（电力系统及其自动化专业论文）基于lonworks技术的列车电气综合控制系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o n t r o lt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h e r e q u i r e m e n to fh i g hs p e e d ，h e a v yl o a da n d s a f e t yi nr a i l w a yt r a i n ，t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mi nt r a i ni sh u g g i n gag o o d o p p o r t u n i t yf o rp r o g r e s sa n di sf a c i n gas e v e r ec h a l l a n g e t h ee l e c t r i cc o n t r o l s y s t e mi nt r a i ni n c l u d e st h et r a i nn e t w o r ka n dt h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m o ft h ec a r r i a g ec l a s s i td i a g n o s e sa n ds h o w sa l ls o r t so fe r r o r si nc o u r s e ，w i t ht h e f u n c t i o n so f i n s p e c t i o n ，c o n t r o l ，d i a g n o s e p r o t e c t i o n ，i n f o r m a t i o nh i n t ，n e t c o m m u n i c a t i o na n de t c a n dt h es y s t e ma c t u a l i z e st h es y n t h e s i z e dc o n t r o lo ft h e e l e c t r i cs y s t e ma n dc a nc o m m u n i c a t eb e t w e e nc a r r i a g e s ，a n dw i l la c t u a l i z 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 na n dt h eg r o u do rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h eg r o u da n dt h et r a i ns t e pb ys t e p t h es a f e t y , r e l i a b i l i t ya n dp e r f e c tf u n c t i o ni s n e c e s s a r yf o rt h et r a i ne l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mt os p e e df a s t ，o v e r l o a da n dk e e p s a f e t y ，w h i l eo u rc o u n t r yi sj u s tb e g i n n i n gt oi n d r a u g h ta n da b s o r bt e c h n o l o g y a b o v em e n t i o n e d ，s ot h er e s e a r c hi nt r a i ne l e c t r i ci n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mi sf u l l o fe c o n o m i cv a l u ea n ds o c i a lm e a n i n g l o n w o r k st e c h n o l o g yi sf u l l ya d o p t e di nr a i l w a y , b u i l d i n ga u t o m a t i z a t i o n a n ds o m ei n d u s t r yc o n t r o lf i e l d ，w i t he x c e l l e n t o p e n a n di n t e r - h a n d l e c h a r a c t e r i s t i c t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y s e st h er e s e a r c hs i t u a t i o no fl o n w o r k s a b r o a da n di no fc h i n a ，a n ds t u d i e st h et r a i ne l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do n l o n w o r k sc o n t r o ln e t w o r k ，d e s i g n st h ew h o l ep r o j e c to ft r a i ne l e c t r i ci n t e g r a t e d c o n t r o ls y s t e m i td e s i g n sf u n c t i o n so ft h es y s t e ma n d e m p h a s i z e da n a l y s e st h e l o n w o r k sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l - l o n t a l k se f f e c to nr e a lt i m ec h a r a c t e ra n d r e l i a b i l i t yo ft h ew h o l ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mf r o mt h en e t w o r kp r o t o c o l ，t h e s e r v i c et y p ea n dt h em a cs u b l a y e r t h i sp a p e rd e s i g n sl o ng a t e w a yw h i c hi st h ei m p o r t a n tu n i to ft h et r a i n e l e c t r i ci n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m ，i ti m p l e m e n t st h ep r o t o c o ls h i f tb e t w e e ns e r i a l p o r t a n dl o n w o r k sn e t w o r k ，o b l i g a t e st h ec a nb u si n t e r f a c e a n ds o l v e st h e c u r r e n tp r o b l e mw h i c hi sb r i n g e db yl e g i o np r o d u c i n gm a n u f a c t u r e sa a n dt h e d i s a c c o r di n t e r f a c e so ft h ep r o d u c t s w ec a l la d da l lk i n d so fc a r m o u n t m i c r o c o m p t e rc o n t r o ls y s t e m st o l o n w o r k st r a i nc o n t r o ln e t w o r ke x p e d i e n t l y 西南交通大学硕士研究生学位论文第l | i 页 t h r o u g ht h eg a t e w a y , a n dc a r r i e so u tt h et r a i ne l e c t r i cc o n t r o ln e t w o r k ，s oa st o m e e tt h er e q u i r e m e n t sc u r r e n t l y k e yw o r d s ：t r a i ne l e c t r i ci n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m ；l o n w o r k s ；l o ng a t e w a y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 随着我国国民经济的飞速发展，信息化时代的到来，高速、重载成为了 铁路交通运输发展的趋势。在这样的大环境下，铁路交通要有大的发展，必 须要进行大规模的提速，使之能提供快速、安全、舒适的出行服务，铁道部 也提出了我国铁路跨越式发展的目标，并将于2 0 0 5 年完成第6 次提速。而列 车电气控制系统的小型化、网络化和智能化是实现列车高速、安全可靠运行 的必备条件，在这样的前提下，对列车电气系统的网络化研究就显得必然和 重要。 l o n w o r k s 网络以其特有的性能被越来越多的铁路科技人员所接受，很多 铁路科研部门采用此技术正在从事列车制动、机车重联、列车通信等方面的 研究与开发。本文基于l o n w o r k s 网络控制技术完成了列车电气控制系统的设 计，该系统将列车车辆级的控制设备组网成一个大的系统，做到了列车电气 控制的网络化和智能化，满足新形势下对列车控制系统的要求。基于 l o n w o r k s 网络的电气控制系统的研究具有较高的社会意义和经济价值。 1 1 列车电气控制技术的发展与现状 1 1 1 列车电气控制系统国外发展现状 上世纪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。开始仅仅用于传动装置的控制，随着控制、服务对象的增多，人 们把铁道系统依次划分为6 个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车 车辆控制、传动控制和过程驱动，于是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。 1 9 8 8 年，i e c 第9 技术委员会t c 9 成立了第2 2 工作组w g 2 2 ，其任务是 制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂，车上 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的可编程电子设备可以互换，并于1 9 9 9 年6 月通过了i e c 6 1 3 7 5 1 标准作为 t c n ( 列车通信网) 的标准。同年，i e e e 委员会也制订出了车载通信协议标 准i e e es t d1 4 7 3 1 9 9 9 标准，并将t c n 和l o n w o r k s 同时纳入其中。，。 在此期间发展起来的车载微机系统有西门子的s i b a s l 6 、s i b a s 3 2 ， a d t r a n z 公司的m i c a s s 、m i c a s s 2 、m i t r a c 以及a l s t o m 公司的a g a t e 系统。 其中s i b a s l 6 、$ i b a s 3 2 、m i c a s s 是基于早期自行定义的协议来建立列车通 信网络的，而m i c a s s 2 、m i t r a c 则是基于t c n 标准建立的列车通信网。 m i c a s - s 2 将网络分成列车总线和车厢总线，列车总线采用f s k ( 频移键控) ， 波特率为1 9 2 k b p s ，车厢总线m v b ( 多功能车厢总线) 采用r s 一4 8 5 串行通信 标准，局部总线采用双绞线，远程总线采用光缆，波特率为1 5 m b p s 。在 m i c a s s 2 的基础上发展起来的m i t r a c 是分布式列车控制网络，其协议已完 全符合t c n 的标准。