基于lonworks的智能小区安防.doc

摘要随着信息技术的飞速发展以及人们生活水平的大幅度提高，人们对住宅的需求已从追求简单的生存空间向着追求质量、功能、服务等多重需求过渡,同时信息技术的发展给房地产业和物业管理提出了新的要求，智能化小区将是未来发展的趋势。本文是利用 Lonworks 总线的开放性、互操作性等特点设计、开发智能小区安防节点的。所设计的智能安防节点是基于主机之上，控制模块由神经元芯片 MC143150、双绞线收发器 FTT-10A 以及单片机 AT89S51 共同构成。其中，单片机 AT89S51 作为主处理器来完成用户的应用程序，主要负责对各种现场信号进行采集、处理及控制，工作在并行从 A 方式下的神经元芯片MC143150 作为从处理器，主要完成与现场网络上的各节点及中心控制室之间的通信工作。安防节点的软件部分依照 LonMark 标准编写，可与其他厂家的Lonworks 产品实现互操作。 ABSTRACTWith the rapid development of communication technique and great improvement of standard of peoples living,the need of house has been changed from only the living space to multiform needs of quality,function,service,and so on,meanwhile with the development of information technology,new management of real estate should be reformed and intelligent community will be the result.In this thesis the security guard node is developed by using the characteristics of open and interoperability of Lonworks bus. The designed intelligent security guard node is based on the host, and the control module is composed of neuron chip C143150, double wring line transceiver FTT-10A and single chip AT89S51. The single chip AT89S51 is used as main processor to accomplish the application program of users, and it is responsible for the collection and control of field signal. The neuron chip MC143150 worked under the A form as the slave processor mainly accomplishes the communication of nodes on field net and central control room. The software part of security guard node is wrote according to LonMark, and it can realize the interoperation with LonMark products of other manufacturers.第一章 绪论1.1 课题背景和研究意义 随着人类社会的进步和科学技术的迅猛发展，人类开始迈入以数字化和网络化为平台的智能化社会，开始出现了诸如智能化仪表、智能化机器人、智能化汽车、智能化高速公路、智能化工厂、智能化家庭、智能化小区、智能化大厦、智能化城市等等具有不同智能程度的产品、设备、工具甚至工作环境和生活环境，并且呈现出高速发展的趋势。其中正在兴起的智能化小区建设热潮，反映和适应了国际社会信息化和智能化的发展要求，是 21 世纪的新概念住宅。智能小区就是采用电子信息技术对建筑区的各住户进行自动监控，对信息资源进行管理和对用户提供信息服务的，可以大大提高住宅小区的管理效益和最大限度降低小区的各种运行费用。随着我国改革开放、经济持续稳定发展以及人们对信息需求量的增加，智能小区在我国近几年将会得到迅猛地发展。为了迅速抢占国内外市场，弘扬民族工业，增强国际竞争力，智能小区的开发与应用也迫在眉睫。