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测控总线技术读书报告题目 LonWorks现场总线原理开发及应用 学号 姓名 成绩 评语LonWorks现场总线原理开发及应用摘 要：现场总线技术是当今控制领域发展的热点之，LonWorks是现场总线中重要的一种。本文首先对LonWorks现场总线的概况、神经元芯片、通信、开发工具和操作系统以及互操作性进行了介绍，然后介绍了基于LonWorks的楼宇自动化系统、教室照明节能系统、楼宇自动化抄表系统的系统设计背景、系统硬件设计和系统软件设计，从在工程中的实践应用的角度阐述了LonWorks总线技术。1 LonWorks 现场总线原理 LonWorks现场总线是美国Echelon公司于1991年推出的局部操作网络(Local Operation Network)，它的出现为全分布式测控系统提供了很强的实现手段。为了支持LON总线，Echelon公司推出一套完整的开发平台，被称为Lon Works技术。LonWorks技术使设备和系统的互操作成为可能，为LON总线设计和成品化提供了一套完整的开发平台。Lon Works技术所采用的Lon Talk协议被封装在称为Neuron的神经元芯片中得以实现。Echelon公司的技术策略是鼓励原始设备制造商运用Lon Works技术和神经元芯片，开发自已的应用产品。11.1概况LonWorks采用分布式的智能设备组建控制网络，同时也支持主从式网络结构。它支持各种通信介质，包括双绞线、电力线、光缆等。该技术包括一个称之为LNS网络操作系统的管理平台，该平台对LonWorks控制网络提供全面的管理和服务，包括网络安装、配置、监测、诊断等。LonWorks控制网络又可通过各种连接设备接入IP数据网络和互联网，与信息技术应用实现无缝的结合。 2LonWorks控制网络有控制节点、通信协议和通信介质3大基本要素。按功能划分，LonWorks又包括LonWorks节点、LonWorks路由器、LonWorks Internet连接设备、LonWorks收发器、LonTalk协议、LonWorks网络和节点开发工具、LNS网络工具和LonWorks网络管理工具。1.2 LonWorks中的神经元芯片LonWorks技术的核心是神经元芯片，其3150系列支持外部存储器，适合更为复杂的应用；其3120不支持外部存储器，其本身带有ROM。2神经元芯片中装有MAC处理器、网络处理器和应用处理器。此外，它至少包含512字节EEPROM和2KB RAM，最多有64KB存储器地址空间。神经元芯片上有11个I/O口，可以通过软件编程进行灵活配置以完成数据采集和控制功能。神经元芯片中有一个时间计数器和两个硬件定时计数器，可完成Watchdog、多任务调度、定时等功能。神经元芯片可以支持多种通信介质，包括双绞线、电力线、无线、红外、光纤和同轴电缆等。其通信端口为适合不同的通信介质可以将五个通信管脚配置成单端、差分和专用模式三种不同的接口模式。其中单端模式是LonWorks中使用最广泛的一种模式，无线、红外、光纤和同轴电缆都使用该模式，在此模式下数据编码和解码使用的是差分曼彻斯特编码，其发送报文前需要发送端发送一个同步头来确保接收节点接收时钟同步，此外，神经元芯片可选择支持一个低有效的收发器碰撞检测信号，如果不支持则需采用应答或请求-响应方式来确保数据可靠传输。差分模式下神经元芯片支持内部的差分驱动，数据格式和单独模式完全相同。专用模式有时需要一个智能收发器，用于专用场合。神经元芯片可以通过软件设置进入睡眠状态，通过一定的输入转换可恢复正常的操作系统。1.3 LonWorks中的通信 1.3.1 LonWorks网络中的收发器和介质 LonWorks网络可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质。介质为双绞线时收发器有三种：直接驱动、EIA-485和变压器耦合。直接驱动收发器适合网络上的所有节点在同一个大型设备中使用同一个电流源的情况。使用EIA-485共模电压比直接驱动要好但不如变压器耦合。变压器耦合接口能满足系统的高性能、高共模隔离的要求，同时具有噪声隔离的作用。介质为电力线时使用电力线收发器，其是将通信数据调制成载波信号或扩频信号，通过耦合器耦合到220V或其他交直流电力线甚至没有电力的双绞线上。