集成方案，被称为风靡全球的现场总线。p r o f i b u s 在欧 洲享有不容置疑的特殊优势，仅从制造业自动化方面看，约占4 0 9 6 的市场份额，居 欧洲之冠。在德国市场份额达4 4 ，在英国为4 3 【l 。 ( 3 ) 基金会现场总线f f ：以f i s h e r r o s e m o u n t 公司和h e n e y w e l l 公司为首 的两大集团于1 9 9 4 年9 月联合成立了现场总线基金会，专门致力于开发国际上统 一的现场总线协议。基金会现场总线的主要技术内容包括f f 通信协议、用于完成 开放互联模型中第2 - 7 层通信协议的通信栈( c o m m u n i c a t i o ns t a c k ) ；用于描述设 备特征、参数、属性及操作接口的d d l 设备描述语言；设备描述字典；用于实现 测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功 能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。现场总 线基金会( f f ) 是国际公认的唯一不附属于任何企业的公正的非商业化的国际标 准化组织。其体系结构采用了物理层、数据链路层、应用层、用户层。采用令牌 总线工作方式，传输介质支持双绞线、光纤和无线介质。传输信号采用曼彻斯特 编码。 ( 4 ) l o n 总线：l o n w o r k s 控制网络是当前较为流行的现场总线之一，它是由 美国e c h e l o n 公司推出并与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导，于1 9 9 2 年正式公 布而形成的。其网络芯片n e u r o n 芯片集成了i s o o s i 模型全部七层标准的l o n t a l k 通信协议，传输速率可达1 2 5 m b p s ( 1 3 0 m ) ，传输距离最长可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ， 双绞线) ，一个网上的节点数可达3 2 0 0 0 个，同时具有通信和控制功能，提供了3 4 种常见的i 0 控制对象，工作温度范围宽( - 4 0 - - 一8 5 ) 。l o n w o r k s 控制网络的 信号传输介质可为双绞线、电力线、无线、红外线、光缆，支持总线型、环型、 自由拓扑型等网络拓扑形式，网络收发器有直接驱动、e i a - 4 8 5 型、变压器耦合接 口三种形式，满足了不同要求同时传输信号采用差分曼彻斯特编码，使网络具有 很强的抗干扰能力。l o n w o r k s 控制网络的介质存取控制( m a c ) 采用了可预测p 坚 持c s m a ( p r e d i c t i v ep p e r s i s t e n tc s m a ) ，使得在网络超载时仍保持很高的吞吐 量。网络结构既可采用主从式和对等式。具有配套的节点、路由器、网关等设备 4 的开发、调试和安装设备，集成化的开发环境使得系统的开发调试简单易行，可 实现网络的离线、在线设计、在线调试或通过i p 网的远程调试【1 2 】。 1 2 3l o n w o r k s 技术的发展及前景 l o n w o r k s 是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，并具有现场总线 技术的一切特点。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 技术包括监控网络的设计、开发、安装和调试等一整套方 法，要使用多种专用的硬件设备和软件程序。e c h e l o n 公司于9 0 年代初在美国推 出l o n w o r k s 技术后立即引起轰动。随后，l o n w o r k s 技术的用户、系统集成商和 o e m 产品生产商的队伍迅速扩大，其中包括世界上许多著名的自动化厂商如 h o n e y w e l l 、j o h n s o nc o n t r o l s 、a b b 、p h i l i p s 、y o k o g a w a 、h p 等。在欧洲，l o n w o r k s 协议被认为是欧洲标准c e nt c2 4 7 和c e nt c2 0 5 的一部分。在工业控制领域， 根据自动化研究协会( a r c ) 和风险开发协会( v d c ) 的独立研究，l o n w o r k s 网络被 认为是工业传感器和设备总线网络市场的开拓者和领导者。l o n w o r k s 网络取消了 那些复杂的配线线束，取消了p l c 和p c ，将控制分散到整个网络节点上去。 