a g a t e 则是以w o r l d f i p 总线协议为基础建立网络的。通 信波特率为2 5 m b p s 。“掣。 另外，加拿大的b o m b a r d i e r 公司和日本的川崎公司则基于l o n w o r k s 网络技术在纽约地铁上建立了列车网络。 1 1 2 列车电气控制系统国内发展现状 微机控制技术在我国机车车辆行业的运用已经有了十多年的时间，在这 期间，主要经过了三个阶段：第一阶段是功能控制阶段，即微机控制系统主 要完成单一的有限的功能；第二阶段是系统化阶段，即微机控制系统的开发 是基于系统的综合考虑的结果；第三阶段是网络化阶段，将计算机阏络的概 念引入列车控制系统，在列车上建立分布式的列车控制网络。这三个阶段会 因制造厂家的不同而在时间上产生重叠，但就技术发展的本身而言，则是非 常明确的n n “。 在第一阶段中，内燃机车和电力机车均有不同的发展。内燃机车主要立 足于自行开发，不同的生产厂家发展出了不同的控制系统，分别应用在d f 4 、 d f 5 、d f 7 等机车上。这些系统大多主要完成机车的恒功率控制功能，采用单 片机实现，在设计功能上有较强的针对性，由于受到单片机运行速度、扩展 能力以及开发方面的眼制，已经难以实现大量功能的扩展；电力机车则立足 于引进消化吸收和自主开发相结合的原则，对引进的8 k 机车的控制技术进行 消化吸收，开发出应用在s s 5 、s s 6 、s s 3 b 、s s 4 改进型、s s 6 b 、s s 7 等不同 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 车型的电力机车电子控制装置，其主要电路是通过模拟、数字电路实现控制 的数学运算和逻辑运算的，只有部分电路如功率因数补偿、空电联合制动控 制电路采用单片机技术。 在第二阶段中，内燃机车以d f 6 、d f 8 b 、d f l l 、n 7 1 为代表，d f 6 机车的 控制系统为美国g e 公司开发研制的，系统以8 0 1 8 6 芯片为控制器，采用f e 总线，能够完成恒功率控制、大量数据采集、故障诊断、系统管理等功能， 能够完成较大的任务量，同时系统提供了r s 2 3 2 串行接口，便于系统的局部 扩展。而装于d f 8 b 、d f l l 、n j l 等机车的微机系统则是株洲所和大连所在d f 6 机车的微机系统的基础上消化吸收的，并为系统增加了人机界面，使之成为 一个完整的系统。电力机车则是基于对当时a b b 公司的m i c a s s 的消化吸收， 并根据我国电力机车的实际情况予以装车的，系统分为人机界面级、机车控 制级和变流器控制级。系统能够完成机车控制的大部分任务，相对于机车控 制而言是比较完善的解决方案，这在s s 40 0 3 8 电力机车上得到了体现m 。 第三阶段是真正实现列车控制网络化的阶段，在目前我国的列车中，已 有采用，只是所用系统多是直接从国外引进的，少数是国内自主研发的。如 株洲电力机车厂生产的出口伊朗的t m l 电动车组，采用了m i c a s s 2 系统，列 车总线采用f s k ，车辆总线采用m v b ”1 。在d d j l 一动六拖电动车组中也采用 了m i c a s s 2 。在豪华列车北京到上海的t 2 1 t 2 2 上，采用了自主研发的基于 l o n w o r k s 的列车网络，但是存在以下有待完善的地方：第一， 由于网关总 线转接能力有限，r s 4 8 5 和r s 2 3 2 不具备多个独立通道，以及各个设备总线 协议各异，造成其网关数量过于冗多。严重降低了系统的性价比，并加大了 系统的故簿发生率；第二，电气控制采用p l c ，控制系统不是自主开发，技 术层次落伍，而且需采用与其配套的小尺寸单色显示屏，又是性价比不高的 另一个因素。因此，开发出适合我国国情的列车控制网络系统是当务之急， 也有着广阔的发展空间。目前，l o n w o r k s 总线已经正式成为在列车通信方面 新的i e e e l 4 7 3 1 9 9 9 标准的一部分，因此基于此的研究有很好的应用前景m f l ； 】6 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 研究的主要内容以及实现的思路 1 2 1 研究的主要内容 本项目基于l o n w o r k s 技术完成集供电电源转换控制、空调机组控制、防 滑器控制、充电机控制、轴温监测、烟火监测、照明控制、全列车网络监控 等功能于一体的列车电气综合控制系统的研究与设计。其研究的主要内容有： 对现在流行的几种现场总线进行性能比较，分析采用l o n w o r k s 技术 开发列车电气综合控制系统的可行性，； 对列车控制系统的整体性能进行分析与设计，对各种前期方案进行 分析比较，最后给出具体的实施方案； 设计l o n 网关的实施方案，并基于神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 开发 l o n 网络适配器： 对部分硬件电路进行设计，利用面向对象的n e u r o nc 语言进行网络 适配器的程序设计； 利用串口扩展芯片，完成对车厢主处理器的电气串行接口的扩展。 由于网络通信的准确性和实耐性直接关系到整个列车通信网络的运行和 功能的实现，因此研究中的关键问题就是智能通信节点的开发。 列车电气控制系统能够根据预设参数实现自动控制，对整个电气系统参 数进行实时监铡、记录，出现故障及时进行保护动作，可以通过存储运行记 录进行数据分析和处理，同时通过l o n w o r k s 网络进行联网通讯，实现客车电 气系统的智能化、集成化和系统化信息共享。 1 2 2 实现的思路 利用神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 开发智能通信节点，完成车辆控制单元与 列车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，神经元芯片仅仅完成和列车总线的通信功能。各车辆控制单元的主处理 器完成控制功能，主处理器选用d s p 芯片。本电气控制系统采用总线型拓扑结 构，列车总线采用l o n w o r k s 网络。