随着先进的新型高科技产品逐渐进入了人们的日常生活中，科学技术给人们带来了巨大便利的同时，也带来了一系列的不安全因素，如煤气管道、热水器、家用桑拿房以及其他大容量的家用电器的使用，都明显地增加了发生火灾、触电、煤气中毒、爆炸的可能性。另外，社会上还有一些不法分子在活动，人为地制造破坏和灾难，行凶、盗窃等违法犯罪活动还时有发生，严重地扰乱了人们正常的生活，给社会也带来不安定因素。这些不安全因素潜伏在人们的周围，使人们逐渐地意识到了小区安防系统的重要性。但是，目前国内一些监控系统大都采用常规的计算机与通讯技术，即以单片机为核心的区域控制器和以 RS-232 或 RS-485 串行通讯总线为标准的系统链接，监控系统通过现场安装的传感器、控制器以及相应的变送器和执行机构对各种被监控对象进行自动检测和控制。这种系统虽然可以满足大多数用户的要求，但由于它的集成度较低、规范性差，而且又无统一标准，所以系统的可靠性、维修性、互换性以及可扩充性均难以达到理想效果和规范要求。因此，利用 Lonworks 总线技术开发智能小区的安防节点就更加具有迫切的现实意义。1.2 国内外智能小区现状和智能安防1.2.1 国外智能小区的发展概况 智能小区的发展几乎是与智能大厦同步迈进的，应该说智能大厦的发展过程，也就是智能小区酝酿和发展的过程。那么所谓的智能大厦其实也就是智能建筑，它起源于80年代初的美国，当时跨国公司纷纷兴建或改造高科技大楼，同时高科技公司为了增强自身的竞争和应变能力，对办公和科研环境积极进行创新和改进，以便提高工作效率。1984 年美国哈特福特市建成了世界第一座智能化大厦，此大厦高38层，总建筑面积达10万多平方米，以当时最先进的技术控制空调、照明、电梯等设备以及防火和防盗系统，实现了通信和办公的自动化，提供了舒适、安全的办公条件，并且具有高效、经济的特点。当时美国联合科技集团公司在他们的广告宣传资料中首次使用了“智能建筑”一词。这是世界上第一座公认的智能建筑，它的出现引起了各国的重视与仿效。进入90年代，美国开始实施信息高速公路 I-WAY 计划，作为信息高速公路“节点”的智能建筑更受重。在智能建筑领域，美国始终保持着技术领先的势头，但是日本、新加坡、韩国、印度、英、法、德等国也不甘示弱，分别在80年代末和90年代初发展各具特色的智能建筑。 智能小区的发展分别经历了住宅电子化、住宅自动化、住宅网络化三个阶段。20世纪末，综合数字服务网、卫星通信等网络技术及电信技术的飞速发展加速了智能小区的发展。虽然智能小区与智能住宅如雨后春笋般地出现和发展，但是其安防系统主要还是应用在工业场合、银行等大中型企业单位，功能单一且价格昂贵。据调查，美国AD公司生产的100路以上的视频信号监测系统仅控制部分就达20万人民币，一般不适合于民用。这些功能单一、固定且又价格昂贵的安防装置，没有从系统进行设计，不便于在家庭中普及和应用。1.2.2 国内智能小区的发展概况 我国智能建筑的建设始于 1990 年，北京的发展大厦可谓是我国智能建筑的雏形，随后建成了北京燕莎中心、上海商城、广州世贸中心、南京禄口新机场等一批具有一定智能化的建筑。目前，上海市智能化建筑约 100 幢，北京市约 80 幢，广东省约 70 幢，江苏省约 60 幢。据外刊预测，21 世纪全世界智能化建筑的一半以上将兴建在中国大地上。在我国，智能小区与智能住宅虽然起步比较晚，但发展速度却很快。80 年代初所建成的住宅，其电气设计内容仅局限在：普通楼房的户内外照明，高层住宅增加高层供水的生活水泵控制系统及消防泵控制系统。各用户电量的计量和收费，采用由房管部门或住户轮流抄表收费的方式；生活用水的计量则主要是按户或按人口数收费；弱电系统也是从 80 年代开始才陆续设置电话配线和公用电视天线系统。80 年代末和 90 年代初，我国家庭基本实现了电器化，住宅内的弱电系统有所增加，如对讲系统等。到了 90 年代末，电脑、有线电视、机顶盒、移动通信等数字化通信产品开始走进许多家庭，人们对住宅的安全、舒适、方便等功能提出了新的要求。 目前智能小区我国还属于方兴未艾的新事物，经过10多年发展取得长足的进步 ，但发展还很不平衡。深圳、上海、广州、北京等各沿海城市、直辖市和各省级中心城市发展较快，欠发达地区与发达地区相比有的慢一到二个节拍，有的社区的智能化刚开始不久，有的还处于炒作阶段。总的来说，社区的智能化犹如雨后的春笋方兴未艾，开遍在祖国的神州大地，成为社会发展的必然趋势，具有广阔的市场空间。随着我国3111工程的推进，创建平安城市和建设和谐社会的深入，无疑对智能社区的发展起到催化的做用。 1.2.3 智能安防技术 智能化安防技术的发展已取得了瞩目的成就，随着企业和住宅小区需求的凸现，数字化智能安防当前面临新的发展契机，由于数字化智能安防行业的特殊性，国家对智能安防产业的发展一直都给于政策上的鼓励。