（控制理论与控制工程专业论文）楼宇自动化控制网络的研究与开发.pdf

摘要中 南大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h i s p a p e r c h i e fl y in t ro d u c e s t h r e e s o l u t i o n s f o r b u i l d i n g a u t o m a t i o n s y s t e m ( b a s ) n e t w o r k i n c l u d i n g f u rt h e r i l l u s t r a t i o n s o n t h e s o ft w a r e ( 2 ) 同时收集各自 所管理的设备的运行数据， 并向第一层的设备提供这些信息， 协助中央管理系统实现各种预定的管理功能。 / 第一章 概述 中 南大学硕士学位论文 令 第三层数据采样控制和执行系统 数据采样控制和执行系统是整个b a 系统最末端的层次结构， 是系统最终实现 其各种数据采集、 系统控制和功能执行等动作的部分， 这个系统由大量功能各异、 非智能的电子器件组成，受第二层的设备监视和管理。 数据采样控制和执行系统的组成器件基本可以分成三大类: ( 1 ) 传感器负责在b a 系统管理的各种环境和设备中采集原始数据， 起到监视 这些环境和设备情况的作用。 ( 2 ) 控制器负责根据智能控制器的指令调控各种开关和阀门，分解完成每个 控制任务中各个独立的控制动作。 ( 3 ) 执行器负责最终执行 b a的控制动作，直接对所控制的设备执行控制动 作，实现流量等控制量的最终调节。 楼宇自 动化系统任务是提供给客户安全、 健康、舒适、 温愚的生活及高效的 生活环境， 并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。 因此监控范围可涉及的 面很宽， 主要包括电力、 照明、 空调、 环境监控与给排水、电梯、 停车场管理系 统等，其大致范围如图1 - 1 所示。 二、我国楼宇自 动化系统 ( b a s )的发展现状 我国于9 0 年代初开始进行对智能建筑工作的初步探索。到目 前为止，在此 领域虽已 有较大的进展; 但是， 主要应用仍集中于综合布线系统和计算机网络系 统， 楼宇自 动控制系统相对滞后。当前，国内市场上主要系统均为国外产品， 其 功能、 技术虽较为先进， 但其价位相当高， 且其功用不能完全适合我国国情。 据 有关资料报道，国外产品在中国应用的典型工程，其功能的开通率不到 2 0 9 6 0 l o n w o r k s控制网络技术是利用串行数字通信技术，专用于互连各种控制设备、 数字仪表、 智能传感装置的控制局域网络， 它已 经成为当前国际上最为流行的现 场总线之一，在楼宇自 控领域已经占有市场的6 0 %以上。国内现有6 0 余个厂家 加入了l o n w o r k s 控制网络的o e m 行列。但其系统软、硬件基本上都是在购买国 外硬件的基础上组网， 且未见有跨网络的控制应用， 产品价位不低， 功能开通率 不到3 0 9 6 ，还受到国外的技术控制和垄断。 针对上述状况，由中南大学信息工程学院项目 负责人陈际达教授1 9 9 9 年1 0 月经过充分论证， 提出了 采用l o n w o r k s 技术作为控制网 络主干， 研究、开发一 系列高可靠性、 低成本的网 络智能控制节点及路由器设备; 同时， 实现性能优良 的控制网络应用软件平台， 形成一套自 主开发适合我国国 情的楼宇自 动化控制网 络系统的课题。该项目由国 家建设部、湖南省科技厅和建设厅作为2 0 0 1) 年科研 项目 立项: 同时还得到了 长沙超凡智能源科技开发有限公司和湖南省建筑工程集 团的横向科研经费支持。 从1 9 9 9 年1 1 月至2 0 0 0 年1 2 月， 通过不懈地努力与攻 / / 狱理 创绷-v 仁车吸绷 4 8 04择 翘架名sv口编暇滚擂口饰塑 0r o k 纠 e 钾烈茶 峨马喇狱匆俄扣刮 翩炜-t z 辐 , ) z4 iv 协招认葬 叙瞩润 m 氏 榭钾 袍国阻钾 得书余窦 -3吠粼茶 -ep郭绍积 握烟形如 契趣彩橄钾烈露 孰葫绷;w 姿;wl烈买 敬暇 以试 z ii 得绍碗评蔗枷 一。一困 蜓书拟酬 叫州书咋 派软关年书映书 盼娜:-9 w1 t 9;w 月喊 臻贬 竞盼 创寒 逛窄软v 袭横w e f 们关蜜m 怖招硬留 日:k - n ! 留 (的v国)瑞瞬牟秘恤份邪 洲叙划舒昌补长霍于 愉娜绷履钾枷侧 要留塑泥钾和m 密-r* l钾扣剖暇端 例相捉留 华田旧留 俐留 袍h 臼翻 坦崔联1祛 / 第一章 概述 中南大学硕士学位论文 关， 终于完成了系统各个部分的研制开发和系统总调、 测试等工作， 并且初步具 备了系统产业化的能力。 该项目 主要技术填补国内空白， 技术水平达到国际先进， 国内领先地位， 系统的不少设计思想具有独创性。 本论文主要围绕该系统的整体 方案，系统的软、 硬件以 及系统所涵盖的控制与计算机技术进行论述和介绍。 