（检测技术与自动化装置专业论文）基于lonworks现场总线技术和gprs机房动力监控系统的研究与实现.pdf

摘要 随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，无线通信技术和现场总线技 术也得到了迅猛的发展，把两者结合成为一个必然的趋势。本文正是在这种背景 下，结合一个机房的配电系统进行实时监控方面的课题，采用先进的电能计量芯 片技术，进行基于l o n w o r k s 现场总线技术和g p r s 的机房的配电系统研究 本文通过采用专用的高精度电力参数采集芯片和g p r s 无线m o d e m 设 计了集三相电力参数测量、数字输入测量、数字输出监控于一体的配电变 压器远程网络监控终端。本文从硬件和软件分别阐述其实现过程。 论文第一章从总体上介绍了监控系统的分类以及国内外机房电力监 控系统发展的现状，在此基础上提出了应用l o n w o r k s 现场总线技术和g p r s 网络作为机房电力和实时监控系统的传输媒介。第二章介绍了l o n w o r k s 现 场总线技术。第三章介绍g p r s 通信原理的基础上，并从技术角度出发分析 了现阶段采用l o n w o r k s 现场总线技术和g p r s 技术的优越性。第三章着重介 绍了机房配电监控终端硬件设计，特别是高精度电力参数采集芯片及其实 际应用。第四章则着重介绍无线m o d e 模块的功能特性和a t 命令集在无 线m o d e m 驱动方面和短信方面的具体应用，并结合实际给出了详细的应用 例子。第五章介绍了系统通信的连接整体构建。第六章介绍了监控管理单元的上 位机和现场节点的通讯实现。最后，本文进行了研究总结，并进行了展望。 关键词：l o n w o r k s 现场总线；s a 9 9 0 4 b 芯片：g p r s ：m c 3 5 i ；远程实时监控系统 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i c t e c h n 0 1 0 9 y ，t e c h n o l o g y o ft h e c o 珥p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w i r e l e s sc o i n m u n ic a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y a n d o n t h e s p o tb u st e c h n o l o g yg e ts w i f ta n dv i o l e n td e v e l o p m e n tt o o ， c o m b i n i n gt h et w ob e c o m e sa ni n e v i t a b l et r e n d t h i st e x tu n d e rt h e b a c k g r o u n d ，c o m b i n eo n ed i s t r i b u t i o ns y s t e mo fc o m p u t e rl a bi si tc o n t r 0 1 s u b j e c to fi nr e a lt i m et og do nj u s t ，a d o p tt h ea d v a n c e de l e c t r i ce n e r g y t om e a s u r et h et e c h n o l o g yo ft h ec h i p ，t h ee l e c t r i cm o n i t o r i n gs y s t e mo f c a r r y i n go nt h ec o m p u t e rl a bb a s e do nl o n w o r k so n t h e s p o tb u st e c h n o l o g y a n dg p r si ss t u d i e d t h r o u g ha d o p ts p e c i a l p u r p o s eh i g h a c c u r a c ye l e c t r i cp a r a m e t e rg a t h e r c h i pa n dg p r sw i r e l e s sm o d e md e s i g nc o l l e c tt h r e e p h a s ee l e c t r i cp a r a m e t e r m e a s u r e m e n tt h i s t e x t ，t h ef i g u r ei si n p u ta n dm e a s u r e d ，t h ef i g u r ei s e x p o r t e d a n dc o n t r o l l e di nt h e i n t e g r a t i v e d i s t r i b u t i o n v o l t a g e t r a n s f o r m e r l o n g r a n g en e t w o r km o n i t o r