近年来，为了解决企业和住宅小区的安全防范问题，建设部、公安部两部先后签署下达了多种相关文件，以强化企业和住宅小区的智能化安全防范设施。智能化安防技术的主要内涵是其相关内容和服务的信息化、图象的传输和存储、数据的存储和处理等等。就智能化安防来说，一个完整的智能化安防系统主要包括门禁、报警和监控三大部分。 从产品的角度讲：应具备防盗报警系统、视频监控报警系统、出入口控制报警系统、保安人员巡更报警系统、GPS车辆报警管理系统和110报警联网传输系统等等。这些子系统可以是单独设置、独立运行，也可以由中央控制室集中进行监控，还可以与其他综合系统进行集成和集中监控。防盗报警系统分为周界防卫、建筑物区域内防卫、单位企业空旷区域内防卫、单位实物设备器材防卫等等。系统的前端设备为各种类别的报警传感器或探测器；系统的终端是显示/控制/通信设备，它可应用独立的报警控制器，也可采用采用报警中心控制台控制。不论采用什么方式控制，均必须对设防区域的非法入侵进行实时、可靠和正确无误的复核和报警。漏报警是绝对不允许发生的，误报警应该降低到可以接受的限度。考虑到值勤人员容易受到作案者的武力威胁与抢劫，系统应设置紧急报警按钮并留有与110报警中心联网的接口。视频监控报警系统常规应用于建筑物内的主要公共场所和重要部位进行实时监控、录象和报警时的图象复核。1.3 现场总线技术介绍现场总线(Fieldbus)是用于过程自动化、制造自动化、楼字自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点;具有一定的时间确定性和较高的实时性要求;还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。1.3.1 现场总线的技术特点 1.系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 2. 互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 3. 现场设备的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。 4. 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身己可完成自动控制的基本功能，使得现场总线己构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有的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。 5. 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。1.3.2 现场总线的优点由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。1. 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。2. 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。3. 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。4. 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。5. 提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。1.3.3 几种常用的现场总线1. FF（基金会现场总线） 其前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80余家公司制订的ISP协议和以法国阿尔斯通、斯耐德等几家法国公司为首，联合欧洲与北美等地的150家公司制订的WorldFIP协议。基金会现场总线得到了过程控制领域自动控制设备的主要供应商的支持。该总线具有相当的权威性。目前它只有低速现场总线协议与产品。低速现场总线速率为31.25kbps，通信距离可达1900米（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。上层直接与工业以太网连接。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC61158-2标准。这是一种极有前途的现场总线。目前它的应用领域主要以过程自动化为主，如石化、化工等领域，主要用于对生产过程中连续量的控制。 