（电力电子与电力传动专业论文）lonworks网桥研发及组网研究.pdf

l l 本学位 授权北京交 提供阅览服 同意学校向 ( 保密 学位论文作者签名：孝翮娜 签字日期：) 驴年易月岛日 导师签名：f 鼋f 钮j d ? 呜 签字日期：加f 。年月z 多日 作者姓名：李丽娜 导师姓名：汤钰鹏 学位类别：工学 学科专业：电力电子与电力传动 学号：0 8 1 2 2 0 3 4 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：电力电子系统的 网络化与智能化 北京交通大学 2 0 10 年6 月 致谢 经过两年的学习和科研，紧张而充实的研究生生活即将结束，在攻读硕士的 两年里，导师不仅为我创造的优越的科研和学习环境，同时在思想上、人生态度 和意志品质方面给予了谆谆教诲。 在本课题即将结束之际，首先感谢我的导师汤钰鹏老师和指导老师胡小刚老 师，感谢他们在我课题研究阶段给予的耐心细致的指导，特别感谢胡小刚老师在 整个研究生学习过程中对我的指导、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。 在课题研究过程中，我还得到了电控系黄或老师、修三木老师和刘承宗师兄、 李勇师兄、等帮助和支持，还有一起愉快的度过研究生生活的电气5 0 9 室的各位 同门，有他们的帮助支持，我才能更顺利的完成本课题，在此我向他们表示最真 诚的谢意! 最后，衷心地感谢为评阅本论文而付出宝贵时间和辛勤劳动的专家和教授们! 李丽娜 2 0 1 0 年6 月 i 中文摘要 中文摘要 摘要：为适应新型机车车辆控制技术对列车通信网络性能的要求，国内外许多相 关部门进行了对列车通信网络的研究。本文在研究学习l o n w o r k s 技术之后，根 据国际标准对列车通信网络的特殊要求，组建了基于l o n w o r k s 的列车通信网络 平台来模拟列车网络运行。 本课题所组建的列车网络拥有列车级和车厢级两层结构，并且包括基于不同 主机的智能节点，课题中主要采用模块化设计理念完成各个功能模块的设计制作。 首先，开发基于n e u r o n3 1 5 0 的智能通信网桥，并对该网桥进行简单的四节点组 网调试以保证网桥功能的实现；其次，开发两种基于不同主机的智能测控节点； 最后，基于制作完成的网桥及智能节点组建列车网络平台并进行通信调试。该列 车网络主要实现室温检测和车厢门监控功能，包含了测温节点和门控节点，通过 通信网桥来实现两层网络之间的数据通信，并加入了一个列车管理总节点来监控 和管理列车网络的运行，该列车网络基本实现了预期设计目的。 对基于l o n w o r k s 的列车通信网络的开发和研究，为今后l o n w o r k s 技术的 应用及列车网络的进一步发展打下了坚实的理论和试验基础。 关键词：l o n w o r k s ；列车通信网络；n e u r o n 芯片；通信网桥；智能节点；s p i ； n e u r o w i r e ；从b 方式 分类号： ， 弋 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h en e wt y p eo fv e h i c l eo nt h et r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp e r f o r m a n c e ，b o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e l a t e dd e p a r t m e n t s m a k eaq u n a n t i t yo fr e s e a r c ho nt h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i nt h i sp a p e r ，a f t e r i n t r o d u c i n gt h ef e a t u r e so f t h el o n w o r k st e c h n o l o g y ，at r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s e do nl o n w o r k si sd e s i g n e da n de s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e s p e c i a lr e q u i r e m e n t so nt h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d 1 1 1 et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd e s i g n e di nt h i sp a p e ri n c l u d e st h et r a i nb u s a n dt h ev e h i c l eb u sa st h et w ol a y e r sb u ss t r u c t u r e ，i ta l s oi n c l u d e st h ei 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 eb a s e do nd i f