i n gt e r m i n a ls t a t i o n t h i st e x t e x p l a i n s i t sr e a l i z a t i o n c o u r s ef r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e r e s p e c t i v e l y c h a p t e ro n eo ft h e s i sh a si n t r o d u c e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o n so ft h e c l a s s i f i c a t i o no f t h e 丑o n i t o r i n gs y s t e ma n dd o m e s t i ca n di n t e r n 8 t i o n a l e l e c t r i cm o n i t o r i n gs y s t e md e v e l o p m e n to fc o m p u t e rl a bo nt h ew h o l e ， i s i tu s el o n _ l | r o r k s o n t h e s p o tb u st e c h n 0 1 0 9 ya n dg p r sn e t w o r ka sc o m p u t e r 1 a be l e c t r i c i t ya n dr e a l 一t i m et r a n s i s s i o nm e d i ao fm o n i t o r i n gs y s t e mt o p r o p o s eo nt h i sb a s i s c h a p t e rt w oi n t r o d u c e dl o n w o r k so n t h e s p o tb u s t e c h n o l o g y 工n t r o d u c eg p r sa tt h ef o u n d a t i o n c o 衄u n i c a t i o no f p r i n c i p l e ， i s i ti s i t a d o p tl o n w o r k so n t h e s p o tb u st e c h n o l o g ya n d s u p e r i o r it y ， g p r so ft e c h n 0 1 0 9 yt h ep r e s e n ts t a g et oa n a l y s et op r o c e e d f r o mt e c h n o l o g i c a la n g l e c h a p t e rt h r e er e c o 蚴e n d e dt h ed i s t r i b u t i o no f c o m d u t e rl a bt oc o n t r o lt h et e r m i n a lh a r d w a r et od e s i g ne m p h a t i c a l l y ，h a s g a t h e r e d t h ec h i pa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i n e s p e c i a l l y t h e h i g h a c c u r a c ye l e c t r i cp a r a m e t e r t h ec h a p t e rf o u rr e c o m m e n d 霄i r e l e s s m o d e mf u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n da to fm o d u l ei s i tc o l l e c ti nw i r e l e s s m o d e mu r g i n gr e s p e c t i n ga n dc o n c r e t ea p p l i c a t i o n ，m e s s a g eo f t oo r d e r e m p h a t i c a l l y ， c o b i n ea n d p r o v i d e t h ed e t a i l e d a p p l i c a t i o ne x a m p l e a c t u a l l y c h a p t e rs i xi n t r o d u c et h ec o n s t r u c t i o no ft h ew h 0 1 es y s t e mo f c o n n e c t i o no fs y s t e m a t i cc o m m u n i c a t i o n i si ti si tm a n a g et og ot o1 0 c a t i o n p l a n ea n ds c e n en o d a lc o m m u n i c a t i o nr e