主处理器通过l o n 网关与列车总线进行通信， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 完成网络管理、监视、控制及存储历史数据等功能。主处理器还通过串行电 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。同时d s p 芯片通过 r s 一4 8 5 与一个液晶触摸屏进行通讯，液晶触摸屏的主要功能是现场参数设定、 各功能单元工况的操作、实时显示各单元的运行状态及故障显示。其基本结 构如图( 1 1 ) 所示： l o n w o r k s 列车总线 车门 控制器 轴温 报警 充电机 防滑器 慷 口 l 车厢1 l o n 网关 主处 理板 l o n 网关 主处 理板 触摸屏f 触摸屏 图卜l 系统基本结构图 1 3 论文背景及本文所做工作 车门 控制器 轴温 报警 充电机 防滑器 株洲电力机车研究所在九十年代初就已经开始对列车通信网进行研 究，目前已有各式产品应用于现场。论文所做的工作是基于时代电子公 司的列车电气综合控制柜的升级改造将集中控制系统改为基于现场总 线的分布式控制系统，主处理器由p l c 改为选用d s p 芯片，增加了防滑器 控制、轴温监测、烟火报警等功能。本文从电气控制系统的角度对整个 控制装置进行论述，着重分析了整个列车电气控制系统的原理及 l o n w o r k s 网络适配器的设计。本文的主要工作如下： 第l 章主要介绍了列车电气综合控制系统的国内外发展现状，论文研 究的主要内容及研究的意义； 。扩展口 一辆 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章关于现场总线的论述，主要介绍了现场总线技术的发展，详细 分析了j 种目前比较流行的现场总线，并分析了该系统使用l o n w o r k s 技术 的原因及可行性； 第3 章介绍了l o n w o r k s 控制网络原理，主要分析了l o n t a l k 通信协议； 第4 章对列车电气控制系统进行了方案设计，分析了三种方案的优 劣，给出了系统的结构图。重点分析t l o n t a l k 协议对系统可靠性和实时 性的影响，并对系统进行了功能设计； 第5 章设计了网络适配器的方案，对各个方案进行了对比，确定了项 目具体的实施方案； 第6 章给出了网络适配器的硬件设计，软彳牛实现部分对数据流和程序 流程进行了设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章现场总线技术 随着计算机技术、控制技术、通信技术及网络技术的发展，作为工业控 制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线( f i e l d b u s ) 技术也得到了 迅速发展、影响力变得巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算 机控制系统逐步从集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 走向以 现场总线为基础的分布式现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 。 现场总线技术被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术，成为当今自动化 领域技术发展的热点之一，在铁路交通领域也成为了研究和应用的热点。 2 1 现场总线技术发展现状及特点 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行 多节点数字通信的系统。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制 仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信的能力，采用可进行简单连 接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、 规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表 与远程控制计算机之间，实现数据传输与数据交换。简而言之，它是把单个 分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以 相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线是当今 自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网m 】。现 场总线发展迅速，现在处于百家争鸣的阶段，目前已经开发处的有4 0 多种现 场总线，其中最具有影响力的有5 种，即为：基金会现场总线( f f ) ， l o n w o r k s ，p r o f i b u s ，c a n 和h a r t 。现场总线具有以下的技术特点： 系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一 个开放的系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系 统连接，通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可以实现信息交换。现 场总线开发者就是要致力于建立统一的控制底层网络的开放系统。用户可以 按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组合成大小随意的系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 互操作性与互用性 互操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通。而互用性 则意味着不同生产厂家性能类似的设备可实现互相替换，现场设备具有智能 化与功能自治性，它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散 到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时 诊断设备的运行状态。 