l o n w o r k s 技术的迅速发展和普遍采用使许多用户及生产商认识到，为监控网络建 立一个互操作的标准是非常必要的，只有实现了网络互操作的功能，最终用户和 集成商在设备采购方面才有更多选择余地，他们可以在一个网络系统上使用多家 厂商的产品进行安装和组态，这样会给用户带来极大便利。于是，在1 9 9 4 年5 月成立了l o n m a r k 互操作协会，它被世界上许多著名的自动化公司所支持，现已 有3 2 0 家会员。l o n m a r k 互操作协会的主要任务是制定并维护l o n w o r k s 技术的指 导标准，以帮助生产厂商和最终用户制造和使用统一的开放式可互操作的 l o n w o r k s 产品。l o n m a r k 互操作协会的工作对l o n w o r k s 技术的发展和应用起到 了极大的推动作用。l o n w o r k s 技术诞生至今已有近1 0 年的历史，随着科学技术 的飞速发展，它本身也在不断地更新改进，如新一代n e u r o nc h i p 的时钟频率已从 1 0 m h z 升至2 0 m h z ，而且e c h e l o n 公司已经宣布，开发商可以把l o n t a l k 协议固 化到任何一种微处理器中去，这就为l o n w o r k s 技术打开了新的发展空闻。为了和 迅猛发展的互联网i n t e m e t 及其它网络系统交换信息，现已有生产厂商开发出多种 网络接口卡，使用j a v a 语言编程、可进行远程查询和控制，这就使l o n w o r k s 技 术又插上了远航的翅膀【1 4 】【1 5 】。 1 3 现场总线在船舶领域中的应用 2 0 世纪9 0 年代中期，以现场总线技术为基础的全数字式控制系统扩展到船舶 工业领域，使船舶自控技术获得了新的发展。不过，对于船舶这个具体的对象，现场 总线的应用又有其特殊性：首先，船舶的空间相对较小，没有像石化工厂那么广阔 的空间，因而，引入现场总线所造成的连线减少不会节约太多的成本。第二，控制对 象规模相对较小。控制网络上节点较少，而且基本不会出现多个系统集成的问题。 因此，对控制网络的容量及互可操作性的要求不是很高。第三，机舱空间狭小，设备 布局紧凑，信号干扰严重。综合以上因素，船舶自控系统应该采用实时性好、抗干 扰能力强、成本较低、开发和使用难度较小的现场总线系统。目前，有报道的应用 于船舶总线主要是以下几种：c a n ，l o n w o r k s ，w o r l d f i p 1 6 1 。中国国内，如上海船舶 运输科学研究所等，也都开发了基于l o n w o r k s 总线的船舶控制系统。具体应用实例 有：中海“定安海”轮货油舱监控及机舱监控系统；烟台3 2 0 0 k w 海拖机舱微机监 测系统；中远香港“领先轮”主机监控系统；中海“兴隆海”轮货油舱监控机舱 监控系统：中海“万宁海”轮货油舱监控机舱监控系统；中海华海4 0 0 0 0 t 油轮机 舱监控及船舶信息管理系统：南京油运4 0 0 0 0 t 油轮机舱监控及船舶信息管理系统； 中国海洋石油总公司4 8 0 0k w 海拖6 0 0 0 k w 机舱监控系统及船舶信息管理系统：等等。 1 4 课题的提出背景和主要研究的内容 随着科学技术的进步，人们对船舶的自动化水平要求越来越高，希望能够开 发出更加智能化的船舶机舱监控系统。网络型控制系统是船舶自动化的发展方向， 也是目前新造船舶所采用的主流产品。因此现代船舶自动化的特点就是建立在计 算机通信技术基础之上的网络化，以及由此带来的数字化、标准化和智能化。利 用l o n w o r k s 技术的优越性，把它应用到船舶机舱监控系统中，势必能够提高船舶 6 q 智能化、网络化水平。这是一项探索性研究，具有很大的实际意义。本课题就 芑在这种情况下提出来的。本文主要做了以下几方面的工作： 1 了解国内外最新的船舶机舱监控系统的状况，系统地对计算机网络技术、 l o n w o r k s 总线技术进行了学习和研究； 2 初步分析了基于l o n w o r k s 总线技术实现机舱监控系统的可行性，提出了系 统的组建原则，软、硬件的设计原则； 3 提出了一种基于现场总线技术的船舶机舱监控系统的设计方案，并对其各 主要功能模块进行了设计； 4 在研究了当今流行的几种现场总线的基础上，分析了现场总线系统的结构 特点和技术特点，论述了在船舶机舱监控系统中采用现场总线技术的优越 性： 5 在研究了l o n w o r k s 现场总线的性能特点，探讨了l o n w o r k s 总线的基本工 作原理； 6 提出了基于l o n w o r k s 总线的船舶机舱监控系统的构造方案、参加了整个系 统的软硬件设计工作； 7 在工控组态软件i n t o u c h 平台下，设计了系统上位机人机界面。 