a l i z eu n i tt oc o n t r 0 1t oi n t r o d u c e f i n a l l y ， t h i st e x tc a r r yo nr e s e a r c ht os u 咖a r i z e ，l o o k e df o r w a r dt o k e y w o r d s ：l o n w o r k sf i e l d b u s ；s a 9 9 0 4 bc h i p ：g p r s ；m c 3 5 i ：r t u m 第一章绪论 本文从总体上介绍了监控系统的分类以及国内外监控系统发展的现 状，在此基础上提出了应用l o n 现场总线技术和g p r s 网络作为机房配电 实时远程监控系统的传输媒介。最后介绍本论文研究的主要内容“川。” 1 1 前言 随着信息技术的发展和普及，计算机系统及通信设备数量与日俱增，规模越 来越大，中心机房、计算机系统和通讯网络已成为各大单位业务管理的核心部分。 为保证其安全正常运行，与之配套的机房动力系统、环境系统、消防系统、保安 备报废，使系统陷入瘫痪，后果不堪设想。在我国，机房监控起步较晚，中心机 房动力及环境设备各自独立运行，并且普遍缺乏专职的设备管理人员和综合有效 的管系统必须时时刻刻稳定协调工作。如果机房动力设备出现故障，轻则影响电 脑系统的运行，重则造成计算机和通信设备提瘫痪。因此对中心机房的动力系统 进行实时集中的监控是极其必要。 随着现场总线技术的发展和广泛应用，r t u 模块( 远程测控模块) 与现场总 线技术的结合成为必然的趋势。由现场总线构成的面向对象分布式体系的r t u 系 统如图1 1 所示。“” 图1 1 基于现场总线的r t u 系统 ( f i g1 1 t h er t u s y s t e m b a s e do nf i e l d b u s ) 这种系统的r t u 模块之间由统一的网络连接，模块之间的数据交换由网络的 厂商提供的网络通信协议完成。不同的r t u 模块只要符合该网络的接口要求就能 广东工业大学工学硕士学位论文 够相互连接，这就意味着不存在通信连接开发的问题，从而省去了用户通信连接 开发的二次工作，使系统的应用更加方便。与传统的自动化模块相比，基于现场 总线的电力自动化模块，除了具备面向对象的i o 模块的一般功能外，最重要的 特点就在于每一个模块从现场总线的角度来看，就是一个网络上的智能节点。由 于一些现场总线可以实现网络层的功能，这使得现场设备( 智能节点) 具备网络 寻址的能力，从而实现现场设备之间点对点、点对多点以及广播式的变量通信。 目前，r t u 上的电参数测量大多采用交流采样算法计算，硬件成本高，软件编程 复杂，维护困难，随着电能测量芯片的快速发展及精度提高，电能芯片s a 9 9 0 4 b 不但能测量电能，还能测量一些基本的电参数，如电压、频率等等，从而为电能 芯片用在r t u 上提供基础。利用电能芯片测量电参数，可以大大降低硬件成本， 简化设计，使系统维护更加容易。 随着网络技术的不断发展和移动通信技术的不断更新，传统的监控技 术面临着更新换代的技术挑战。如何应用新的通信技术来实现监控系统的 网络化和无线化更是一个非常热门的课题。在国内企业中，广深铁路公司 利用全球卫星定位系统即g p s 进行实时采样，利用深圳移动局的g p r s 网 络技术将采样数据无线传送到广深公司的i n t e r n e t 服务器，这样通过各 个站台访问终端就可以随时登陆服务器，获得列车行驶的实际情况，监控 中心可以根据列车运行状态做出调度安排，提高服务质量。这个说明在国 内采用g p r s 网络技术传输监控数据是可行的。 1 。2 本系统整体架构 本系统通过g p r s 通信方式实现对机房动力系统的实时监控。其意义在于：通 过监控电动设备运行状况，旦供配电系统工作状态不正常，此系统将就是通过 无线和短消息方式将报警信息传输到中心计算机和管理人员的手机上，便于进行 故障分析，迅速采取措施，及时排除故障。通过l o n w o r k s 现场总线控制技术监控 机房设备系统。 本系统结构原理图如图l _ 2 所示： 2 图1 2 系统原理框图 ( f i g1 2b l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e n l a t i cp r i n c i p l e ) 本论文论述机房监控系统的动力系统监控设计与实现。 1 3 现场总线的发展概况哺3 随着计算机功能的不断增强，价格的不断下降，计算机与计算机网络系统得 到迅速发展。为了实现整个生产过程的信息集成，实施综合自动化，就必须设计 出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，以实现现 场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场 设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线在这样的背景下被提出来。 在1 9 8 3 年，h o n e y w e l l 推出了智能化仪表一s m a r 变送器，在这之后的几十年 间，世界上各大公司都相继推出了各具特色的智能仪表，给自动化仪表的发展带 来了生机，为现场总线的诞生奠定了基础。