第三节本系统的设计目 标与设计方案 根据我国建筑业发展的实际情况和对楼宇自 动化的要求， 本系统的设计目 标 为: 一、 系统一般包含1 0 0 0 - 2 0 0 0 个控制节点， 每个节点监控一户家庭或住宅。 二、 节点可采集、 传递和按照一定的算法计算、 控制各种与楼宇自 控系统有关的 开关量 ( 各种报势信号、 开关的动作等) 、 脉冲t ( 三表数据等) 、 模拟it ( 温度、 流量等) 等各类被控量， 节点可单独或组网工作。 三、 控制网络的通讯应可保证 各类控制的实时与可靠性， 传输介质应通用低廉。 四、 系统结构具有较高的开放 性和可重构性，网络易于安装、 维护与管理。 五、 系统的人机界面友好， 具有相 应的数据库功能，并可以一定的方式进行远距离遥控 ( 如通过因特网或电话网 络) 。 为了完成这些功能和适应不同的用户需要，我们共提出了三种系统组网方 案。三种方案分别介绍如下: 一、系统总体方案设计 1 .只包含l o n w o r k s 节点的网 络系统设计方案: 所有节点均采用神经芯片。 节点采集、 控制与传递上网络的数据为: 报替信 号输入 ( d i ) .管理机的控制指令输出 印幻) 、系统时钟信号、 三表读数、 温度、 流量输入等模入信号 ( a i d ) 、电压输出等控制信号 ( d i a ) e 数据的传递方式: 各种数据可以根据系统对实时性的不同要求分为不同的优 先级别: 各优先级别以不同的方式及不同的时间间隔发送， 如表1 - 1所示。 网络 变量是由节点主动发起传送，最长能有3 2 个字节，因此需频繁传送的数据都采 用网络变量的方式; 消息巡检是由上位机发起通讯， 要求节点传送数据， 最长可 达2 5 5 个字节， 较网络变量方式控制灵活、 方便， 可减少网 络流量。 系统时钟要 保证整个系统的正确时间， 必须稳定、 及时的传送， 因而将它的 优先级别设置为 最高; 报普信号变化不是很频繁， 但是一旦变化， 必须及时传递，因此它也需要 较高的 优先级别:在本系统中，模拟量节点的控制对象是主要是温度和湿度等， 属于大惯性大滞后的对象，控制周期可定在几秒钟。控制的模拟量可分为两种， 一种是由管理机输出的调节信号，通过 d d e s e r v e r 以网络变it的形式传输给下 /z 第一章 撅述 中南大学硕士学位论文 面节点。 另一种是从各个送风口采集的数据，以捆绑网络变量的方式进行节点间 湿度等) 图 i 一只含节点的网络系统设计方案图 户 第一章 概述 中南大学硕士学位论文 的数据交换， 完成相应的复杂控制算法。 将它的优先级定为第三级。网 段与网 段 之间通过 l o n w o r k s路由器进行扩展与流量的隔离。我们自己开发的节点 l wn - c 2 0 0 0 d和l wn - c 2 0 0 0 a均带有后备电 池， 在掉电的 情况下可以 保护数据， 而且三表的读数的传送周期可以是一天或几天， 甚至更长时间一次， 所以采用消 息巡检的方式，由上位管理机主动发起通讯，将它的优先级定为最低。 致据优先级别传通方式周期 系统时间一级网络变量1 秒 报普信号二级网络变量等于d d e s e r v e r巡检周期 模入信号 ( a i d )三级网络变量p c机监控周期可为5 - b秒: 捆绑的网络变量与节点位置有关控制信号 ( d / a ) 三表读数四级消息巡检按需要，可一天或几天一次 表 1 - 1 只含l o n w o r k s 的网络系统设计数据传输分级表 此方案的优点是:结构单一，所有的节点和路由器均采用 l o n w o r k s网;而 且l o n w o r k s 开发了一套完整的网 络开发平台，因此网络的配置与管理简单。 缺点:由 于上位机需采用巡检的方式采集各个智能节点上的数据，因 此在上 位管理机和节点间属于多对一通讯， 容易引起网络的阻塞， 且一旦发生网络阻塞， 网 络上的数据传输效率将显著降低。 整套系统核心部分全部采用l o n w o r k s 专用 芯片，又软件版权受到限制，因而系统成本较高。 2 .基于l o n w o r k s 网和由8 0 c 1 9 6 节点构成的主从式r s - 4 8 5 网的混合设计方案: 在我们自主开发了基于 l o n w o r k s的多功能智能节点和用单纯的 l o n w o r k s 网络技术搭建的系统之后， 总结出了某些l o n w o r k s网的优点及在应用中遇到的 一些问 题; 同时， 我们在过去长期的实践中也深深的感觉到， mc s - %系列m c u 在工业 控制中 的 实时 性和可 靠性， 单片机与 单片 机之间的串 行 通讯可 靠性也高， 因此设想将两种看似不同的控制网络有机的结合起来，以发挥d o n w o r k s网在通 讯上的优势和单片机在控制功能上的优势，因此提出了基于 l o n w o r k s网和由 8 0 c 1 %节点构成的主从式r s - 4 8 5 网的混合设计方案。 其设计方案见图1 - 6 所示。 ( 1 ) r s - 4 8 5 主从式通讯模式:各级主节点8 0 0 1 %按地址巡检各自 从节点的 状态， 各从节点实时完成数据采集和控制功能。 