7 2 1 概述 第2 章l o n w o r k s 主要技术 l o n w o r k s 技术是一种控制网络层次上的技术，是一个实现控制网络系统的完 整平台，因此节点的开发离不开对网络的整体考虑。根据控制策略的不同，节点 的开发会有所不同。智能设备或智能节点与它们所处的环境进行交互作用，以及 通过不同的通信介质与其它节点进行通信。这种通信采用一种通用的、基于消息 的控制协议。网络协议是开放的，而且对任何用户都是对等的。其协议已被一些 国际标准组织确认为一些标准，如e i a7 0 9 和i e e e l 4 7 3 。网络协议完整到任何制 造商的产品都可以实现互操作。该技术提供的m i p ( 微处理器接口程序) 软件允许 开发各种低成本网关，方便了不同系统的互联。也使得系统具有高的可靠性。 l o n w o r k s 技术具有如下主要特点： ( 1 ) 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、无线电波、红外等，而且在同一网络中可以有多种通信媒介。 ( 2 ) 网络结构：可以是主从式、平等式或客户服务式结构c 1 i e n t s e r v e r ) 。 ( 3 ) 网络拓扑：有星形、总线型、环形以及自由形。 ( 4 ) 通信方法：网络通信采用面向对象的设计方法。l o n w o r k s 网络技术称之 为“网络变量”，它使网络通信的设计简化为参数设置，增加了通信的可靠性。 ( 5 ) 分布式处理：网络上的每个设备都不依赖于其它设备独立地接收、发送 和处理网络信息。这意味着l o n w o r k s 控制网络上的每个设备都可以进行决策和信 息处理，而不依赖于计算机、p l c 或其它形式的中央处理器。消除中央处理器意味 着减少l o n w o r k s 控制网络的总成本。由于个别设备的故障并不会影响网络中其它 部分的工作，也使得l o n w o r k s 控制网络更加可靠，但如果是p l c 或中央处理器出 现故障就造成控制网络的其它部分不能正常工作1 1 7 1 。 此外，l o n w o r k s 控制网络在功能上就具备了网络的基本功能，它本身就是一 个局域网，和l a n 具有很好的互补性，又可方便的实现互联，易于实现更加强大 的功能。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，而其在此基础上开发出的l o n w o r k s i p 功能将 进一步使得l o n w o r k s 网络与以太网更为方便的互联。 对于组成网络重要部分的节点而言，所完成的任务无非是获取和传输数据，并 根据所获取的数据信息来执行相应的控制逻辑。一个通用节点的硬件结构如图2 - 1 所示，一个典型的节点包括一个n e u r o n 神经元芯片、一个电源、一个通过网络介 质通信的收发器及被监控设备接口的应用电路。本章主要讨论l o n w o r k s 节点的开 发，即n e u r o n 神经元芯片的硬件结构、l o n t a l k 协议、l o n t a l km a c 子层和l o n w o r k s 控制网络【1 2 1 。 图2 1 典型节点的结构框图 2 2n e u r o n 神经元芯片的硬件结构 第一代n e u r o n 芯片是m c l 4 3 1 5 0 和m c l 4 3 1 2 0 。m c l 4 3 1 5 0 支持外部存储器， 可适用于较复杂的应用；而m c l 4 3 1 2 0 本身就是一个完整的系统，它支持小型应 用程序，适用于简单的低成本系统i l 引。一个典型的通用节点以神经元芯片为核心， 外加收发器、扩展内存( 只有3 1 5 0 芯片具有) 、时钟电路及i o 电路、复位电路、 安装服务电路和供电电源电路。神经元芯片可以来自于两家供应商：美国 m o t o l o r d k 和日本t o s h i b a 公司，其机构和性能完全一致，其型号前分别加上 m c l 4 和t m p n 符号。每个神经元芯片中可以存储和安装指定的参数及程序，使 用不同的通信介质通过神经元芯片内置的l o n t a l k 通信协议完成传感信号输入和 控制信号输出各种应用功能等【2 。 9 2 2 1n e u r o n 芯片总体结构 l o n w o r k s 智能节点和l o n t a l k 通信协议是现场总线控制运行的基础。智能节 点支持分散化、智能化的特征；l o n t a l k 协议满足了现场智能节点之间无拥塞、快 速安全的通信要求。