但是，应用这种数字模拟信号混合运 行方式的智能系统或设备问只能按模拟信号方式一对一地布线，难以实现智能仪 表之间的信息交换。 3 广东工业大学工学硕士学位论文 随着电子技术以及计算机技术的飞速发展，一微处理器为基础的各种智能仪 表，为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件。但不同厂商所提 供的设备之间的通信标准不统一，严重束缚了工厂底层网络的发展。为此，从用 户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准。 1 9 8 4 年，美国仪表学会( i s a ：i n s t r u e n ts o c i e t yo fa m e r i c a ) 下属的标 准实施( s t a n d a r ea n dp r a c t i c e ) 第5 0 组，简称i s a s p 5 0 开始制定现场总线标 准；1 9 8 5 年，国际电工委员会觉得由p r o w a yw o r k i n gg r o u p 负责现场总线体系 结构与标准的研究制定工作；1 9 8 6 年，德国开始制定过程现场总线( p r o c e s sf i e l d b u s ) 标准，简称p r o f i b u s ，由此拉开了现场总线标准指定及其产品开发的序幕。 1 9 9 2 年，由s i e m e n s 、f o x b o r o 、r o s e m o u n t 、f i s h e r 、y o k o g a w a 、a b b 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 j e c t ，可互操作系统规划) 组织，以 德国的p r o f i b u s 为基础制定现场总线标准。1 9 9 3 年，成立了i s p 基金会i s p f ( i s p f o u n d a t i o n ) 。1 9 9 3 年，由h o n e y w e l lb a i l e y 等公司牵头，成立了霄o r l df i p ， 约有1 2 0 多个公司加盟，以法国标准( f 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 ) 为基础制定现场总线标准。1 9 9 4 年i s p f 和w o r l df i p 握手言和，成立了现场总 线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 。n 1 2 1 踟 以此同时，在不同行业还派生出一些有影响的总线标准。如德国b o s c h 公司 推出c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) ，美国e c h e l o n 公司推出的l o n w o r k s 等。目 前，现场总线的发展相当迅速，人们预言它将成为2 l 世纪的开放式控制系统。“1 1 4g p r s 网络发展概况 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 是作为第二代移 动通信技术g s m ( 2 g ) 向第三代移动通信( 3 g ) 演进的过渡技术，因此也称2 5 g 通信技术，它是由英国b tc e l l n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是一种基于g s m 的移动分组数据业务面向用户提供移 动分组的i p 或者x 2 5 链接。“” g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了个新的网络，同时在网络上增加一些 硬件设备和软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广域的无 线i p 链接。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一 无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。g p r s 技术1 6 0 k b p s 的高速 4 传送速度几乎能让无线上网达到公网i s d n 的效果，实现”随身携带互联网。使 用g p r s ，数据实现分组发送和接收，用户永远在线而且按流量、时间计费，迅速 降低了服务成本。 通俗地讲，g p r s 是一项高速数据处理的科技，它以分组交换技术为基础，在 移动用户和数据网络之间提供一种链接，给移动用户提供高速无线i p 和x 2 5 服 务，用户通过g p r s 可以在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发e m a i l 、 进行i n t e r n e t 浏览等。 g p r s 是在第二代无线通信系统g s m 基础上发展起来的，将g s m 网络为数据流 的传输增加了支持分组交换的网络系统设备。g p r s 是g s m 向3 g 系统演进的重要 一环，它既考虑了向第三代系统的过渡，同时又兼顾了现有的第二代系统。