2. PROFIBUS（过程现场总线）PROFIBUS是一种国际化开放式不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。广泛适用于制造业自动化流程工业自动化和楼宇交通电力等其他领域自动化。3. CAN（控制器局域网络）CAN 总线又称作汽车总线, 其全称为“控制器局域网(CAN - Cont ro ller A rea N etwo rk) ”，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准。由于得到了Motorola， Intel, Ohilip, Siemence, NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。4. LonWorks（局域操作网络）Lonworks是由美国Echelon公司于20世纪90年代初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，它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议，这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线，在工业控制系统中可同时应用在Sensor Bus、Device Bus、Field Bus等任何一层总线中。目前采用LONWORKS技术的产品广泛应用地工业，楼宇、家庭、能源等自动化领域，LON总线也成为当前最为流行的现场总线之一。5. DeviceNet现场总线 DeviceNet是由美国Rockwell公司在CAN基础上推出的一种低成本的通信链接，是一种低端网络系统。它将基本工业设备连接到网络，从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。它广泛应用在制造业和输配电领域。6. WorldFIPWorldFIP现场总线是以法国几家跨国公司为主开发的，是法国标准和欧洲标准。WorldFIP组织目前有100多个会员单。1994年6月，WorldFIP的北美部分与ISP合并成为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立。总部设在法国的WorldFIP组织采取了一种灵活的策略：一方面积极推广成熟的WorldFIP技术和产品，抢占市场；另一方面也积极支持建立世界唯一现场总线标准的工作，支持IEC现场总线标准，并已经做好准备，一旦IEC标准通过，马上推出与IEC标准相连接的产品使自己立于不败之地。它也是FF的成员。7. HART HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。 HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。1.3.4 Lonworks总线技术的优点 LonWorks技术与其他现场总线相比有以下优点：支持多种通信介质、支持七层网络协议和大网络结构、价格低廉、开发简单方便等。 l. Lonwbrks网络结构多样化，包括总线型、环型、星型和复合型，而且这种网络拓扑结构可以在线动态重组，以满足现场的要求。2. Lon网络的规模可大可小，一个域(domajn)中可以定义255个子网(subnet)，一个子网可以包括127个节点，这样Lon网络一个域的测控节点数可达32385个。3. 网络通信采用了面向对象的设计方法，即使用了网络变量。网络变量的概念大大简化了复杂的分布式应用的编程，将网络通信的设置简化为参数的设置。为分布式数据提供了非常方便灵活的应用方式以便对系统中的节点进行操作，程序员不需处理报文缓存区、节点寻址、请求响应重试的过程以及一些底层的细节，大大降低了工作量，又增加了通信的可靠性。4. LonWorks通信协议是公开的，不同公司开发的网络产品只要采用Neuron技术都可以按入Lon网络，互用性极强。5. 固件与NeuronC的紧密结合大大便利了人们对智能节点的通讯管理、控制和编程。6. 不受通信介质的限制，可在多种通信介质下通信，包括双绞线、电源线、射频、红外线、光纤和同轴电缆等，并使多种介质可在同一个网络中混合使用。另外，传输速度和传输距离也因为使用介质的不同而不同，应用范围十分地广泛。7. Lonworks有很强的互连及互操作性，它能通过网关(Gateway)把不同的现场总线，异型网连接在一起。总之，实现了小区安全防范系统高安全性，高可靠性，维护性，保障性，环境适应性，高性能价格比和良好的操作性。第二章Lonworks现场总线2.1 概述2.1.1 LonWorks技术简介LonWorks技术是一个实现控制网络系统的完整平台。