f e r e n th o s t i nt h i si s s u e ，w em a i n l yu s et h e m o d u l a r i z ed e s i g nc o n c e p tt oc o m p l e t et h ed e s i g no fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l e f i r s t , a n i n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o nb r i d g eb a s e do nt h en e u r o n3 15 0c h i pi sd e v e l o p e d , i no r d e r t or e a l i z et h ef u n c t i o no ft h ei n t e l l i g e n tb r i d g e ，w eb u i l daf o u r - n o d en e t w o r kt od e b u g s e c o n d l y ，t w oi 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 sb a s e d0 1 1d i f f e r e n th o s ta l ed e v e l o p e d o nt h i sb a s i s ，t h et r a i nc 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 se s t a b l i s h e d ， w ea l s oc o n d u c t e dt h e c o r r e s p o n d i n g c o m m u n i c a t i o n d e b u g g i n g t h i s t r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki n c l u d e st e m p e r a t u r em o n i t o r i n gn o d ea n dg a t em o n i t o r i n g n o d et or e a l i z et e m p e r a t u r ea n dg a t em o n i t o r i n g 1 1 1 ec o m m u n i c a t i o nb r i d g er e a l i z e s t h ed a t ac 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 w ea l s ou s ea n i n t e l l i g e n tc h i e fm a n a g i n gn o d et om a n a g et h ew h o l et r a i nn e t w o r k t h i st r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s i c a l l ya c h i e v e st h ed e s i g n i n gp u r p o s e b yd e v e l o p i n ga n dd e s i g n i n go ft h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do n l o n w o r k s ，w el a y as o l i dt 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 s f o rt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to ft h el o n w o r k st e c h n o l o g ya n dt r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k k e y w o r d s ：l o n w o r k s ；t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；n e u r o nc h i p ； c o m m u n i c a t i o nb r i d g e ；i n t e l l i g e n tn o d e ；s p i ；n e u r o w i r e ；s l a v ebm o d e c l a s s n 0 ： v u 1 3 1 技术路线3 1 3 2 论文工作：4 2 基于l o n w o r k s 技术的列车网络整体设计5 2 1 引言5 2 2 列车网络功能及整体结构设计5 2 3l o n w o r k s 网络控制技术及实现6 2 3 1 神经元芯片。6 2 3 2n e u r o nc 编程语言- 。9 2 3 3l o n t a l k 协议。1 0 2 3 4l o n w o r k s 开发工具1 2 2 3 5l o n w o r k s 网络控制系统1 3 2 4 本章小结1 5 3 基于l o n w o r k s 的通信网桥研发一1 7 3 1 引言17 3 2 列车通信网络网桥的硬件设计。