g p r s 的引入将大大延长g s m 系统的生存周期。它只是对g s m 网络的一个升级而已。g p r s 与g s m 系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，丽g p r s 是一种分组交换 系统。第三代无线通信系统将会在g p r s 的基础上进行更进一步的技术进步与发 展，为网络全面支持高速、宽带的多媒体数据传输。 为了使用g p r s 业务，用户需要更换g p r s 手机。因为g p r s 是一种全新的技术， 从手机上讲，硬件与g s m 手机有很多的不同，软件功能更强大，所以必须更换手 机。需要说明的是：g p r s 手机向下兼容，可以做g s m 手机使用。 1 5 本论文研究的主要内容 1 以最新的电能芯片s a 9 9 0 4 b 作为电参数测量的核心，测量三相电压、电流、有 功功率、无功功率、功率因数、频率、有功电度和无功电度等电参数进行测量 和数据处理； 2 以n e u r o n 芯片为通信核心，设计一个通过l o n w o r k s 现场总线系统交换数据； 3 以无线g p r s 模块m c 3 5 i 为核心，设计一个具有采集、分析、记录、g p r s 双向通信功能的配电远程监控终端； 4 用a t 命令实现对无线接入设备的驱动和控制； 5 深入了解掌握g p r s 通信技术规范及其网络结构并将其应用在本项目 中。 6 短信息报警功能的实现； 7 监测终端的软件设计： 5 1 6 特色与创新 1 解决传统有线远程监控技术不足，利用无线远程监控技术实现网络监 控； 2 以最新的电能芯片s a 9 9 0 4 b 作为电参数测量的核心，进行三相电压、电流、有 功功率、无功功率、功率因数、频率、有功电度和无功电度等电参数测量和数 据处理； 3 以无线g p r s 模块m c 3 5 i 为核心，设计一个具有采集、分析、记录、g p r s 双向通信功能的配电远程监控终端 6 第二章l o n w o r k s 现场总线技术 本章介绍了l o n w o r k s 现场总线技术的n e u r o n 芯片、通信变量、通信协议、 编程语言以及安装工具。 2 1 l o n w o r k s 技术的特点1 8 3 它具有如下特点： ( 1 ) 先进性 l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的一种现场总线技术。 l o n ( l o c a l o p e r a t i o nn e t w o r k ) 为局部操作网络，具有现场总线技术的一切特点， 在国际和国内都得到越来越广泛的应用。l o n w o r k s 技术符合i e e e 一1 4 3 7 和e i a 一7 0 9 标准。它的技术核心为神经元芯片、收发器和l o n t a l k 通讯协议。神经元芯片为 超大规模集成电路，其内部有三个c p u ，分别控制通讯和应用程序的执行。神经 元芯片可以直接或通过收发器连成控制网络。收发器有不同的类型，以支持不同 的通讯介质，如双绞线、电力线、无线电、同轴电缆、红外线等。完善的l o n t a l k 通讯协议保证了通讯的可靠性及实时性。这种网络为对等式的通讯网络，各节点 地位均等，无主节点，实时性好，可靠性高，为楼字自动化、智能家居等应用提 供了控制网络。 ( 2 ) 出色的开放性 l o n w o r k s 技术符合i s 0 ( 国际标准组织) 的o s i ( 开放系统互连) 标准。l o n w o r k s 技术具有很好的开放性，符合l 0 n m a r k 标准的不同公司的产品可在同一网络上协 调工作。比如我们的抄表系统可与国外a l y a 、h o n e y w e l l 等公司的能量监控系统、 楼宇自动化系统无缝连接。开放性最大限度的降低了垄断利润，使用户花最少的 钱，选用各公司最好的产品。这就意味着用户摆脱了第一家供货商的限制，甚至 在第二期工程中不再选用第一家供货商的产品，而能与一期工程连接，降低投资 风险；同时，将来现有的l o n w o r k s 网上可以连接报警、求助、楼宇自动化等设备、 而无需网络投资。当然，这些设备你可以从其它你信赖的公司那里购买，只要他 们的产品符合l o n m a r k 标准。这样的公司遍及海内外，并且l o n w o r k s 技术在中国 7 广东工业大学工学硕士学位 隐文 发展很快。开放性给客户带来了很大的主动权，而封闭的系统很难与其它公司的 产品互连、增加了客户将来改变产品选型的可能性、减少了投资风险及垄断售后 服务的高额利润，从长远看减少了客户的总投资。 ( 3 ) 灵活的拓扑结构 采用双绞线作通讯介质的网络可构成总线式网络和自由拓扑网络。总线式 网络不加中继嚣距离可达2 7 0 0 m ，每增加一个中继器可扩展2 7 0 0 m ，自由拓扑网络 不加中继器距离可达5 0 0 m ，每增加一个中继器可扩展5 0 0 m 。在后一种结构中，通 讯线可被任意分支，提高了组网灵活性，降低了安装、维护费用。 ( 4 ) 强大的扩展能力 基于l o n w o r k s 技术研发的家庭智能控制系统可以在大规模区域实现远程 抄表、家庭安防及与其它楼宇自动化系统联网，其强大的扩展能力同一般的抄表 安防系统相比，具有无可比拟的优越性。 ( 5 ) 高可靠性 适合在各种恶劣的气候条件下使用，并具备良好的抗干扰能力。 ( 6 ) 维护容易 增加新设备、改变设备地址、调整运行参数、系统升级只需通过微机设置， 不必更改硬件设备。 2 2 l o n w o r k s 技术核心一神经元( n e u r o n ) 芯片n 9 1 n e u r o n 芯片是智能节点的核心部分，它包括一套完整的通信协议( l o n t a l k 协议) ，从而确保节点间使用可靠的通信标准进行互操作；n e u r o n 芯片可直接与 它所监视的传感器和控制设备连接，所以n e u r o n 芯片可以传输传感器或控制设备 的状态，执行控制算法，和其它的n e u r o n 芯片进行数据交换等。n e u r o n 芯片在 大多数智能节点中是一个独立的处理器，如果节点需要更强的信号处理能力或i o 通道，可以与其它处理器进行通信，共同构成所需的节点。 2 2 1 n e u r o n 芯片的主要性能特点 n e u r o n 芯片的主要性能特点： 1 ) 高度集成，所需外部器件较少； 至三耋j 篮= = 窑塑璺彗垫銮 一一 2 ) 三个8 位的c p u ，输入时钟可选择范围：6 2 5 k h z 一1 0 m h z ； 3 ) 片上存储器； 4 ) n 条可编程i o 引脚( 有3 4 种可选的工作方式) ： 5 ) 两个1 6 位的硬件定时器计数器，1 5 个软定时器； 6 ) 休眠工作方式：这种工作方式能在维持操作的情况下降低电流损耗； 7 ) 网络通信端口有三种方式供选择：单端方式、差分方式和专用方式； 8 ) 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； 9 ) 服务引脚：用于远程识别和诊断； 1 0 ) 4 8 位的内部i 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 埘 的保护。 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3 个c p u ，每个c p u 各自分工不同，见图2 1 。 图2 1n e u r o n 芯片处理器和存储器 ( f i g 2 1t h ec p ua n dm e m o r i z e fo f n e u r o n c h i p ) 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1 和第2 层，包括驱 动通信子系统硬件和执行m a c ( 介质访问控制) 算法。c p u 一1 和c p u 一2 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码解码。 c p u 一2 是网络处理器，用于实现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 l 通信，用应用缓存区中与c p u 一3 通信。 c p u 一3 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 nc 。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 3n e u r o n 芯片的应用i 0 对象 n e u r o n 芯片通过1 1 只引脚( i o o 1 0 1 0 ) 与指定的外部硬件相连，称这1 1 只 引脚为应用i o 。其中1 0 0 “1 0 3 带有高电流( 2 0 i i l a ) 接收；1 0 4 1 0 7 可以通过编程 设置成上拉；1 0 0 1 0 1 0 带有t t l 标准的迟滞输入：1 0 0 1 0 7 带有低电平检测锁存a 如图2 2 所示。 囫吸收电流2 0 m a 医因可编程上拉电阻 图2 2n e u r o n 芯片的引脚 ( f i g2 2t h ep i n o f n e u r o nc h i p ) 采用n e u r o nc 语言，可以定义一个或多个引脚作为输入输出对象。一个i o 对象简单讲就是一个定义的输入或输出波形，也可看作存放在r o m 中供用户应用 程序访问的已编写的固件例程。用户程序可以通过i 0 - i n ( ) 或i o o u t ( ) 系统 调用来访问这些i o 程序，并在程序执行期间完成输入输出操作。n e u r o n 芯片 有两种：n e u r o n3 1 2 0 x x 和3 1 5 0 ，在3 1 5 0 芯片的系统映象( s y s t e mi m a g e ) 中存 放3 4 种不同的i 0 对象，3 1 2 0 芯片则把3 4 种i o 对象存放在r o m 映象( r o m i a g e ) 中。 2 2 4 n e u r o n 芯片的固件 n e u r o n 芯片的固件就是指固化在芯片内的软件，这些软件分为3 个主要的部 分：系统映象、应用映象和网络映象。 系统映象包括l o n t a l k 协议、n e u r o nc 库函数以及任务调度程序。