这些网络包括智能设备或智能节点。一个典型的节点包括一个Neuron神经元芯片、一个电源、一个通过网络介质通信的收发器及被监控设备接口的应用电路。图2-1为Lonworks的网络结构图，2-2为一典型的智能节点组成框图。智能设备或智能节点与它们所处的环境进行交互作用，以及通过不同的通信介质与其他节点进行通信。这种通信采用一种通用的、基于消息的控制协议。LonWorks技术包含所有设计、配置和维护网络所需要的技术，特别是以下这些部分： （1）Neuron神经元芯片；（2）LonTalk协议；（3）LonWorks收发器；（4）LonBuilder和NodeBuilder开发工具； 图2.1 Lonworks的网络结构图 图2.2 神经元节点的结构框图2.1.2 LonWorks技术的特点 1.开放性和互操作性网络协议是开放的，而且对任何用户都是对等的。其协议已被一些国际标准组织确认为一些标准，如EIA 709和IEEE1473。网络协议完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。该技术提供的MIP（微处理器接口程序）软件允许开发各种低成本网关，方便了不同系统的互联。也使得系统具有高的可靠性。 2. 通信介质可采用包括双绞线、电力线、无线、红外线、光缆等在内的多种介质进行通信，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。这一特性使得不同工业现场的不同设备实现互联。增强了网络的兼容性。3. 网络结构能够使用所有现有的网络结构，如主从式、对等式以及客户/服务式(Client/Server)。 4. 网络拓扑可以自由组合，支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式。尤其是自由拓扑形式使得网络构建更为方便灵活。 5. 分布式处理网络上的每个设备都不依赖于其它设备独立地接收、发送和处理网络信息。这意味着LonWorks控制网络上的每个设备都可以进行决策和信息处理，而不依赖于计算机、PLC或其它形式的中央处理器。消除中央处理器意味着减少LonWorks控制网络的总成本。由于个别设备的故障并不会影响网络中其它部分的工作，也使得LonWorks控制网络更加可靠，但如果是PLC或中央处理器出现故障就造成控制网络的其它部分不能正常工作。 除上述特点外，LonWorks控制网络在功能上就具备了网络的基本功能，它本身就是一个局域网，和LAN具有很好的互补性，又可方便的实现互联，易于实现更加强大的功能。LonWorks以其独特的技术优势，将计算机技术、网络技术和控制技术融为一体，实现了测控和组网的统一，而其在此基础上开发出的LonWorks/IP功能将进一步使得LonWorks网络与以太网更为方便的互联。2.2神经元（NEURON）芯片 神经元芯片是LonWorks技术的核心器件。它是由美国Echelon公司研制的一种集通信、控制、调度和I/O支持为一体的高级VLSI器件。该器件只授权美国MOTOROLA和日本TOSHIBA公司生产，机构和性能完全一致，其型号前分别加上MC14和TMPN符号。通过对硬件和固件（firmware）的有机集合，芯片可以提供LON网络节点需要的所有关键功能。即处理所有LonTalk通信协议消息、传感信号输入和控制信号输出，存储和安装指定的参数及程序，实现各种应用功能等。 图2-3 Neuron芯片框图注：1MC143150和MC143120DW/B1DW；2MC143120E2；3MC143120；4MC143120DW/B1DW；5MC143150和MC143120E22.2.1神经元芯片的结构和存储器配置 神经元芯片包含3150和3120两大系列，3150芯片支持外部存储器，可进行软件的扩展，使用于大型复杂系统；3120本身为一完整的最小系统，它支持小型应用程序，适用于简单的低成本系统。两种神经元芯片的结构框图和主要硬件资源配置如图2-3和表2-1所示。 表2-1神经元芯片硬件配置比较表特 征MC143150MC143120MC143120E2TMPN3120E2处 理 器 3 3 3 3RAM/B 2048 1024 2048 1024ROM/B 10240 10240 10240EEPROM/B 512 512 2048 102416位定时器/计数器 2 2 2 2外部存储器接口 有 无 无 无封 装 PQFP SOG SOG SOG 管 脚 64 32 32 32 可见，两种神经元芯片的存储器配置是不同的，3120不可外接EPROM，而3150则可以，因此它有外部数据线和地址线及少量控制线的引脚。