系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种全新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改 变了d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了 可靠性。 对现场环境的适应性 现场总线工作在生产现场前端，作为控制网络的底层，是专门为现场环 境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多 种介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并满足本 质安全防爆要求等。 。 一对n 结构 一对传输线、n 台仪表，双向传输多个信号，这种结构使得接线简单， 工程周期短，安装费用低，维护方便。如果增加现场仪表或现场设备，只需 并行挂接到电缆上，无需架设新线路。 可控状态 操作人员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能通过 它进行参数调整，还可以预测和避免事故，生产现场始终处于操作人员的远 程监视和可控状态，提高了系统的可控性、可靠性和可维护性。 综合功能 现场仪表既有检测、变换和补偿功能，也有控制和运算功能，实现了一 表多用，方便了用户，节约了成本。 统一组态 现场设备或现场仪表引入功能块的概念，所以制造商都使用相同的功能 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 块，并统一组态方法，使组态非常简单。 可以说，开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征，它的 出现将使传统的自动控制系统产生划时代的变革，也将会给铁路交通中的电 气控制系统带来一场极具有深度的变革。 2 2 五种常用现场总线介绍及性能比较 现场总线发展到现在可以说是处于一种群雄并起的状况，其中应用展广 泛也最具有影响力的有一下5 种，即c a n 、p r o f i b u s 、f f 、l o n w o r k s 和h a r t 。 现对它们一一介绍并做出性能分析。 1 。c a n c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ，控制局域网络) 是主要用于各种过程监测 及控制的一种网络。最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行 部件之间的数据通信。其技术规范现已被i s o 国际标准组织制订为国际标准 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。通信介质采用双绞线，在4 0 m 的距离内通信速率可达1 m b p s ， 直接通信距离可达l o k m ，速率为5 k b p s 。可挂接设备数多达1 1 0 个。c a n 支 持对等式结构，网络上的节点可设置优先级，以满足不同的实时要求。采用 菲破坏性总线仲裁技术，可以点对点、点对多点以及广播式发送和接收数据。 c a n 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个。c a n 节点在错误严重的情况 下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，避免影响总线上其它 节点的操作“。 2 p r o f i b u s 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 ) 是一种国际化、开放式、 不依赖于设备商的现场总线标准。它于1 9 9 6 年成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 v 2 ， 于1 9 9 9 年底成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分。目前世界上有2 5 0 多家企 业生产2 0 0 0 多种p r o f i b u s 产品，产品范围能满足自动化多个领域的应用需 要。p r o f i b u s 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 s d p 共同形成其系 列，其中p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 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 l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 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1 0 0 m ，i 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 h 3 f f 现场基金会总线是一种数字式、多节点、双向串行传输的通信网络。f f 现场总线的最大特点在于它不仅是总线，也是自动化网络系统。因为它位于 工业生产现场，具有开放的数字通信能力，而且网络通信是围绕完成各种自 动化任务进行的。f f 现场总线标准是由现场总线基金会组织开发的，得到了 世界上主要自控设备供应商的广泛支持，在北美、亚太、欧洲都具有较强的 影响力。现场总线基金会于1 9 9 6 年和2 0 0 0 年先后颁布了f f 现场总线的两种 标准：低速总线h l 和高速总线h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) 。f f 现场总线可 用于分散式输入输出及不同类型控制系统间的数据传送，是i e c 公认的最适 用于过程控制的总线之一，其体系结构采用了物理层、数据链路层、应用层、 用户层。f f 现场总线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 w o r k s l o n w o r k s ( l o nl o c a lo p e r a t i a gs y s t e m 局部操作系统) ，美国e c h e i o n 公司1 9 9 2 年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。 