在n e u r o n 3 1 2 0 x x 芯片中，系统映象软件存储在片内的1 0 k b 的r o m 中；在n e u r o n3 1 5 0 芯 片中，系统映象软件存储在片外的r o m 或闪存中。 叭j呖凹m i i i i i i i i i 1 0 羞三耋! 詈! ：窑銎塑璺彗茎銮 应用映象包括n e u r o nc 编译应用程序产生的对象代码和应用程序指定的有关 参数，这些参数可以由网络管理工具查询。在n e u r o n3 1 5 0 芯片中，应用映象通 常是编程写入外部的r o 醋中，也可以通过下载，写入到外部的e 2 p r 渊或闪存中。 在n e u r o n3 1 2 0 x x 芯片中，应用映象软件下载到片内的e 2 p r o m 中。 网络映象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：节点地址分配、网络变量的连接信息以及消息标签的连接信息、 安装时要设置的网络l o n t a l k 协议的参数以及应用程序的配置变量。 2 3 l o n w o r k s 通信核心一网络变量与显式消息 l o n w o r k s 网络上的节点可以使用网络变量( 隐式消息) 和显示消息进行互相 问的通信。使用网络变量比较简单，但是数据长度是固定的；使用网络消息可以 容易的构成长度在0 2 2 8 b 的变长度消息，但是编程比较复杂。这两种通信方式各 有各的优点，可以混合起来使用。 2 3 。1 网络变量 l o n w o r k s 通信的核心是网络变量。网络变量是l o n w o r k s 通信协议l o n t a l k 的具体实现形式，属于表示层和应用层，应用程序声明网络变量，经过编译，网 络节点中就建立了相应的数据结构和输入输出缓冲区。在网络建立时，将不同节 点中的输入输出缓冲区连接起来就组成了网络变量。由于网络变量的建立和连接 是分开的，因此可以大规模地生产。当应用程序写输出网络变量时，n e u r o nc h i d 自动将网络变量打包，根据节点内的网络构造数据，选择相应的寻址方式进行传 输。网络上的其它节点根据报文中的目的节点地址和输出网络变量的选择码来更 新对应的输入网络变量，同时产生一个事件，通知应用程序网络输入变量已经改 变。由此可见，网络变量的引入，简化了网络通信的设计。 网络变量最基本的定义为： n e t w o r k i n p u tlo u t p u tt y p ei d e n t i f i e r = i n i t i a l 一v a l u e 说明： n e t w o r k 网络变量的关键词； i n p u tio u t p u t 输入和输出网络变量，两者选一 ：一：。：暨型竺塑塑坠些丝二一 t y d e网络变量的类型； i d e n t i f i e r定义的网络变量名称； i n i t i a 卜v a l u e网络变量的初始值。 例如：n e t w o r ki n p u tu n s i g n e d s h o r t d e a 0 一l i n e = 3 ， 定义了一个 u n s i g n e d s h o r t 类型的输入网络变量d e a 0 一l i n e ，初始值为3 。 2 3 2 显式消息 由于网络变量的数据长度一经确定就不能改变，且最多只有3 1 b ，所以限制 了它的使用。显式消息的数据长度是可变的，最长可以是2 2 8 b ，它还提供有请求 响应机制：某个节点发出请求消息能调动另一个节点作出相应的响应，从而实现 远程过程调用。 显式消息必须使用一个预定的对象来构造，然后使用显式函数以及预定事件 来处理这些显式消息。显式消息的构造是用m s g _ o u t 对象来实现的，其结构如下： s t r u c t f b o o l e n p r i o r i t y o n t a g ； c o d e ： d a t a m a x d a t a a u t h e n t i c a t e d 如果是优先级，p r i o r i t y o n 的值是 t r u e ，默认值是f a l s e f 消息标 消息代码 消息数据( 可选项) 需要消息鉴别，该值为t r u e ， 默认为f a l s e s e r v i c e t y p e s e r v i c e ；服务类型( 默认是应答服务) m s g o 叭一a d d rd e 乳一a d d r ： 查m s g a d d r h 文件( 可选项) m s g o u t ； 节点使用消息标签( m e s s a g et a g s ) 发送和接收显式消息。每个节点有一个 默认的输入消息标签m s g j n 。在网络安装时，必须建立输入和输出消患标签之间 的连接，这样消息才能被发送至正确的节点。消息代码是消息的标识码，每个显 式消息必须有一个消息代码，这样，接收程序就可以根据标识码来解释消息的内 容。 发送消息用m s g s e n d ( ) 来实现，其语法定义为： 12 g a n t e l g t t o s n n o m1 b 釜三耋j ：! = = 譬翌薹璺彗垫銮 。 v o i dm s gs e n d ( v o i d ) ： 该函数使用m s g o u t 对象发送消息，既无参数也无返回值。 