1 7 3 2 1n e u r o n 芯片t m p n 315 0 通信模块的硬件设计18 3 2 2 两n e u r o n315 0 芯片之间的s p i 通信接口设计。2 3 3 3 两n e u r o n3 1 5 0 芯片之间的s p i 通信软件开发2 5 3 - 3 1 主机发起的s p i 通信2 6 3 3 2 从机发起的s p i 通信2 8 3 4 通信网桥的组网调试3 0 3 4 1 节点安装调试3 0 3 4 2 二层网络组建及网桥功能实现3 1 3 5 本章小结3 4 4h o s t b a s e dl o n w o r k s 智能节点模块化设计3 5 北京通大学硕士学位论文 4 1 引言3 5 4 2 基于p i c l 6 f 9 7 7 a 的l o n 智能节点设计3 5 4 2 1 基于主处理器p i c l 6 f 8 7 7 a 的功能模块硬件设计。3 6 4 2 2 功能模块与通信模块的接口电路设计3 9 4 2 3 基于p i c l 6 f 8 7 7 a 的l o n 智能节点软件设计4 0 4 3 基于8 0 c 1 9 6 的列车智能节点设计4 2 4 3 1 基于8 0 c 1 9 6 的列车智能节点硬件设计4 3 4 3 2 主、从处理器之间的并行接口电路设计4 6 童 4 3 3 智能节点并行通信软件设计4 7 4 4 本章小结5 1 5 列车通信网络的组建及调试5 3 5 1 列车网络平台组建5 3 5 2 列车通信网络各节点功能设计5 3 5 3 网路节点功能软件实现5 7 5 3 1 通信节点的网络编址5 7 5 3 2 系统节点软件设计5 8 5 4 列车通信网络创建6 1 5 5 本章小结6 4 6 总结与展望。6 5 6 1 全文总结6 5 6 2 课题局限性及工作展望6 5 参考文献一6 7 作者简历6 9 独创性声明7 1 学位论文数据集7 3 绪论 1 绪论 1 1l o n w o r k s 技术的应用领域及发展前景 l o n w o r k s 控制网络是当前最为流行、通信能力较强的一种现场总线，它是唯 一一种涵盖s e n s o rb u s 、d e v i c eb u s 和f i e l db u s 三种应用层次的总线技术。 l o n w o r k s 总线最突出的特点是通信协议l o n t a l k 支持o s i 全部的七层模型， l o n t a l k 协议通过其专用的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，从而完成网络通信和相应的控制任务调度。其网络拓扑 结构可以是自由型、总线型、环型、星型，或是不同形式的自由组合，通信介质 包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、射频、红外线等多种介质，并且多种媒 介可以在同一个网络中混合使用。另外，其应用程序采用面向对象的设计方法， 通过网络变量或者显示消息模式把网络通信的设计简化为参数设置，大大地提高 了开发速度。 自2 0 世纪9 0 年代被推出之后，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 e nc o n t r o l 、a b b 、p h i l i p s 、y o k o g a w a 、h p 等) 。目前已有4 5 0 0 家以上的生产厂商在生产和使用l o n w o r k s 产品，有超过三千万个l o n w o r k s 节点 在使用运行，5 0 0 0 余种l o n w o r k so e m 产品问世，其中约3 0 应用在工业领域【1 1 。 l o n w o r k s 技术最大的应用领域在楼宇自动化方面和能源管理，它包括建筑物监控 系统的所有领域，即入口控制、电梯和能源管理、消防、救生、安全、照明、供 暖通风、测量、保安等。在建筑业中，l o n w o r k s 协议中的媒体访问控制层( m a c 层) ，即七层协议中的第一、二层已被美国暖通空调和制冷工程师学会( a s 职a e ) 接纳为建筑自动化控制网络( b a c n e t ) 的标准，同时也被美国国家标准协会( a n s i ) 制定的有关标准所采纳。在欧洲，l o n w o r k s 协议被认为是欧洲标准c e n t c 2 4 7 和 c e n t c 2 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约束，将控制分散 到整个网络节点上去，在半导体制造工厂、气体压缩站、石油储罐区、石油和水 泵站、印染厂、造纸厂等应用领域都占有重要的地位。 l o n w o r k s 在交通领域中的应用正在蓬勃发展，采用l o n w o r k s 网络控制技术 实现列车控制在国外已有很多成功的范例。美国铁路运输联盟选择l o n w o r k s 控制 列车正朝着高速化、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【2 j 是列车 微机控制系统的神经中枢，主要实现对列车运行中所有车辆设备运行状态的监视， 并根据需要对各可控设备进行远端控制。这些车辆设备一般包括辅助电压、逆变 器门控器、烟火报警器、防滑器、空调控制器、列车供电控制器、轴温报警器等。 