数据的 巡检周期: 报普信号( d i ) 不断巡检;模入和模出与控制对象的控制周期有关， 一般为几秒钟; 三表读数按 需要，可一天或几天一次。 r s - 4 8 5主从式通讯应尽可能少的传输数据，各从节 点有状态变化时，才传输变化的数据。 ( 2 ) l o n w o r k s协议通讯:系统时间、报普信号 ( d 1 ) .模入和模出均为网 络 变量传递:三表读数为消息方式。 ( 3 ) l o n w o r k s 网络与r s - 4 8 5 网关:网关的主要完成了l o n w o r k s 网络与 / 第一章 概述 中南大学硕士学位论文 图1 - 3 l o n w o r k s 网 和主从式r s - 4 8 5 网的混合设计方案图 r s a 8 5 网络的物理与网络协议上转换。 每个网关至多可以挂接2 5 5 个节点。 / 第一童 概述 中南大学硕士学位论文 本方案的优点是: 数据分级管理， 各网关对数据实现上下两级分离，且各网 关可并行工作， 一定程度缩短了上位管理机的巡检周期， 减少了网络流量， 提高 网 络数据传输的实时性: 因为单片机的实时控制能力比 较强， 提高了网络的响应 速度: 使用的底层节点核心部件大量采用通用芯片， 大大减少了专用芯片的使用 量，降低了系统成本，提高了整个系统的性价比。同时， 采用r s - 4 8 5 协议使系 统具有了与其他传统的基于r s - 4 8 5 协议控制网 络连网 通讯的能力。 本方案的缺点主要是结构较纯 l o n w o r k s 网复杂;存在主从式结构，系统的 可靠性较方案一有所降低;我们所采用r s - 4 8 5 转换芯片只有物理上的转换，通 讯协议必须自己编写，增加了软件开发的工作量。 在以后的章节里，我们将着重就此方案进行阐 述。 3 .只含由8 0 c 1 % 节点构成的多级主从式r s - 4 8 5 网的系统设计方案: 下图中， r s - 4 8 5网络路由 器是由8 0 0 1 % 和通用串行接口 芯片8 2 5 1 构成的 双串i= 1 系统，分别转换成r s - 4 8 5电 平而构成。它有固化的软件，由8 0 c 1 9 6 控 制完成两串口间的数据交换。 此方案的优点是:系统成本大大降低;对技术要求相对较低。其缺点为:两 层分级主从通讯， 数据传输延时更大; 通讯与应用程序开发工作量显著增加，且 可靠性得不到保障。 各种数据的 传输方式和周期可以 参考前两种方案。 这种方案 适用于网络数据传输量不大，节点数童较少且千扰不严重的场合。 数据 r络安装p c i i 数据管理p c 主从式r s - 4 9 5 协议 r s - 4 8 5 网络 路由器 n # r s - 4 8 5 网络 路由器 时钟节点 n0ln02 l rs毛翻 ， d 双绞线 双绞线 主从式r s - 4 8 5 图1 - 3 只含8 0 0 1 %节点的多级主从式r s - 4 8 5 网的系统设计方案图 ./ 第二章l o n w o r k s现场总线技术中南大学硕士学位论文 第二章 l o n w o r k s 现场总线技术 l o n ( l o c a l o p e r a t i n g n e t w o r k ) 总线是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出的局部操 作网络， 为集散式监控系统提供了很强的实现手段。 在其支持下， 诞生了新一代 的智能化的现场测控产品。 为支持l o n总线， e c h e l o n 公司开发了l o n w o r k s技 术， 它为l o n总线设计、 成品化提供了一套完整的开发平台。 目 前采用l o n w o r k s 技术的产品广泛应用在工业、楼宇、家庭、能源等自 动化领域， l o n总线也成 为当前最为流行的现场总线之一。 l o n w o r k s使用的开放式通讯协议 l o n t a lk为设备之间交换状态信息建立了 一个通用的标准。 这样在l o n t a l k 协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融 为一体，形成一个网络控制系统。 l o n t a l k 协议最大的特点是对o s l 的七层协议 的支持， 是直接面向对象的网络协议， 这是以往的现场总线所不支持的， 具体实 现就是采用网络变量这一形式。 网络变量使节点之间的数据传递只是通过各个网 络变量的互相连接便可完成。又由于芯片的支持，实现了实时性和接口的直观、 简洁的 现场总 线的 应用要求. 神经元芯片 ( n e u r o n c h ip ) 是l o n w o r k s 技术的 核 心， 它不仅是l o n总线的通信处理器， 同时也可作为采集和控制的通用处理器， l o n w o r k s技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。按照 l o n w o r k s 标准网络变量来定义数据结构，也可以解决和不同厂家产品的互操作 问题。