n e u r o n 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1 8 1 。n e u r o n 芯片内部结构如图2 - 2 所示： 小小v 虮5 v 。 jlj l 介质防脚网络应_ 叮】 e e p r o mr a m r o m c p uc p uc p u 3 1 2 0 x x 才仃 j 、t 令tt 害 。 t 今 。 ttttt丁tt 0 内部l f i b j 地灿总线0 vlvvvlvfvv 内部8 b 地址总线l i 十i il 严 一- l 。-jlj l 7 r 一 工一 一 定时写砬制工v 、 时钊r 与网络通信 控制应用i 0 模块：1 6 b 如载寄存器、计数器等 定时器端口 l 上i 尉建k 2 。= i 击。基。艺i 击。删基4 e s e t 上c 1 s e r v l c e 图2 - 2n e u r o n 芯片内部结构图 在两种芯片的r a m 中，设有数据堆栈，并开辟有l o n t a l k 协议中的网络缓冲 区和应用缓冲区【1 9 1 。在两种芯片的e 2 p r o m 中存储有网络配置、编址信息以及神 经元芯片的唯一4 8 位标识符n e u r o ni d ( 由生产厂商写入) ，另外还有用户应用程 序代码和系统只读数据。两种神经元芯片的程序存储器配置是不同的，315 0 则可 以接外部r o m ，3 1 2 0 不可以接外部r o m ，因此3 1 5 0 具有外部数据线和地址线引 脚。对于3 1 5 0 芯片，内存和外存总共有6 5 5 3 6 字节地址空间，可为r o m 、p r o m 、 e p r o m 、e 2 p r o m 或r a m ，处理器通过外部存储器可访问其中的5 9 3 9 2 b ，另外 的6 1 4 4 b 为内部映射。需要1 6 3 8 4 b 的外部存储器来存储l o n t a l k 协议的内容，包 括介质访问控制和网络处理器执行系统软件以及i o 驱动和事件驱动工作软件，它 1 0 们是由生产厂在芯片中固化好的。而余下的外部存储器可用于存储用户写入的应 用程序代码、存储附加的应用程序读写数据、附加的网络缓冲区和应用程序缓冲 区。对于3 1 2 0 芯片，在1 0 2 4 b 的神经元芯片固件区内也同样存有l o n t a l k 协议的 内容。而用户程序只能使用5 1 2 b 的e 2 p r o m ( m c l 4 3 1 2 0 e 2 为2 0 4 8 b ； t m p n 3 1 2 0 e 2 为1 0 2 4 b ) 。表2 1 列出了各种n e u r o n 芯片的比较：f 2 川【2 1 】 表2 - 1n e u r o n 芯片比较 n e u r o n 芯片m c l 4 31 5 0m c l 4 31 2 0m c l 4 31 2 0 e 2t 低岭1 4 31 2 0 e 2 c p u3333 e 2 p r o m b5 1 25 1 220 4 810 2 4 r a m b20 4 8l0 2 420 4 810 2 4 r o m 肥1 0 2 4 01 02 4 01 02 4 0 1 6 位定时肼数器 2222 外部存储器接口有无无无 封装p q f ps o gs o gs o g 引脚数 6 43 23 23 2 2 2 2n e u r o n 芯片的c p u 结构 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，如图2 3 所示。c p u 1 为 介质访问控制( m a c ) 处理器，它处理l o n t a l k 七层协议中的第一层物理层和第 二层数据链路层；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 通过共享存储器中的网络缓冲区迸行通信，正确地对在网络报文进行编码和解码。 c p u 一2 为网络处理器，实现l o n t a l k 七层协议中的第三层到第六层( 网络层、运输 层、会话层和表示层) 。它完成网络变量编址、寻址、事务进程处理、报文鉴定、 背景诊断、软件计时器、网络管理、路径寻址等功能。同时，它还控制网络通信 端口，物理地发送和接受数据包。该处理器通过共享存储器中的网络缓冲区与 c p u 一1 通信，使用应用缓冲区与c p u 一3 通信。c p u 一3 是应用处理器，它实现网络 协议中的第7 层应用层。它通过执行由用户编写的代码及用户的代码所调用的操 作系统服务来进行工作。c p u 一3 通过共享存储器中的应用缓冲区与c p u - 2 通信。 