列车通信网络将整个列车连成一个整体，司机对整个列车的控制命令通过列车通 信网络送到各个车厢，各个车厢工作状态通过列车通信网络送到司机显示台上， 让整个列车有效而安全的工作。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。 2 0 世纪7 0 年代末至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。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t n 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。如德国s i e m e n s 公司的s i b a s 系统、 瑞士a d t r a a z 公司的m i c a s 系统、法国a l s t o m 公司的f i p 系统及日本的t i s 系统等。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。而在北美地区，加拿大庞巴 迪和日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。 国际上对列车通信网络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。 2 绪论 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 型即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 t ) 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 户l 。随后，t c n 得到了在制动、车门、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开展，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，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。已投入使用的有内燃动车组( 曙光号、神州号) 点对点通信，实现首尾机车的重联控制【4 】。国内投入运行的地铁列车( 包括监控系 统) 基本都是从日本或欧洲进口，成本很高，如果采用我们自己的系统成本将会 大大降低。根据上述两大国际标准，并结合国内铁道牵引的实际情况，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一列车通信网络。 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。 在铁路行业，l o n w o r k s 现场总线技术被列为铁路网络通信标准后，其发展更 迅速，应用也越来越广泛，这对于铁路列车国产化水平的提高，列车成本的降低 有极为重要的意义。 1 3 课题研究思路及所作工作 本课题主要组建基于l o n w o r k s 技术的列车通信网络平台，充分发挥l o n w o r k s 技术组网的灵活性，将基于不同主机的智能节点接入到一个网络系统中进行组网 调试，从而实现列车通信网络控制。组网之前需要对各个功能模块进行相应的软、 硬件设计。 1 3 1 技术路线 利用神经元芯片5 】 6 1 1 7 1 ( n e u r o nc l l i p ) 开发出l o n w o r k s 通信模块；在此基础上， 两个该通信模块通过连接来开发通信网桥，以实现车厢网与列车网的互连。采用 模块化设计思想分别开发以p i c l 6 f 8 7 7 a 及8 0 c 1 9 6 单片机为主处理器、n e u r o n 芯 片为从处理器的l o n w o r k s 智能节点：最后建立二层l o n w o r k s 网络，上层网模拟 列车总线，下层网模拟车厢总线，它们之间用智能网桥实现网络互连。在上层网 3 北京交通大学硕士学位论文 络实现整个列车控制网络的管理、监视、控制及数据的存储与显示等功能，通过 下层网的各个l o n w o r k s 智能节点，实现对车厢内各种设备的监控。 1 3 2 论文工作 ( 1 ) 首先对l o n w o r k s 技术发展前景和国内外列车通信网络的发展现状进行 了分析研究，并对基于l o n w o r k s 技术列车通信网络进行了整体结构设计，着重介 绍了该列车网络所实现的功能。结合列车通信网络的设计介绍l o n w o r k s 总线的核 心技术及控制网络系统的实现。 ( 2 ) 通过对l o n w o r k s 现场总线技术在列车智能通信网络中的实际应用研究， 开发了基于l o n w o r k s 的通信网桥，基于不同主机的l o n w o r k s 智能节点，并完成 相应的软、硬件设计。网桥和智能测控节点的主、从处理器之间分别采用串行s p i 和从b 并行实现通信【8 】。针对网桥进行了简单的四节点组网调试，以确保网桥功 能的实现。 ( 3 ) 利用制作好的网桥及智能节点搭建起包含两节车厢的小型列车通信网络 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，并进行了网络 调试。 ( 4 ) 最后对课题工作进行了总结，分析并提出了课题局限性及系统性能优化 的一些可行措施。 