l o n ma r k是与 e c h e l o n公司无关的 l o n w o r k s用户标准化组织，按照 l o n ma r k 规范设计的l o n w o r k s 产品， 均可非常容易的集成在一起， 用户不必为 网 络日 后的维护和扩展担心。 i l l 第一节l o n wo r k s 技术概述和系统结构 l o n w o r k s 技术包括以 下几个组成部分: l o n w o r k s 节点和路由器 . l o n t a l k 协议 .l o n w o r k s 收发器 .l o n w o r k s 网络和节点开发工具 一、 l o n wo r k s 节点11 1 1 1 + 1 一个典型的现场控制节点主要包括以下 几个部分功能块:应用c p u , u o处理单元、 通信处理器、收发器和电源。 感器和执行器 f a 困 k x 图2 - 1 神经元节点的结构框图 / 第二章l o n w o r k s现场总线技术中南大学硕士学位论文 二、路 由器 路由器在 l o n w o r k s 技术中是一个主要的部分，这也是其他现场总线所不具 备的，也正是由于路由器的使用，使 l o n总线突破传统的现场总线的限制一 一 不受通信介质、通信距离、 通信速率的限制。 在l o n w o r k s 技术中，路由器包括 以下几种:中继器、桥接器、路由 器。 三、网络管理 在l o n总线中， 需要一个网络管理工具， 这也是l o n总线和其他总线所不 同的地方。 当单个节点建成以后， 节点之间需要互相通信， 这就需要一个网络工 具为网络上的节点分配逻辑地址， 同时也需要将每个节点的网络变量和显示报文 连接起来; 一旦网络系统建成正常运行后， 还需要对其进行维护; 对一个网络系 。统还需要有上位机能够随时了解该网络的所有节点网络变盘和显示报文的变化 情况。网络管理的主要功能有以下三个方面。 1 、 网络安装 l o n总线通过动态分配网络地址， 并通过网络变量和显示报文来进行设 备间 的 通讯。网 络安装可 通过 s e r v i c e p i n按钮或 手动的 方式设定设备的 地 址，然后将网络变量互连起来，并可以设置报文四种方式:发送无响应、重 复发送、应答和请求响应。 2 、 网络维护 网络安装只是在系统开始是进行的，而系统维护则在系统运行的始终。 系统维护主要包括维护和管理两方面。维护主要是在系统正常运行的状况 下， 增加侧除设备以及改变网络变t显示报文的内部连接。网络修理是一个 错误设备的检测和替换的过程。 检测过程能够查出设备出错是由于应用层的 问题还是通信层的问题。由于采用动态分配网络地址的方式， 使替换出错设 备非常容易，只需要从数据库中提取旧设备的网络信息下载到新设备即可， 而不必修改网络上的其他设备。 3 、 网络监控 应用设备只能得到本地的网络信息，也即网络传送给它的数据。然而在 许多大型的控制设备中， 往往有一个设备需要查看网络所有设备的信息。 例 如， 在过程控制中需要一个超级用户， 可以 统观系统和各个设备的运行情况。 因此提供给用户一个系统级的 检测和控制服务， 用户可以在网上监控整个系 统。 通过节点、路由器和网络管理这三部分有机的结合可以构成一个带有多 介质、完整的网络系统。 / 第二 :l o n w o r k s现 场总 线技 术 中南大学1 k卜 学位论文 ,-, . 2 - 2 l o n w o r k s网 络结构 四、 l o n总线的性能特点 价 洲 有 三 个 处 理 单 元的 种 经 元 芯 片( n e u r o n 芯 片) - - - - - 一 个 用 于 链 路 层 的 控污 ， ，一个用于网络层的控制，另一个用于用户的应用程序，还包括 1 1 个 ll 0 口，达洋在一个神经元芯片上就能完成网络和控制的功能; 命 支持多种通信介质 ( 双绞线、电力线、电源线、光纤、无线、红外等) 和 它l 互 连 ;、 b vaqli 一 甲 弋 丫内 食腼 月 r d 口 加，吞 ， 峥 目 八m 1 1 户 一- 一 一_- 一 -一 二 一 孙 民 ， 户 端 ，矛 1 份. ，侧!.) -. i”-一*ay k a a if j a m二 j 矛 的目. 自 侧 11111 1 1 ， 。 。 1门 r 了 门 去 汤一翻m i 图2 一 神经元芯片结构框图 2 、神经元芯片的微处理器 神经元芯片内 部含有3 个8 位流水线作业的微处理器( c p u ) 。 其中处理 器 1 # 为介质访问控制处理器 ( m e d i a a c c e s s， 它控制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，并 可以 驱动通信子系统的硬件来完成冲突避 免算法。处理器 1 # 通过共享存储器中的网 络缓冲区与处理器 2 # 通信。处理器 2 # 为网 口一 络处理 器( n e t w o r k ) ， 它控 制网 络协议中的 第三层到第六层( 网 络层、 运输层、 会话层 和表示层) ， 可完成网 络变量进程、 编址、 处理事项进程、报文鉴定、软件定时器、图2 .4 2 # 使 用 共 享 存 精 器 中 的 网 络 缓 冲 区 预 处 理 器1 # 通 信 ， 神经元芯片处理器功能 使用应用缓冲区预处理器 / 第二章l o n w o r k s 现场总线 技术中南大学硕士学位论文 3 # 通信。 