在两种芯片的EEPROM中存储有网络配置、编址信息以及神经元芯片的唯一48位标识符Neuron ID（由生产厂商写入），另外还有用户应用程序代码和只读数据。在两种芯片的静态RAM中（2K和1K），设有数据堆栈，存储有应用程序和系统数据，并开辟有LonTalk协议中的网络缓冲区和应用缓冲区。2.2.2神经元芯片的处理器 图2-4 神经元芯片处理器功能 神经元芯片内部含有3个8位流水线作业的微处理器（CPU）。神经元芯片内3个处理器功能如图2-4所示。其中，处理器1#为介质访问控制处理器（media access control），它控制LonTalk七层协议中的第一层物理层和第2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#为网络处理器（network），它控制LonTalk七层协议中的第3层到第6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、网络管理和路由寻址等功能。处理器2#通过共享存储器中的网络缓冲区与处理器1#通信，使用应用缓冲区与处理器3#通信。处理器3#为应用处理器（application），它实现网络协议中的第7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Neuron C。处理器3#通过共享存储器中的应用缓冲区与处理器2#通信。除应用层需要用户编写外,其余6层都由固件来完成。用户可以不必关心网络底层的事情，这些都由处理器1#和2#自动完成。2.2.3神经元芯片的I/O功能3120和3150芯片都有11只I/O引脚(IO0IO10)，这些引脚可通过编程设定为各种不同的功能，用户可根据需要灵活地配置，使用起来十分方便。11只引脚可以组成34种不同的I/O功能,它可分为输入、输出和双向三大类别。在IO0IO10的11只引脚中，IO0IO3具有高电流吸收能力（20mA，0.8V），IO4IO7具有片内可选择上拉电阻，所有引脚信号均为带滞后的TTL电平，其中IO0IO7还带有低电平检测锁存器。神经元芯片带有两个片内定时/计数器。图2-4为神经元芯片的定时/计数器外部连接图。定时/计数器1为多路选择定时/计数器（multiplexed timer/counter），它的输入可通过一个多路选择开关，从IO4IO7中选择一个通道，输出为IO0。定时/计数器2为专用定时/计数器（dedicated timer/counter），它的输入是IO4，输出是IO1。每个定时/计数器包括：可以被CPU写入的16位装入寄存器；16位计数器；可以被CPU读出的16位的锁存器。 图2-5神经元芯片定时/计数器外部连接图 2.2.4神经元芯片的通信功能 神经元芯片通过5只引脚（CP0CP4）与各种通信介质接口即网络收发器连接。为适合不同的通信介质可将5个管脚配置为3种不同的接口模式：单端（Single-ended）、差分（Differential）和专用模式（Special Purpose Mode）。在单端模式和差分模式工作时，通信端口使用曼彻斯特（Manchester）差分编码技术对发送和接收的数据进行编码和解码。这种编码在每一位的起始时刻总有一次跳变，而“1”和“0”的差别在于“0”在中间的位置多一次跳变。这种编码方式有利于在接收端从数据流中提取发送端的时钟信息而不需专用时钟线。差分模式主要用于连接带隔离变压器的双绞线网络收发器。单端模式则可用于光纤、同轴电缆或无线射频收发器。专用模式时，CP2和CP4分别输出位和帧的同步信号，可用于和用户设计的智能型网络收发器连接，便于用户任意的构成自己所需要的方式，这样就大大提高了神经元芯片在通信方式上的灵活性。 Neuron芯片可支持多种通信介质。如双绞线、无线、红外、光纤、同轴电缆等。所支持的网络拓扑也各有不同，如图2-5所示。在各种通信介质中，双绞线以其高的性能价格比而应用最为普遍。Echelon公司提供的FTT-10A双绞线变压器耦合收发器支持总线型和自由拓扑型。其抗干扰能力强，可承受持续时间为60s的1000Vrms电压，采用总线拓扑的网络最长可达2000m，采用自由拓扑的网络最长可达500m，满足一般的工业应用，而且组网灵活。LonWorks网络的通信速率根据时钟频率的不同和传输介质的差异而不同，最高可达1.25Mbps，最低可达0.6Kbps。数据传输持续吞吐量为600包/s，在1.25Mbps是最高可达1000包/s。对于差分模式可以有40mA电流输出来驱动双绞线网络，另外可选用冲突检测输入信号以保证通信的可靠性。2.3 Lonworks的收发器和路由器2.3.1 Lonworks的收发器 Lonworks技术的一个重要特征是支持多种通信介质，不同的通信介质，有不同的总线收发器。