l o n t a l k 采用全部7 层协议，介质访问方式为p - pc s b a ( 预测p 一坚持载波监 听多路访问) ，采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证了通信的实时性， 安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。e c h e l o n 公司推出 的n e u r o n 神经元芯片实质为网络型微控制器，该芯片强大豹网络通讯处理功 能配以面向对象的网络通信方式，大大降低了开发人员在构造应用网络通讯 方面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层进行控制策 略的编制，因此业内许多专家认为l o n w o r k s 总线是一种很有希望的现场总 线。基于l o n w o r k s 的总线产品有美国a c t i o n 公司的f l e x n e t g f l e x l i n k 等。 5 h a r t h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n d u c e r 可寻址远程传感器数据 通路) 由美国r o s e m o u n t 公司1 9 8 9 年推出，主要应用于智能变送器。h a r t 为一过渡性标准，它通过在4 - 2 0 m a 电源信号线上叠加不同频率的正弦波 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 ( 2 2 0 0 h z 表“0 ”，1 2 0 0 h z 表“1 ”) 来传送数字信号，从而保证了数字系统 和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最近2 0 年“。 这五种总线的基本性能汇总及简单比较如表( 2 - 1 ) 所示 表2 15 种现场总线性能比较表 现场总线类型 特性 f fp r o f i b u sh a r tc a nl o n w o r k s 楼宇自动化， 应用范围仪表p l c 智能变送器 汽车 工业自动让 s 1 网络层次 1 、2 、3 、81 、2 、71 、2 、71 、2 、71 7 双绞线、电缆 双绞线、 电源信号线 双绞线、 双绞线、光 电力线、电自 通讯介质 无线、光纤 光纤光纤 红外线 质访问方式令牌、主从令牌、盎询令牌、查询位仲裁p - p c s m a 纠错方式 c r c c r cc r c c r cc r c 通讯速率2 51 2 1 2 11 2 5 最大节点数 3 2 1 2 81 51 1 02 4 t 优先级有有有 有 有 保密性 无无无 无身份认证 查窒性 是 是是是 是 开蹩工具有有无有有 从上表可以看出，l o n w o r k s 技术有以下具体特点； 支持多种通信介质； 支持的最大节点数多 支持7 层网络协议，提供了一个固化在神经元芯片中的网络操作系 统”； 此外l o n w o r k s 还具备如下特点； 拥有三个处理单元的神经元芯片n e u r o nc h i p ，一个用于链路层的控制， 另一个用于网络层的控制，第三个用于用户的应用程序。它还包含1 1 个i o 接口，这样个神经元芯片上就可完成网络控制功能； 提供给用户一个完整的开发平台，它包含现场总线调试工具l o n b u i i d e r 协议分析、网络开发语言n e u r o nc 等； 支持面向对象编程，容易实现网络的互操作性。 基于l o n w o r k s 以上的特点，非常适用于列车分布点多，传输介质种类多 等特点。并且由于l o n w o r k s 作为列车通信网络标准已经被纳入了 i e e e 一1 4 7 3 一l ，因此选用l o n w o r k s 技术来构建本系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 3 1 概述 第3 章l o n w o r k s 控制网络原理 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 ( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k s ) 总线即局部操作网络，并开发了l o n w o r k s 技术，为l o n 总线设计 和成品化提供了套完整的开发平台。其通信协议l o n t a l k 支持o s i r i 的所 有七层模型，这是l o n 总线最突出的特点。l o n t a l k 协议通过神经元芯片 ( n e u r o nc h i p ) 上的硬件和固件( f i r e w a r e ) 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。网络拓扑结构可以是总线型、星型、环型和混合型，并可以实 现自由组合。另外，通信介质支持双绞线、同轴电缆、射频、红外线和电力 线等。应用程序采用面向对象的设计方法，通过网络变量或者消息模式把网 络通信的设计简化为参数设置，大大缩短了产品的开发周期。 l o n w o r k s 技术广泛应用予过程控制、电梯控制、能源管理、环境监测、 火灾报警、采暖通风、空调控制、交通运输、家庭网络自动化等。为了便于 各个厂商不同设备的互操作，e c h e l o n 公司和一些l o n w o r k s 用户在1 9 9 4 年 成立了l o n w o r k s 互操作协会，协会的主要任务是制定和推广l o n w o r k s 技术 的设计指导标准，并帮助生产厂商和最终用户制造及使用可互操作的 l o n w o r k s 产品。 l o n w o r k s 网络协议已成为诸多组织和行业的标准。消费电子制造商协会 ( c e m a ) 将l o n f g o r k s 协议作为家庭网络自动化的标准( e i a 7 0 9 ) 。1 9 9 9 年1 0 月，a n s i 接纳l o n w o r k s 网络的基础协议作为一个开放的工业标准，包含在 a n s i e i a t 0 9 i 中。