4 基于l o n w o r k s 技术的列车网络整体设计 2 1 引言 2 基于l o n w o r k s 技术的列车网络整体设计 新型机车车辆及高速动车组应用的迅速发展，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。 将l o n w o r k s 现场总线技术应用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。 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。它采用分布式无主结构，在赋予 所有设备智能化，并保障相互运用的同时，以点对点或对等方式按照开放型标准 实现相互连接，为各式各样的网络应用提供端到端的解决方案，使任何符合协议 的智能型设备都可以在控制网上实现无缝连接。 l o n w o r k s 技术作为一种开放的网络平台控制技术以其对等性、平坦性、开放 性、互操作性等特点，在列车网络中已经得到越来越广泛的应用。 2 2 列车网络功能及整体结构设计 按照列车通信网络的国际惯例和我国国家标准，列车通信网络分为车厢级网 络和列车级网络两层结构。本课题要搭建的列车通信网络就是由这两层网络构成， 智能通信网桥实现列车网与车厢网之间的通信。 图2 - 1 网络试验平台结构图 f i g u r e2 - 1n e t w o r ke x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf r a m e w o r k 北京交通大学硕士学位论文 图2 1 所示为本课题所搭建的列车网络整体结构框图。列车网络基于 l o n w o r k s 技术，模拟对车厢室温、门控信号采集处理与控制，各总线采用总线型 拓扑结构，通信介质采用双绞线。在列车总线上，以l o n b u i l d e r 的管理模块和协 议分析模块作为系统的p c 网络管理器，采用一块g i z m o4 作为列车管理总节点， 用于监控全列车的运行状态。为实现组网简单，网络设计有两节车厢，每节车厢 都有车厢总线连接车厢内各智能设备，而且均设有2 个测控节点，其中2 个基于 主机的l o n w o r k s 智能测控节点作为测温节点，2 个g i z m o4 作为门控节点，分别 监控各车厢的电动门的开关以及各个车厢的室温。2 个基于l o n w o r k s 的网桥作为 列车总线和车辆总线的通信中介，并实现对所连车厢内智能节点的管理，这样某 一车辆系统发生故障时，列车总线和其他车厢的车厢总线仍能正常工作。 按照列车通信网络的特殊要求【3 1 ，本课题所搭建的列车通信网络要实现的技 术功能指标如下： 列车管理总节点对整个列车通信网络进行管理，监控全列车的网络信息。 对两节车厢室温进行实时监测，包括本车厢对本车厢的室温监测以及管 理总节点对全列车各车厢室温的监测。 对两车厢电动门的监控，列车管理总节点能够检测到各个车厢电动门的 开启状态，并且能够控制某一车厢电动门的开启。 各车厢信息以每节车厢为单位实现互相隔离，某一车厢通信系统发生故 障时，不会影响全列车通信系统的正常运行。 一节车厢内智能节点不能对其他车厢的网络信息进行监控，只有列车管 理总节点能够监控全列车的运行状态。 由于整个列车网络组建是基于l o n w o r k s 技术实现的，因此明确l o n w o r k s 总线技术及网络控制系统的实现是完成整个课题工作任务的基础。 2 3l o n w o r k s 网络控制技术及实现 l o n w o r k s 包含了所有设计、开发、安装和调试、维护网络等所需要的技术， 包括：神经元芯片、n e u r o nc 编程语言、l o n t a l k 协议、智能收发器、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。 2 3 1 神经元芯片 l o n w o r k s 技术的物理实现核心神经元芯片，芯片固化了l o n t a l k 协议， 6 基于l o n w o r k s 技术的列车网络整体设计 它是整个列车通信网络的控制通信协议处理器。通过对硬件和固件( f i r m w a r e ) 的有机结合，可以实现列车网络通信处理器所需要的所有关键功能。 ( 1 ) 神经元芯片结构 神经元芯片主要包含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，适用于开发较复 杂的应用系统。 考虑到列车通信网络系统复杂的通信控制任务，本课题采用t o s h i b a 公司 生产的t m p n 3 1 5 0 芯片作为通信协议处理器。图2 2 为t m p n 3 1 5 0 芯片的内部结 构图。 