其中，双绞线收发器和电力线收发器应用广泛，适用于多种应用的设计中。 双绞线是使用最为广泛的一种通信介质，其收发器主要有直流驱动收发器、EIA-485和变压器耦合驱动三种。直流驱动使用神经元芯片的通信端口为收发器，其最大通信速率是1.25Mbps，在该速率下一条通道最多能有64个节点;EIA一485接口就是现场总线中常用的电气接口，LonWorks同样支持该接口，485接口的共模电压比直流驱动好，但不如变压器耦合驱动;而变压器耦合驱动收发器能满足高性能、高共模隔离要求的系统。因此，目前相当多的网络收发器使用变压器祸合方式。 图2-6 TPT/XF-1250双绞收发器与神经元芯片的连接2.3.2 Lonworks的路由器Lonworks技术中一项独特的功能为透明地支持多种传输媒介，而这种多介质的支持是通过路由器来实现的。正是由于采用了路由器，使LON总线突破了传统现场总线的限制，使其通信可以不受通信介质、通信距离和通信速率的限制。基于LNS的网络工具可根据网络拓扑结构自动配置路由器，使得路由器安装十分简便。LonWorks路由器包括以下几种:RTR-10路由器、LonPofnt路由器、MPR-50多端口路由器。 图2-7 RTR-10路由器框图2.4 LONTALK协议 LonWorks技术所使用的通信协议称为LonTalk协议。LonTalk协议遵循由国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互连（OSI）模型。以ISO的术语来说LonTalk协议提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务。除了LonTalk协议以外还没有哪一个协议宣称它能够提供OSI参考模型所定义的全部七层服务,这是技术的先进性之一。也是LonTalk协议区别于其它各种协议的重要特点。表2-2为表LonTalk和OSI的七层协议对比。 LonTalk协议支持以不同通信介质分段的网络。LonTalk协议支持的介质包括双绞线（Twisted Pair）电力线（Power Line）、无线（Radio Frequency）、红外线（Infared）、同轴电缆(Coaxial Cable)和光纤（Fiber Optics）。其他的许多网络只能选用某种专用的介质。而LonWorks网络可以同时使用上述的各种介质,这是技术的先进性之二。 每个节点都需要物理地连接到信道（Channel）上。信道是数据包的物理传输介质。网络由一个或多个信道组成，不同信道通过路由器相互连接。路由器是连接两个信道并控制两个信道之间数据包传送的器件。路由器可以选择安装为四种不同的方法：配置路由器、自学习路由器、桥和重复器。由桥或重复器连接的通道的集合称为段（Segment）。节点可以看见相同段上的其它节点发送的数据包。而智能路由器（指配置路由器和自学习路由器）根据设置决定是否继续向前传送数据包，因此可以用来分离段中的网络交通，从而增加整个系统的容量和可靠性。2.4.1 LonTalk的寻址方式和地址分配 LonTalk地址唯一地确定了LonTalk数据包的源节点和目的节点。同时路由器也使用这些地址来选择如何在两个信道间传输数据包。为了简化路由，LonTalk协议定义了一种使用域（Domain）、子网（Subnet）、节点地址(Node Addresses)的分层式逻辑寻址方式。这种寻址方式可以用来寻址整个区、一个单独的子网、或者一个单独的节点。为了便于进一步对多个分散的节点寻址，LonTalk协议定义了另外一类使用域和组（Group）地址的寻址方式。 使用逻辑寻址同时也简化了在一个功能网络中替换节点的过程。这是因为替换节点被赋予了与被替换节点相同的逻辑地址。因此网络上任何引用这个节点的逻辑地址的应用都不需要加以改变。 图2-8 分层编址示意图 域地址的组成：域是一个或多个信道上节点的逻辑集合。通信只能在配置于同一个域中的节点之间进行。因此域形成了一个虚网络，多个域可以使用相同的信道，所以域可以用来防止不同网络上节点间的互相干扰。域是通过ID来标识的，可以将域ID配置为0,1,3或6个字节，长度为6个字节的域ID可以保证域ID是唯一的。然而6个字节的域ID为每个数据包加了6个字节的开销，使用较短的域ID可以减少这个开销。这可以根据实际需要的不同由系统安装者决定。 子网地址的组成：一个子网是一个域内节点的逻辑集合。一个子网最多可以包括127个节点，在一个域中最多可以定义255个子网，在一个子网内的所有节点必须位于相同的段上，子网不能跨越智能路由器。如果将一个节点配置为属于两个域，那么它必须同时属于两个域上的一个子网。