处理 器3 # 为 应用处理 器( a p p l i c a t i o n ) ，它实 现网 络协议中 的 第七 层应用 层， 执行用户代码和用户代码调用的操作系统来进行工作， 大部分应用程序的编 程语言为n e u r o n c 。 处理器3 # 使用共享存储器中的应用缓冲区预处理器2 # 通信。 除应用层需由用户编程外， 其余6 层都由固件来完成。 所谓固件就是固化在芯片 内 ( 或芯片外) r o m中的有关通信协议的软件。 神经元芯片内3 个处理器功能 如图2 . 4 所示。 3 、神经元芯片的1 / o功能 3 1 2 0 和3 1 5 0 都有 1 1 只ii o引 脚 ( 1 0 0 -1 0 10 ) ， 这些引 脚可通过编程设定为 各种不同的功能，可根据需要灵活地配置，使用起来十分方便。1 1只引脚共可 组成3 4 种不同的i / 0 功能，它可分为输入、输出 和双向 三大类别。其中i 0 4 - 1 0 7 可以 通过编程设置成上拉; 1 0 0 -1 0 3 带有高电 流( 2 0 m a ) 接收( h i g h c u r r e n t s i n k ) : i 0 0 -i 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 平检侧锁存。 神经元芯片的专用编程工具n e u r o n c提供i / 0 定义可以 将1 1 个i / 0 配置成不 同的i / 0 对象: 通过函 数i o i n ( ) 和i o _ o u t ( ) 对所定义的i / 0 进行输入输出 操作。 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/ 计数器 ( m u l t i p l e x e d t i m e r / c o u n t e r ) ， 它的 愉入可通过一个多 路选择开关， 从 1 0 4 - 1 0 7 四个1 0 中选择一个，输出可连至i 0 0 。定时/ 计数器2 称为专用定时/ 计数器 ( d e d i c a t e d t i m e r / c o u n t e r ) 。 它的输入是1 0 4 , 输出是1 0 1 。每个定时/ 计数器包括:可以被c p u 写入的1 6 位状态寄存器:1 6 位计数器:可以被c p u 读 出的1 6 6 i t 的锁存器。 4 、神经元芯片的通信功能 神经元芯片通过 5只引脚 ( c p o -c p 4 )于各种通信介质接口 及网络收发器 连接。通信接口可以在3 种模式下工作，即单端模式、差分模式和特殊模式、 二、双绞线收发器 l o n总线的一个非常重要的特点是它对多通信介质的支持。 由于突破了通信 介质的限制，l o n总线可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质。 双绞线收发器是使用最广泛的一种介质，对双绞线的支持主要有三类收发 器:直接驱动、e i a - 4 8 5 和变压器祸合。 本系统使用的是使用最为广泛的变压器祸合的自由拓扑收发器f tt= 1 0 ，变 压器揭合接口能够满足系统高性能、高共模隔离以 及同时具有噪声隔离的作用。 变 压 器 藕 合的 收 发 器 很 多 ， 本 系 统 使 用 的 是自 由 拓 扑 收 发 器f t t - 1 0 e f t t - 1 0 收 发器支持没有极性、自由 拓扑( 包括总线、 环形、 星型、 树形甚至几种方式的组 合)的互连方式。因此，f t t - 1 0 收发器可以极大地方便现场网络布线。 第二章l a n w o r k s现场总线技术中南大学硕士学位论文 f t t - 1 0 收发器包含一个隔离变压器， 一个曼切斯特编码器， 采用厚膜电路集 成在一个芯片中。 三、 l o n w o r h s 路由 器川n 飞o n w o r k s 路由 器 连接两 个通 信通道 之间的l o n t a l k 信息。 这里指的通道是指:由于物理的原因 ( 如距离、通信介质) ，将网络分割 成能独立发送报文而不需要转发的一 厂 一-” 一 一一健 段介质。l o n w o r k s路由 器能支持从简 单到复杂的网络连接，这些网络可以 小到几个节点大到上万个节点。 路由器可用于: ( 1 ) 扩展通道的容量。 ( 2 ) 连接不同通信介质或波特率。 安装按钮电源 r t r - 1 0 路由器 核心模块 a边收发器b边收发器 ( 3 ) 提高l o n 总线可靠性。 ( 4 ) 全面提高网络性能 图2 - s r t r - 1 0 路由器模块构成的 路由器框图 l o n w o r k s 路由器包含两个可供选择的模块以适用于不同的用途: ( 1 ) 路由 器核心模块一 r t r - 1 0 。 一个r t r - 1 0 路由器加上两个收发器模块 ( 分 别连接到两个通道上)就组成了一个常规路由 器。图2 - 7 为基于r t r - 1 0 路由器 的路由器系统示意图。 ( 2 ) 路由算法。路由器有四种路由算法可供选择:配置型路由器、学习型路由 器、 桥接器或中继器。 这些选项以降低系统性能来换取安装的方便。 配置型路由 器和学习型路由器属于智能路由器， 路由智能可以使它们根据目标地址有选择地 选择报文;桥接器转发所有符合它的域的报文;中继器发送所有的报文。 第三节l o n w o r k s 开发平台 一、 专用开发语言n e u r o n c 1 1 ( 9 1 n e u r o n c是一种专门为n e u r o n芯片设计的程序设计语言。 它在标准c 的墓 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， 并删除了标准c中一 些不需要的功能， 加入了通信、 事件调度、 分布数据对象和 1 / 0 功能， 是编写神 经元芯片程序的最为重要的工具。 一 n e u r o n c 支 持 的 数 字 类 型 为 : 竺_鼓 l o n w o r k s 兰 t d 丝 *中 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 c h a r 8 b i t s i g n e d o r u n s i g n e d s h o r t 8 b i t s i g n e d o r u n s i g n e d i n t 8 b i t s i g n e d o r u n s i g n e d l o n g l 6 b i t s i g n e d o r u n s i g n e d b o o l e a n 8 6 i t n e u r o n c 支持a n s i c 的定义类型 ( t y p e d e f s ) 、枚举类型 ( e n u m s ) 、数组类 型( a r r a y s ) 、 指针类型( p o i n t e r s ) , 结构类型( s t r u c t s ) 和联合类型( u n i o n s ) . n e u r o n c不支持a n s i c的标准运行库的一些功能，如浮点运算、文件 i / 0 等; 然而，为了 满足神经元芯片作为智能分布控制应用， n e u r o n c有自己 扩展 的运行库和语法。 这些扩展功能包括:定时器、网络变量、显示报文、多任务调 度、 e e p r o m 变量和其他多 种功能。 1 、定时器 在一个程序中，最多可以定义 1 5个软件定时器对象， 在这些定时器中可分 为两种软件计数器对象:毫秒计数器和秒计数器。毫秒计数器提供一个 1 6 4 0 0 0 m s 的技术范围的计数器。 秒计数器提供一个 1 -6 5 5 3 5 s 的计数范围的计数 器。 对于计数范围为6 4 s 或小于6 4 s 的 精确计数时， 使用毫秒计数器。 这些软件 计数器在网 络处理器运行，它们是和神经元芯片上的两个硬件定时/ 计数器分离 的。 2 、网络变量 应用程序可以定义一个特殊的静态对象类- 一网络变量，这些网络变量可以 是整型、 字符型或结构等类型。 网络变量可以 与一个或多个其他节点的网络变t 互连。 网络变量从通信的角度分为输入或输出， 对于一个输入的网 络变t可以 和 其他节点的多个输出的网络变量互连而对于一个输出的网络变量也可以和其他 节点的多个输入的网络变盘互连，但输出和输出或输入和愉入是不能互连的。 网络变量包含四个事件: n v _ u p d a t e - o c c u r s输入网 络变量接收到一个输入值 n v _ u p d a t e _ f a i l s输出 网 络 变 量发 送失 败 n v u p d a t e s u c c e e d s输出网 络变量发送成功 n v u p d a t e _ c o m p l e t e s输出网络变f发送完成 ( 包括失败和成功) 3 、显示报文 在大多数情况下网络变量是网络通信的一个简单、可靠、快捷的方法， 然而网络变量在个数、长度和发送目的等方面都使编程者受到限制。 l o n w o r k s又提供了一个更灵活单较为复杂的通信方式- 一显示报文。所谓显 第二帝l o n w o r k s 现场总线技术中南大学硕士学位论文 示报文是一个结构变量， 该结构分为输出 显示报文、 输入显示报文、 响应输 出报文和响应输入报文。 4 , n e u r o n c 任务调度是事件驱动 ( e v e n t d r i v e n ) 当一个给定事件发生的 条件为真时， 与该事件关联的一段代码( 称为任务) 被执行。调度程序容许编程者定义事件，如输入管脚状态的改变、网络变量 的更新、计数器的滋出等。这些事件可以定义优先级，以使一些重要事件能 够优先的到相应。n e u r o n c 任务调度是非实时的， 也就是说，如果低优先级 事件的任务在运行，即使高 优先级的事件发生， 也必须等到低优先级事件的 任务完成后重新调度后才执行高优先级事件的任务。 事件是通过w h e n 语句来定义的，一个w h e n 语句包含一个表达式，当表 达式为真时，则表达式后面的任务被执行。 