l 置i 存扩艇总蛙 s e r 图2 - 2 神经元芯片内部结构图 f i g u r e2 - 2n e u r o nc h i pb l o c kd i a g r a m 神经元芯片作为智能节点的核心，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： 、 3 个8 位的c p u ，输入时钟范围：6 2 5 k h z 1 0 z ； 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 2 p r o m 等； 有2 个1 6 位的定时器计数器，有1 5 个软定时器； 其休眠工作方式能在维持操作的情况下降低电流损耗； 网络通信端口有单端、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 ； 7 北京交通大学硕士学位论文 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； 服务引脚用于远程识别和诊断： 有4 8 位内部n e u r o n1 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。 n e u r o n 芯片内的三个8 位微处理器，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，三个c p u 之间的相互联系如图2 3 所示。 图2 - 3 处理器结构及存储区分配 f i g u r e2 - 3 p 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 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；网络处理器完成l o n t a l k 协议的3 - 6 层网络协 议，网络处理器使用共享存储器中的网络缓存区与介质访问控制处理器通信，使 用共享存储器中的应用缓存区与应用处理器通信；应用处理器执行用户编写的代 码以及用户代码调用的操作系统命令。 ( 2 ) 芯片的网络接口与应用i 0 对象 芯片要通过收发器与总线实现网络连接，而收发器与n e u r o n 芯片之间的连接 则通过n e u r o n 芯片的多功能通信端口c p 0 c p 4 五个通信引脚实现，该通信端口 可以配置与多种网络收发器相连接，且可实现较宽范围的传输速率。它有三种工 作方式：单端、差分和专用工作方式，n e u r o n 芯片通信端口的三种工作方式的区 别在于它们的编解码方式、网络的传输速率以及对多种传输媒介的适应性。表2 1 给出了与每种工作方式对应的引脚定义。 表2 - 1 通信端口引脚定义 1 a b l e2 1c o m m u n i c a t i o np o r t sp i n 引脚 单端工作方式差分工作方式 专用工作方式 c p 0 数据输入数据输入 i 入 c p l 数据输出数据输出 t x 出 c p 2 发送使能数据输出比特种输出 8 基于l o n w o r k s 技术的列车网络整体设计 引脚 单端工作方式差分工作方式专用工作方式 c p 3 休眠输出 数据输出休眠出或唤醒输入 c p 4 冲突检测输入冲突检测输入帧时钟输出 本课题中，n e u r o n 芯片的通信端口配置成单端工作方式，这是因为单端工作 方式与其它两种方式相比具有更加优越的性能，它使用差分曼彻斯特编解码技术 来编解码发送及接收的数据，其数据帧的结构如图2 4 所示。 图2 _ 4 数据帧结构不葸图 f i g u r e2 - 4d a t af r a m es t m e m r e ( 1 ) 同步头( 至少6 比特) ：用于收发节点的同步，包括比特同步和字同步， 比特同步为任意长度的全“1 码，字同步为一比特长的“0 ”码。 ( 2 ) 传输结束码( 至少2 比特) ：用于表明发送包的结束。码字为“0 或“1 ， 取决于发送数据最后一比特的状态。它使数据输出足够长的时间，以便接收器能 够识别标识发送结束的无效代码。 这种数据帧结构式的数据支持在多种媒介中传送，并且对信号的极性不敏感， 而且具有冲突检测功能，因而网络传输速率比较高，可以满足列车网络通讯的实 时性与快速性的要求。 另外，芯片中的1 0 0 1 0 1 0 是1 1 个i o 引脚，可配置成3 4 种不同的i o 对象， 可以用最小的外接电路实现灵活的输入输出功能。i o 对象主要包括：直接i o 对 象、并行双向i o 对象、串行i o 对象、定时器计数器输入对象和定时器计数器 输出对象。 2 3 2n e u r o nc 编程语言 本课题采用n e u r o nc 【9 】【1 0 】语言进行软件编程，它是专门为n e u r o n 芯片设计 的编程语言，以a n s ic 为基础，加入通信、事件调度、分布数据对象和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。为满足神经元芯片作为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： 9 北京交通大学硕士学位论文 一个内部多任务调度程序，允许以自然的方式描述事件驱动的任务，同 时控制这些任务的优先级执行。 将i o 对象直接映射到处理器的i o 能力。 提供一种简单的实现节点之间数据共享的网络变量对象。 w h e n 语句引入事件( e v e n t s ) 并定义这些事件的当前时间顺序。 调用r u n - t u n e 函数库时执行事件检查、i o 管理、网络信息接收和传送 以及n e u r o n 芯片的多种控制功能。 显示报文( e x p l i c i tm e s s a g e ) 传递实现对基本l o n t a l k 协议底层服务的直 接访问。 秒级和毫秒级的定时器，可随意激活用户的任务。 2 3 3l o n t aik 协议 l o n t a l k 是l o n w o r k s 技术的通信协议标准1 1 】【1 2 】【1 3 1 ，它遵循i s o o s i 标准， 支持灵活编址。