节点地址的组成：子网内的每一个节点被赋予一个在该子网内唯一的节点号。这个节点号为七位，所以每个子网可以有127个节点，这样在一个域中最多可以有32385个节点（255个子网*127节点/子网）。到目前为止这是测控网络能够提供的最大节点数。另外LonTalk还提供了组(Group)地址，组是一个域内的节点的逻辑集合。与子网不同的是组内的节点不在乎它们在域内的物理位置，神经元芯片允许将同一个节点分别配置为属于15个不同的组，对于一对多的网络变量和报文标签的连接组是利用网络宽带的一种有效的方法。组由一个字节的组号来标识，所以一个域最多可以包含256个组。 除了子网/节点地址寻址方式一个节点地址总可以用该节点的Neuron ID加以寻址。Neuron ID是一个48位的在生产该芯片时被赋予的全球唯一的ID号。2.4.2通信服务：效率响应时间和可靠性 在网络的效率响应时间安全和可靠性之间有一些折中方案：使用确（Acknowledged）服务是最可靠的，但是对于较大的组来说却比非确认（Unacknowledged）或非确认重复（Unacknowledged Repeated）服务需要使用更大的网络宽带。具有优先级的数据包能够保证这些数据包被及时传送，但是却损害了其他节点的传送。对一个事物增加证实（Authenticated）服务，虽然增加了安全性，但是完成一个证实事物所需要的数据包多一倍。 选择报文服务：可靠性和效率。协议提供四种基本类型的报文服务：确认、请求/响应（Request/Response）、非确认重复和非确认。最可靠的服务是确认或称之为端-端确认服务，即一个报文被发给一个或一组节点，发送者将等待来自每个接收节点的确认。如果没有接收到来自所有目标的确认，并且发送者的时间已超出，发送者则重试该事务。重试的次数和超时时间都是可选的。确认由网络CPU生成而不介入应用。与之等价的可靠服务是请求/响应，即一个报文被发送给一个或一组节点并等待来自每个接收节点的响应。输入报文由接收端的应用在响应生成之前处理。与确认服务一样重试的次数和超时时间都是可选的。响应中可以包括数据从而使服务适用于远程调用或客户/服务应用。可靠性在以上两种之下的是重复或非确认重复服务，即报文被多次发送给一个或多个节点，但是并不等待接收节点的响应。该服务一般用于向一大组节点广播。可靠性最低的是非确认，即一个报文被发送给一个或一组节点且只被发送一次同时并不期望得到响应。一般用于系统要求有最好的性能，网络带宽受到限制时，网络对报文的丢失不敏感的情况下。2.4.3冲突检测 LonTalk协议使用其独有的冲突避免算法。该算法具有在过载的情况下，信道仍能负载接近其最大能力的通过量，而不是由于过多的冲突而使吞吐量降低。当使用支持硬件冲突检测的通信介质（如双绞线）时，只要收发器检测到冲突的发生，LonTalk协议可以有选择地取消数据包的传输。 MAC子层是OSI参考模型数据层的一部分。在当今的网络中己经有许多不同的MAC算法。这些算法中的一个家族被称为CSMA（载波监听多路访问：Carrier Sense Multiple Access）。LonTalk协议使用的MAC算法属于CSMA家族。但对其进行了扩展,Echelon公司的LonTalk协议使用了一种新的称作Predictive P-Persistent CSMA的CSMA MAC算法。 LonTalk协议保留了CSMA的优点，但是克服了它在控制应用上的缺点。与P-Persidsnt CSMA一样，所有的LonWorks节点对介质的访问都是随机的。当有两个或多个节点同时等待网络空闲以便发送数据包时，这种算法避兔了在其他算法中无法避兔的冲突。在LonTalk协议中节点随机地分布在最小为16个随机糟的不同的延迟水平上。在P-Persistent CSMA中，当节点要发送一个报文时，它以固定的概率P给出随机时间槽的数量。然而LonTalk协议对其作了相应的改善。在LonTalk协议中概率P是根据网络的负载来动态调整的。当网络空闲时，所有节点只随机分布在16个槽上。当估计到网络上的负载增加时，节点将分布在更多的时间槽上。增加的槽的数量由N来决定。这里N的范围是从l到63。Echelon称N为信道上积压工作的估计。它代表下一次要发送数据包的节点数。这种对积压工作的估计和动态调整的介质访问方法，使LonTalk协议在网络负载较轻时，提供较少的时间槽数，在网络负载较重时提供较多的时间槽。从而在负载轻时，使介质访问延迟最小化，而在负载较重时，使冲突的可能最小化。2.5 Neuron2.5.1 Neuron C语言特征Neuron C是专门为神经元芯片设计的编程语言。它是从ANSI C中派生出来的，并对ANSI C进行了增删。对ANSI C的扩展使其直接支持神经元芯片的固化软件，并为分布