取消一个发送消息用m s g c a n c e l ( ) 来实现，其语法定义为： v o i d m s g c a n c e l ( v o i d ) ： 该消息取消用s g o u t 对象构造的未发送的消息，以便空出相关的缓存器用 于构造另一个消息。同样，该函数既无参数也无返回值。如果消息已构成，但在 任务退出之前未使用m s g s e n d ( ) 发送，那么该消息自动取消。 程序可以通过预定事件接收消息，如w h e n ( m s g a r r i v e s ) 。m s g a r r i v e s ( ) 函 数也可以用来接收消息。其语法定义是： m s g a r r i v e s ( m e s s a g e c o d e ) ： 如果有消息到达，该事件判断为t r u e ，事件可以用消息代码来限定，就是说， 只有指定的代码的消息抵达时，事件才是t r u e 。 输入消息对象的名字是m s g _ i n ，它的定义如下： s t r u c t f i n t c o d e ：消息代码 i n t l e n ： 消息中数据的长度 i n t d a t a m a x d a t a 消息中的数据 b 0 0 1 e na u t h e n t i c a t e d 需要消息鉴别，该值为t r u e ， s e r v i c e t y p es e r v i c e ：发送端使用的消息服务类型 m s g i n a d d ra d d r ： 看 文件 b o o l e n d u p l i c a t e 设置请求消息是否为重发请求消息 u n s i g n e dr c v t x ；消息接收事务i d m s gi n ： 2 4 l o n w o r k s 通信协议一l o n t a ik 协议 n e u r o n 芯片上的所有3 个c p u 共同执行一个完整的七层网络协议，该协议遵 循i s o 的o s i 标准。网上任一节点使用该协议都可与同一网上的其它节点互相通 信。n e u r o n 芯片的l o n t a l k 协议处理与传输媒介是相对独立，所以网络可以采用 很多传输媒介，如：双绞线、电力线、无线电波、红外线、同轴电缆以及光缆等； 广东工业大学工学硕士学位论又 协议还支持网络分段，并且网络各段可使用不同的传输媒介。l o n 网可以由一个 或多个通道组成，为确保数据在两个通道之间传送，路由器用来连接不同的两个 通道，它有两个对应通道传输媒介的收发器。l o n t a l k 协议支持路由器以便构成 多种传输媒介的网络。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。 表2 1l o n t a l k 协议层 ( t a b l e2 1t h el a y e fo fl o n t a l k p r o t o c 0 1 ) o s i 层目的提供的服务 c p u 7 应用层应用兼容性l o n m a r k s 对象( o b j e c t s ) ，配应用c p u 置特性，标准网络变量类型 ( s n v t s ) ，文件传输 6 表示层数据翻译网络变量，应用消息，外来帧网络c p u 传送，网络接口 5 会话层远程操作请求响应，鉴别，网络服务网络c p u 4 传输层端对端通信应答消息，非应答消息，双重网络c p u 可靠性检查，通用排序 3 网络层寻址点对点寻址，多点之间广播式网络c p u 寻址，路由信息 2 链路层介质访问以组帧，数据，编码，c r c 错误m a cc p u 及组帧检查，可预测c s m a ，冲突避免， 优先级，冲突检测 1 物理层物理连接 特定传输媒介的接口，调制方 m a cc p u 案 2 4 1l o n t a lk 的大网络管理 在l o n 网上，每个节点都有自己的网络地址。当网络规模扩大时，网络地址 也增加，整个网络就比较难以管理，所以l o n t a l k 协议定义了一种分层编址方式。 这种方式使用了域( d o 鼬i n ) 、子网( s u b n e t ) 、节点( n o d e ) 地址，为了进一步 简化多个分散节点的编址，还定义了另一级地址，这就是组地址。分层编址简化 14 釜三耋! ：! ：窑翌蛰兰彗垫銮 了对正在运行的网络节点的替换，也就是说将被替换节点的地址赋给替换节点即 可，这样，网上的全节点无须修改即可访问新的替换节点。 第一层域是一个或多个通道上的节点的一个逻辑集合，只有在同一个域里的 节点才能互相通信。也就是说，在同一个通道上的节点可以完全通过赋予不同的 域名而执行不同的网络应用，并绝对做到不同的网络应用之间完全独立，互不干 扰地运行。某个节点可同时分属于一个或两个域，作为两个域的节点可用作两个 域之间的网关( g a t e w a y ) 。l o n t a l k 协议不支持两个域之间的通信，但借助网关 的程序设计可以实现两个域之间的数据的传送。 第二层子网是域中节点的一个逻辑集合，每个子网的节点数最多为1 2 7 个， 而每个域最多有2 5 5 个子网。子网中的所有节点必须是在同一个区段上，予网不 能跨越智能路由器。如果一个节点分属于两个域，那么它必须在同一个子网中。 节点是编址的第三层，