目前常用的电力线收发器包括两类：载波电力线收发器和扩频电力线收发器。此外LonWorks网络还支持其他一些收发器，包括无线收发器、光纤收发器、红外收发器甚至用户自定义的收发器等。1.3.2 LonWorks网络中的路由器 LonWorks路由器连接两个通信通道之间的LonTalk信息，其用于扩展通道容量、连接不同通信介质或者波特率、提高LonWorks网络可靠性和全面提高网络性能。LonWorks路由器包含两个模块以适用于不同的用途。LonWorks路由器主要包括中继器、桥接器、配置型路由器、学习型路由器和报文缓冲器。1.3.3 LonWorks通信协议LonTalk LonTalk协议提供一套通信服务，使装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文而无需知道网络拓扑、名称、地址或其他装置的功能。为了处理网上的报文冲突，LonTalk协议使用“载波监听多路访问”（CSMA）算法，其发送的报文都是很短的数据，通信带宽不高，可靠性和实时性比较高。LonTalk协议的分层符合OSI的标准，是ISO组织指定的OSI开放系统互联参考模型的七层协议的一个子集，其协议数据单元包含MPDU、LPDU、NPDU、TPDU、SPDU、NMPDU、DPDU、APDU 八个部分。LonTalk协议支持在通信介质上的硬件碰撞检测。LonTalk协议的MAC子层是链路层的一部分，它使用OSI各层协议的标准接口和链路层的其它部分进行通信，LonTalk协议的MAC子层协议是CSMA协议的一种改进，其支持多介质的通信，支持低速率的网络，可以在重负载的情况下保持网络性能，支持大型网络。LonTalk协议的网络层提供给用户一个简单的通信接口。传输层和会话层分别管理报文执行的顺序、报文的二次检测和提供请求-响应机制。表示层和应用层提供网络变量服务、显示报文服务、网络管理服务、网络跟踪服务和外来帧传输服务。1.4 LonWorks的开发工具和操作系统1.4.1 Neuron C Neuron C是以ANSI C为基础专门为神经元芯片而设计的编程语言，其数据类型和运行库功能均在ANSI C基础上发生了一定变化，并提出了网络变量这个全新概念。网络变量可以是任何数据项，它们是期望从网上其他装置得到（输入NV）或期望提供给网上其他装置的（输出NV）一个特定装置的应用程序。网络变量不能是指针类型，一个输入的网络变量可以和其他节点同类型的多个输出网络变量进行捆绑，由此节点的数据可以进行共享。一个节点最多可以定义62个网络变量。除了网络变量，LonWorks提供了更为灵活的通信方式显式报文，显式报文不像网络变量那样容易实现互操作。1.4.2 LonWorks节点开发工具 LonBuilder是LonWorks技术中最主要的节点开发工具，它包含节点开发器、网络管理器、协议分析器和报文统计器以及演示程序和开发板。1.4.3 LNS网络操作系统 LNS是一个LonWorks控制网络的操作系统，它基于客户服务器结构，是唯一适用于单信道或多信道控制网的网络操作系统。它提供基本的目录、管理、监控、诊断等方面的服务。多个人员可同时访问网络、应用管理服务器和来自任意客户工具的数据。LNS客户多服务器结构可以大大减少开发时间和费用、其系统集成简单，IP网络通信透明，便于系统扩展，易于定制专用系统，访问数据不受限制，增加了系统正常运行的时间。借助LNS网络操作系统，用户可以根据自己的需求，开发出各种各样的LNS网络工具。1.5 LonWorks的互操作性LonWorks节点本身不能保证来自不同制造商的设备能在同一系统中互可操作，因此必须进行正确的网络设计。Echelon公司和LonWorks用户集团成立了LonMark互可操作协会。协会发布各种技术规范和准则，致力于标准收发器和相应的物理信道的准则以及节点应用程序的结构分析和文件编制领域。LonMark准则规定了标准网络变量类型、配置属性、LonMark对象和功能模式、LonMark资源文件和LonMark程序ID等应用程序准则，从而保证了LonWorks的互可操作性。 2 LonWorks 现场总线应用基于LonWorks现场总线技术，我们可以更容易地实现分布式的网络控制系统，使得控制系统更有效，更易于维护和进行功能扩展。6LonWorks总线使用LonTalk协议，其介质访问控制层采用带冲突检测的载波监听多路访问（CSMACD）控制方式。