表2 2 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。 表2 - 2l o n t a l k 协议的各层功能 t a b l e2 - 2l o n t a l kp r o t o c o ll a y e r i n g 层次层次服务l o n 提供的服务处理器 7 应用层 网络应用标准网络类型应用处理器 6表示层数据表示网络变量、外部帧传输网络处理器 请求响应，认证，网络 5 会话层远程摇控网络处理器 管理 端对端的可靠传应答、非应答、点对点 4 传输层 网络处理器 输及双重检测 3 网络层传输分组 地址、路由 网络处理器 链路层帧结构 帧结构，c r c 错误检查 m a c 处理器 链路数据解码 2 层m a c 子 可预测c s m a ，冲突避 介质访问m a c 处理器 层 免，优先级 1 物理层电路连接 介质、电气接口m a c 处理器 根据l o n t a l k 协议，列车通信网络采用网络变量来实现直接面向对象的通信， 这样各节点的应用程序在网上对其他节点发送和接收报文时无需知道网络拓扑、 l o 基于l o n w o r k s 技术的列车网络整体设计 名字、地址或其他节点的功能。 要实现列车网络的通信功能，在网络设计和安装过程中要进行“变量捆绑 ， 当某一节点的输出网络变量变化时，则它所连接的节点的对应输入网络变量也会 相应的变化，还要通过配置l o n t a l k 固件，以确定各个节点的逻辑地址。所有逻 辑地址有两个部分：第一部分是指定域的域i d ( d o m a i ni d ) ，所谓域就是节点的集 合，常常是整个系统，它们可以互操作；逻辑地址的第二部分以独特的1 5 位节点 地址规定域中的一个单一节点，或者以它独特的8 位组地址规定一个预先定义的 节点组。 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 ) 子层采用了可预测的p 坚持 c s m a c d 1 4 】【1 5 】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。 l o n t a l k 协议的设计独立于传输介质，能支持由不同介质的网段组成的网络。 协议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。每 类信道在最多可连接的节点数、通信位速率和物理距离限制方面都有不同的特征。 表2 3 总结几类广泛应用的信道的特征。本课题为简化组网，采用t p f t - 1 0 a 双 绞线总线拓扑。 表2 - 3 几种信道的特征比较 t a b l e2 - 3c 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 信道类型介质数据速率最多节点数最大距离 t p ) ( f 1 2 5 0双绞线总线型 1 2 5 m b p 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 4 1 3 3 0 m ( 总线长 度) 1 1 p f t - 1 0 双绞线灵活拓 7 8 k b p s6 4 ( 如果通过链路供目gn - - i 达5 0 0 m ( 节点到节 扑 1 2 8 )点) p l 2 x 电力线 5 k b p s 5 0 0视环境而定 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。 无论网络规模，提供可预测的响应时间。 支持混合介质和不同通信速率构成的网络。 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。 北京交通大学硕士学位论文 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。 l o n w o r k s 开发工具 课题在进行通信网桥、智能节点开发以及最后的组网，都要用到l o n w o r k s 供的两种节点开发工具及网络安装工具。l o n w o r k s 技术的开发工具包括系 统级开发工具l o n b u i l d e r 和设备级开发工具n o d e b u i l d e r t l 6 1 。 ( 1 ) l o n b u i d e r 开发包 它包括了开发l o n w o r k s 节点和网络测试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。它包括节点开发器，网络管理器，协议分析器和报文统计器。 ( 2 ) n o d e b u ii d e r 开发工具 它是针对基于神经元芯片和e c h e l o n 收发器应用的工具，其提供对单个节点 的编程和调试开发环境，不包含系统集成和测试工具。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，以便于完成加载、监视和控 制l o n w o r k s 设备和进行应用节点的样机设计。 p c n s sp c 接口卡是一块i s a 总线p c 卡，用来向l o n w o r k s 节点下载应用软 件、对l o n w o r k s 节点进行监测和控制等。p c n s s 包括一个