在n e u r o n c 中定义了 五类事件: 系统级事件、 输入输出事件、 定时器事 件、网络变量和显示报文事件、用户自 定义事件。 5 、附加功能 附加功能主要包括: 输入输出、调度系统复位、旁路模式、睡眠模式、 补充的预定义事件以 及错误处理等。 这些功能大部分以函数和事件的形式提 供。 三、 l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 开 发 2 具 12 1 1 6 1 l o n b u i l d e r 开发工具平台集中了一整套开发l o n w o r k s 节点和系统的工具。 这 些工具包括: 开发多节点: 调试应用程序的环境; 安装配置节点的网络管理程序: 检查网络交通以 确定适当的网 络容量和调试改正错误的协议分析仪。 l o n b u i l d e r 工具可以通过一系列必要的和可选的工具以不同的配置进行组合。 n o d e b u i l d e r 开发工具可使设计和侧试l o n w o r k s 控制网 络中的单个节点变得 简单。它用大家熟悉的 w i n d o w s开发环境为用户提供易于使用的联机帮助。 n o d e b u i l d e r 包括l o n w o r k s w i z a r d 软件工具， l o n w o r k s w i z a r d 是一套只需按几 下鼠标就可生成一个互操作l o n w o r x s 节点的软件模板， 可以节省几小时或几天的 编程时间。 四、 l n s 网 络工具 11 9 1 1 1 9 1 l n s网 络操作系统是为l o n w o r % s 控制网 络提供目 录、管理、监视和控制服务 的网络操作系统。 l n s 为任何必须和l o n w o a x s 网 络交互的 应用程序提供服务，并 保证这些应用程序对网络有一致的视图并保持同步。 这种唯一的特性允许软件组 件可以互操作， 不论这些组件是运行在同一个还是不同的主机上， 或是在几千公 第二章l o n w o r k s现场总线技术中南大学硕士学位论文 里以外的 i p网络上。l n s通过提供这样一个框架使得多个工具可以共同工作， 提高了生产效率并降低了成本。 l n s网 络工具以两种方式提供:嵌入式 ( n s s -1 0 , d m -2 1 ) 和基于p c 机的 工具 ( l o n m a k e r f o r w i n d o w s 集成工具， l n s d d e s e r v e r ) 。也提供几种开发工 具包用于开发嵌入式或基于p c 机的网络工具。 第四节 t mp n 3 1 5 0 与p s d 3 1 2 为核心的智能控制节点l wn - 0 2 0 0 0 系列 在楼宇自 动化控制系统中，大量的控制节点是安装在建筑物的各个房间内， 对节点体积、 运行的可靠性及功耗都有较高的要求， 我们除了使用贴片元件以外， 主要采用了p s d 3 1 2与t m p n 3 1 5 0构成的两片式最小系统，并以此为核心，加 上 数 据 锁 存器7 4 07 3 和f t t - 1 0 收 发 器 构成了l w n - c 2 0 0 0 核 心 模块二 见 图2 - 6 . 采用这种结构后带来的好处有以下几条: 今简化了电路系统的设计 .节省了印制板空间 .增加了系统的可靠性 .扩展了系统的外部接口 .便于系统扩展功能 令降低了产品的功耗 在l w n - 0 2 0 0 0 核心模块基础之上扩展开发了开关量型节点l w n - c 2 0 wd ， 模拟 量型节点l w n - c 2 0 0 0 a 和时钟节点l w n - c 2 0 0 0 t o 图2 - 6 l -c2 0 0 0 核心模块结构框图 第二章l o n w o r k s现场总线技术中 南大学硕士学位论文 一、p s d 3 1 2 与t a p n 3 1 5 0 的连接 p s d 3 芯片将高性能、 用户可配置模块e p r o m, s r a m和可编程逻辑集成到 一起， 提供一个单片微控制器接口。 包括两个可编程逻辑阵列、 可编程地址译码 器 ( p a d a和p a d b ) , 2 5 6 k b i t 到1 mb i t的e p r o m, 1 6 k b i t 的s r a m,输入 镇存器和输出端口，将 p s d 3系列芯片接到 t mp n 3 1 5 0芯片，可以在不增大电 路板面积和功率消耗的 情况下， 提高其性能. t m p n 3 1 5 0 芯片通过与p s d 3 系列 连接， 1 1 0端口可以 从1 1 个扩展到2 1 个。可为用户提供高达1 2 8 k b的e p r o m ( 带嵌入式分页逻辑) 、 2 k b的s r a m、 可编程地址译码器、 以及其他连接逻辑。 如图2 - 8 a所示典型t mp n 3 1 5 0 芯片节点示意图。在采用p s d 3 1 2 芯片之前， 包括一个 e p r o m, s r a m、产生外部片选信号的译码器和一个 1 1 0端口。在 t m p n 3 1 5 0 芯片中，存储器地址e 8 0 o h - f f f f h被保留给内部使用。