各个站点采用“优先级可预测P持续CSMA/CD”二进制指数退避算法来处理冲突，LonWorks总线网络可以满足目前工业应用的实时性要求，因此得到了广泛应用。32.1基于LonWorks的楼宇自动化系统设计2.1.1方案背景 某6层综合楼，系统共有模拟量输入点200个，开关量输出点360个，数字量输入点200个需要监测和控制，共用Lon Works智能节点40个。要求采用基于现场总线技术的楼宇自动化系统，系统包括楼内各用户房间用电参数采集、温度测控、楼内消防报警及保安门禁等子系统。2.1.2系统硬件设计 系统划分为中央监控系统、用电参数采集子系统、温度测控子系统、消防报警子系统、保安门禁子系统。用电采集节点主要由电压与电流互感器、过零比较器、模拟开关和A/D 单片机构成，节点通过Neuron芯片构成对等网。温度采集节点采用CYPRESS的Neuron芯片CY7C53120与AT89S52单片机一起构成基于主机的LonWorks智能节点能很好地满足测控要求，节点通过Neuron芯片构成对等网，输出控制采用光电隔离以提高抗干扰性。此外，系统采用1-Wire单总线技术和数字温度传感器DS18B20，系统中的温度传感器便于安装，体积小巧；传感器供电方便，采用总线供电；测控点布线少而简单，不影响大楼与房间内外的视觉效果。2.1.3系统软件设计 对于系统中各节点的程序设计分为两个部分。第一部分是对Neuron神经元芯片 CY7C53120完成的通信功能进行程序设计，采用Neuron C语言完成，由于LonWorks通信协议在神经元芯片生产出厂时已经以LonTalk固件的形式存于CY7C53120 的ROM中，故简化了开发过程；第二部分是针对于各节点的主处理器AT89S52完成的测控功能进行程序设计，该部分软件采用单片机的汇编语言完成，其特点与优势在于汇编语言可以直接实现对硬件的控制，运行速度快、编译效率高，对于用电参数采集节点而言主要是完成相应的测量功能，对于温度测控节点则加上了控制作用4。2.2基于LonWorks的教室照明节能系统研究2.2.1方案背景大学里传统照明控制系统存在诸多弊端：（1）由于大学管理模式的开放性，教室在白天光照强度足够的情况下仍然开灯上课；（2）即使在室内无人或人数较少的情况下，照明灯也全部开启；（3）管理员（或安保人员）需巡查每间教室，关灯，如果遇到天气不好的情况，管理员工作不到位，教室会出现“长明灯”的情况。这种浪费人力、物力，人走灯不熄的现象，容易造成资源浪费。2.2.2系统设计基于LonWorks技术与DDC智能节点，本系统以电力线为通信传输介质，通过光照传感器和人体红外传感器的检测，LonWorks卡口和PC机相连，利用LonMaker软件和力控组态软件编程，最终实现对光照强度的鉴定功能，并能根据教室内的人数及分布状况进行统计，对灯具进行实时控制。本系统根据教室的面积，将灯具分为若干组，每组由1个神经元芯片控制1个照明开关按钮，每个照明开关按钮控制 3若干盏灯具5。2.3 LonWorks技术在楼宇自动化抄表系统中的应用 2.3.1方案背景本例是一个高档住宅小区，小区内有住宅楼4幢、共计120余户。发展商不仅要完成三表抄读，而且能将采集来的数据直接进行收费，且根据不同时段采用多种付费率，现场节点能不依赖上位机分时统计。该工程采用了LNS客户服务器来实现上述目的，2.3.2系统设计 系统前端为现场控制机柜，每个机柜插一块或者数块LonWorks控制模块负责一定区域的水电表检测。检测结果的信号连接至控制柜的端子排。上位机采用LNS客户服务器结构，数据库管理机作为网络服务器，管理网络数据库，同时处理收费系统的数据库。前端硬件模块主要包括信号采集模块、路由器模块、时钟模块以及PC和便携机接口卡。网络管理是基于LNS操作系统开发出的集网络安装、维护和监控于一体的网络管理工具来进行的。数据库管理是通过数据库管理应用软件来进行的，其主要功能有：（1）LonWorks网络节点的状态监视；（2）住户和整个小区三表使用情况的实时查询；（3）住户和整个小区三表使用情况的历史查询；（4）自动收费功能；（5）小区人事功能；（6）其他所需功能4。3结论LonWorks现场总线技术拥有丰富的软件支持和硬件产品，提供了灵活的设计、组建控制网络方案，在当前的诸多领域得到了非常广泛的应用。LonWorks现场总线技术可以帮助我们更便利地设计、监控和维护一个分布式网络控制系统，以及进行功能扩展。参考文献1 贾慧潇.基于 Lon Works 现场