l o n t a l k 七层协议中的第一层到第六层由1 c p u 一1 和c p u - 2 自动完成。用户可以不 必关心网络底层的事情，只需要编写应用层程序瞄】。 图2 3 处理器结构及存储器分配 2 2 3n e u r o n 芯片的i 0 接口对象 n e u r o n 芯片通过1 0 0 i o l o 共个管脚与指定的外部硬件相连，这些管脚被 称为应用i o 。采用n e u r o nc 语言，可通过编程将应用i o 设定为3 4 种不同的对 象，允许用户根据需要灵活加以配置，从而方便了实际应用。按i o 对象的类型来 分，有直接i o 对象、定时器计数器i o 对象、串行i o 对象、并行i o 对象等。 各种i o 对象可支持电平、脉冲、频率。编码等各种信号模式，它们与集成的硬件 和固件一起可用于连接马达、阀门、显示驱动、键盘、a d 转换器、压力传感器、 热敏电阻、开关量、继电器、可控硅、转速计、其他处理器和调制解调器等。所 有弓l 脚信号均为带滞后的1 阻电平，其中l o o 1 0 7 还带有低电平检测锁存器；在 i o 0 1 0 的1 1 只引脚中，1 0 0 1 0 3 具有高电流吸收能力( 2 0 m a ，0 8 v ) ，可以 直接驱动一些小功率的设备，1 0 4 1 0 7 具有片内可选择上拉电阻，具有标准接收能 力( 1 4 m a ，0 4 v ) 【l l 】。 n e u r o n 芯片上有两个1 6 b 的定时器肼数器，即定时器计数器l 和定时器肼 数器2 。定时器计数器l 又称为多路复用定时器计数器，因为该定时器计数器的 输入管脚可以通过一个可编程多路转换器m u x 在1 0 4 - - - 1 0 7 中选择，而它的输出 连接管脚为1 0 0 。定时器计数器2 称为专用定时器计数器，它的输入连接管脚为 1 0 4 ，而输出管脚连接1 0 1 。c p u 可使定时器计数器充当一个可写的1 6 b 加载寄存 器、一个可读的1 6 b 锁存器和一个1 6 b 的计数器。加载寄存器和锁存器一次只能 1 2 访问l b 。需要说明的是，i o 管脚并非固定分配给定时器，计数器，比方说，定时 器计数器l 仅用于输入信号，管脚1 0 0 可以空出作为他用。定时器，计数器的时钟 信号以及使能信号可来自外部i o 管脚也可由系统时钟分频得到。两个定时器计 数器的时钟速率互相独立。定时器计数器与其应用的外部硬件的连接如图2 4 所 示【1 2 】： 一i o o 一1 0 1 1 0 2 1 0 3 - 1 0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 7 1 0 8 1 0 9 t 0 1 2 0 m a 吸收电流 可编程上拉电阻i 图2 - 4n e u r o n 芯片定时器计数器外部连接 2 2 4n e i , i r o n 芯片的通信端口 神经元芯片可支持多种通信介质，如双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无 线电波、红外无线等。所支持的网络拓扑也各有不同，如总线型、星型、环型、 树型等拓扑方式。在各种通信介质中，双绞线以其高的性能价格比而应用最为普 遍。e c h e l o n 公司提供的f i q - i o a 双绞线变压器耦合收发器支持总线型和自由拓扑 型拓扑。其抗干扰能力强，可承受持续时间为6 0 s 的1 0 0 0 v r m s 电压，采用总线拓 扑的网络最长可达2 0 0 0 m ，采用自由拓扑的网络最长可达5 0 0 m ，组网灵活，可满 足一般的工业应用。神经元芯片通过5 只引脚( c p 0 一c p 4 ) 与各种通信介质接 口连接。可将5 个管脚配置为单端模式、差分模式和专用模式以适合不同的遥信 介质。在单端模式和差分模式工作时，通信端l j 使用曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 差 分编码技术对数据进行编码和解码。这种编码在每位的起始时刻总有次跳变， 使得接受端从数据流中提取发送端的时钟信息时不需专用时钟线。单端模式主要 用于光纤、同轴电缆或无线射频收发器；差分模式可用于连接带隔离变压器的双 绞线网络收发器。使用专用模式时，c p 2 和c p 4 分别输出位和帧的同步信号，町 用于和用户设计的智能型网络收发器相连接，便于用户任意的构成自己所需要的 方式，这样就大大提高了神经元芯片在通信方式上的灵活性。l o n w o r k s 网络的 通信速率最高可达1 2 5 m b p s ，最低可达0 6 k b p s 。数据传输持续吞吐量力6 0 0 包 秒，在1 2 5 m b p s 最高可达1 0 0 0 包秒。对于差分