所有的外部 存储器都必须分配在 o o o o h - e 7 f f h ， 为了 利用整个存储器空间， 必需对外部存储 器件加上一个外部地址译码器。 采用p s d 3 芯片后的设计， 就简单多了，体积也 小多了. 如图2 - 8 b所示。 图 2 - 8 a tm p n 3 1 5 0 addrr r c c 贾 epr011 srams csdatagal 图 2 - 8 b 图2 - 7 t mp n 3 1 5 0芯片与 p s d 3 1 2 接口前后对照 二、t m p n 3 1 5 。 芯片与 外部 存储器的 接口 【 1 2 1 t m p n 3 1 5 0 芯片除了 片上的5 1 2 字节e e p r o m和2 k b r a m外， 还提供一个 外部存储器总线，允许存储器扩展5 8 k b o t mp n 3 1 5 0 芯片要求 1 6 k b的外部非 易失存储器储存其固化程序， 剩下4 2 k b外部存储器则可用来储存用户的应用程 第二章l o n w o r k s现场总线技术 中南大学硕士学位论文 序和数据。 1 、存储器存取要求 ( i ) 非易失性存储器用于t m p n 3 1 5 0 芯片的固 化程序和应用代码。 ( 2 ) 可重写非易失性存储器用于网络和应用程序和数据 ( 3 ) 读/ 写存储器用于信息群缓存或应用程序及数据 l o n w o r k s 应用节点通过将5 8 k b存储器空间划分为三个不同区域 ( 以2 5 6 字 节的整数倍为界) ， 可能包括上述三种外部存储器类型。不同的存储器类型不必 编址到相邻的地址空间，然而，l o n b u i l d e r n e u r o n c语言编译器使存储 器类型次序为: 首先是r o m i e p r o m ， 然后是e e p r o m， 最后是r a m. n e u r o n c语言编译器和l o n b u i l d e r链接定位器将应用程序置于相应的存储器区域。 2 、存储器接口 逻辑描述 如图 2 - 8所示，i mp n 3 1 5 0的存储器分配 ，存储器地址 0 - e 7 f f是 t m p n 3 1 5 0芯片的外部地址。 对这个 存储器的访问通过一个外部存储器总 线进行，该总线由八条双向三态数据 线，1 6条由3 1 5 0芯片驱动的单向 地 址线和两条控制线组成。用于外部存 储器接口的两条控制线是: ( 1 ) e 一允许时钟 这个输出信号是一个由3 1 5 0 芯片 驱动的选通信号，用来与外部总线同 步，其频率是输入时钟或石英晶振的 一半。在存储器的下半个周期，e为 低电平，表示 3 1 5 0芯片正在读1 写数 对于写周期， 3 1 5 0 芯片在e为低电平 时输出新的数据到数据总线; 对于读 周期， 3 1 5 0 芯片在e信号的转折点读 f f f f f 00 0 1 k存储区印 象v 0 及保留区 f bf f f 2 0 0 2 . 5 k保留区 fi f f f 0 0 0 0 . 5 k e e p rom e f f f e 8 0 0 2 kr am e 7 f f 4 0 0 0 4 2 k用户存储器区 3 f f f 以犯0 1 6 k固件及保留区 入外部数据。 ( 2 ) r / w一读泻 这个输出信号表示数据总线的方向。 电平;在写周期则被置为低电平。当e 为 低电 平时， 则 保持 稳 定。 i 6 1 图2 - 8 t in p n 3 l 5 0 芯片存储器分配 在读周期中， 它被3 1 5 0 芯片置为高 为高电平时， r / w 改变状态;当e 第-?a l o n s v o r k s现场总线技术中南大学硕士学位论文 三、 p s d 3 系列芯片结构3 7 1 、可编程地址译码器 ( p a d ) p s d 3 系列有两个可编程门阵列p a d a 和p a d b o p a d a 用来产生片选信号， 该片选信号从输入到内 部e p r o m 块、s r a m 和1 / 0 端口的地址产生。p a d a 和p a d b 的输入总线相同。 2 、端口 功能 p s d 3 系列有三个工 / 0 端口( 端口a , b , c ) ，它们可按位配置. 端口a :与3 1 5 0 芯片相接口 时，端口冉用于低端数据总线。 端口b : 端口b 的 缺省配置是1 / 0 。 在这种方式下， 每一个引脚通过写入 器对应的方向触发器( d i r f f ) 可被设置为输入或输出。当作输出时， 其引 脚电平 可通过写入各自的引脚数据触发器来控制。当d i r f f = 1 时， 此脚被配置为输出。 d i r f f = o 时，该引脚被配置为输入。控制器可以 通过访问r e a d d i r寄存器来读 取这些d i r f f .端口b 的引脚电平可通过访问r e a d p i n 寄存器来读取。 另外，端口b 的每一位可配置为提供一个来自p a d b 的片选输出。p b o -p b 7 可分别提供c s o -c s 7 e 端口c的各种工作方式一 端口c 的每个引脚，可以 配置为以da 和队