国际半导体协会( s e m i ) 明确采纳l o n w o r k s 网络技术作为 其行业标准，并作为列车通信网络标准被纳入了i e e e 一1 4 7 3 一l ，还有许多国 际行业协会采纳l o n w o r k s 的协议标准，这将巩固l o n w o r k s 产品在这些行业 领域的应用地位，也必将极大地推动其技术的发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 3 ，2 神经元芯片 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片，神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 使用 c m o sv l s i 技术。n e u r o n 芯片有3 1 2 0 x x 和3 1 5 0 芯片两种，3 1 2 0 x x 芯片中包 含e e p r o m 、r a m 、r o m 存储器。3 1 5 0 芯片内无内部r o m ，但有访问外部存储器 接口，寻址达6 4 k b ，用于开发较复杂的应用系统，但通信协议等固件都由开 发工具携带与应用程序代码一起写入外部存储器中。n e u r o n 芯片的主要性 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 i o m h z ； 1 l 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 叫，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 1 0 b p s 1 2 5 m b p s ； 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 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 e p r o m 的保护。 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，n e u r o n 芯片方框图如( 3 一1 ) 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 i 所瑚i 圆i 。1 0侧 3 1 神经元芯片结构图 神经元芯片内部装有三个微处理器，分别为姚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 分工不周。m a c 处理器完成介质访问 控制，网络处理器完成o s i 的3 6 层网络协议，应用处理器执行用户代码及 用户代码调用的操作系统命令“。 神经元芯片通过它的1 1 个i o 口一1 0 _ 0 1 0 1 0 与其他设备互联。这 些引脚可以根据不同外部设备i o 的要求，灵活地配置输入输出方式。当然， 在执行i o 功能之前，必须事先定义1 1 个被监控的n e u r o n 芯片的i o 引脚。 没有定义的引脚是不起作用的，处于高阻状态，1 1 个引脚可组成3 4 种常见 的i o 对象。采用n e u r o nc 语言，编程人员可以定义一个或多个引脚作为输 入输出对象，用户程序可以通过i o - i n ( ) 和i o o u t 0 系统调用来访问这些i o 对象，并在程序执行期间完成输入输出操作。1 0 4 1 0 _ 7 均有上拉电流源供 选择并用做上拉电阻，应用程序中若使用编译器指令( p r a g m a e n a b l e i o p u l l u p s ) 则上拉电阻有效。引脚i q o 1 0 - 3 均有2 0 m a ( 0 8 v ) 的 电流吸收能力。其他引脚电流吸收能力为标准值1 4 m a ( 0 4 v ) ，引脚i oo - - i o 一7 具有低电乎检测锁存器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 3 1 5 0 芯片上无r o m ，它允许寻址的外接存储器空间为5 9 3 9 2 b ，用于存储 应用程序和数据( 4 3 0 0 8b ) ，存储n e u r o n 芯片的固件和预留区( 1 6 3 8 4b ) 。 n e u r o n 芯片的外接存储器可以是r o m 、e e p r o m 、e p r o m 、r a m 、闪存、静态r a m 或其他各类存储器的组合。设计n e u r o n 芯片的各类存储器接口时，要重点 考虑5 个外存的时间参数和欠压复位电路( l v i ) ，首先确定外接存储器的数 量及类型，其次确定n e u r o n 芯片和外接存储器的连接。n e u r o n3 1 5 0 芯片内 部存储器配置如图( 3 2 ) 所示 1 k bi o 存储器 2 5k b 保留 片内存储捌 05 k be e p r o m 2 k b r o m t 4 2 k b 用户 存储空间 1 6 k b 芯片固件 片外扩展 和保留空间 图3 23 1 5 0 芯片存储映象图 神经元芯片带有两个片内定时计数器，定时计数器1 称为多路选择定时， 它的输入可通过一个多路选择开关，从1 0 4 i o 一7 中选择一个，输出可连至 i o o ；定时计数器2 称为专用定时计数器，它的输入是1 0 _ 4 ，输出是i oi 。 3 3 现场控制节点 l o n 现场控制网络包括现场控制节点，这些节点可以直接采用神经元芯 片做为通信处理器和测控处理器，也可以是基于神经元芯片的h o s tb a s e 节 点。一个典型的l o n w o r k s 节点主要包含以下几个功能块：应用c p u ，i o 处 理单元，通信处理器，收发器和电源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 3 。1 以神经元芯片为核心的控制节点 神经元芯片是一组复杂的v l s i 器件，通过独具特色的硬件、固件相结合 的技术，使一个神经元芯片几乎包含了一个现场节点的大部分功能块一一应 用c p u 、i o 处理单元、通信处理器。因此一个神经元芯片加上收发器即可构 成一个典型的现场控制节点。如图( 3 3 ) 所示： 图3 3 神经元节点结构框图 3 3