现场总线技术-第5讲 lonworks智能控制网络

第五讲 LonWorks智能控制网络,LonkWorks智能控制网络,第 一 部 分 概 述,概述,5.1.1 应用领域,家庭自动化电力基础设施,工业自动化,交通领域,智能建筑,概述,5.1.1 应用实例,LonWorks网络能够改变能源的利用效率 智能建筑实现了10-70%电力节省；路灯系统将用电降低了50%；工业领域用电达到降低20%；家庭控制，通过“睡眠”模式的使用，每年、每个电器可实现至少$30的用电成本节省,概述,5.1.1 应用实例,概述,5.1.1应用实例在智能家庭中的应用,概述,5.1.1应用实例在智能家庭中的应用,概述,5.1.1应用实例在智能建筑中的应用,通常的楼宇系统,概述,5.1.1应用实例在智能建筑中的应用,传统控制/管理模型,概述,5.1.1应用实例在智能建筑中的应用,基于LonWorks的全集成开放系统,概述,5.1.1应用实例在智能建筑中的应用,开放架构=更好的楼宇控制模型,概述,5.1.1应用实例在智能建筑中的应用,多集成的建筑系统,概述,5.1.1应用实例在智能建筑中的应用,概述,5.1.1应用实例在智能小区中的应用,网络结构简单、布线容易、工程施工方便、节省工程安装费用；可灵活选择双绞线、电力线或其它通信媒体，在许多场合可以避免重新布线；容易与其他监控系统，实现系统总集成，使各系统之间按要求实现联动和信息共享；容易与社区管理微机局域网络实现联网和信息共享。,5.1.1应用实例在智能小区中应用的优点,概述,5.1.1应用实例在列车上的应用,概述,5.1.1应用实例在高速铁路道岔监控系统上的应用,概述,5.1.1应用实例在卡车翻车预防系统上的应用,概述,5.1.1应用实例在阿帕奇武装直升机上的应用,概述,5.1.1应用实例在电力系统中的应用,概述,5.1.1应用实例智能小区抄表系统,概述,LonWorks网络,系统连接结构：,5.1.1应用实例智能小区抄表系统,概述,数据采集LonWorks节点：,概述,5.1.2 技术概要简介,Echelon公司于1992年推出LonWorks智能控制网络，其开放式通信协议LonTalk支持OSIRM的所有七层模型，这是LON总线最突出的特点。 LonTalk协议通过神经元芯片(Neuron Chip)上的硬件和固件实现提供介质存取、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。应用程序采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信的设计简化为参数设置，大大缩短了产品开发周期。 高可靠性、安全性、易于实现和互操作性，使得LonWorks产品应用非常广泛。LonWorks网络协议已成为诸多组织、行业的标准。,概述,5.1.2 技术概要特点,开放性：网络协议开放,对任何用户平等；通信介质：包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线、红外等，而且在同一网络中可以有多种通信介质；互操作性：符合ISO/OSI模型，可以实现产品间的互操作；网络结构：可以是主从式，对等式或客户/服务器式结构；网络拓扑：有星形、总线形、环形和自由形；,概述,5.1.2 技术概要特点,网络通信采用面向对象的设计方法。LonWorks网络技术称之为“网络变量”，它使网络通信的设计简化为参数设置，增加了通信的可靠性；通信速率可达1.25Mbps，此时有效距离为130m；LonWorks网络控制技术在一个测控网络上的节点数可达32000个；提供强有力的开发工具平台：LonBuilder和NodeBuilder；核心元件为Neuron芯片,概述,5.1.2 技术概要组成,网络协议（LonTalk）；网络传输介质；网络设备，包括智能测控单元、路由器、网关等；执行机构，如传感器，变送器等；管理软件。,Lonworks控制网络结构包括5个部分：,LonkWorks智能控制网络,第 二 部 分 神经元芯片,神经元芯片,5.2.1 概述容易混淆的概念,神经元芯片,神经元芯片,5.2.1 概述引脚图,CLK1: 连接振荡器或外部时钟输入； CLK2: 连接振荡器； RESET:复位引脚(低态有效)； SERVICE: 服务引脚，工作期间指示灯输出； IO0-IO3: 通用I/O端口； IO4-IO7: 通用I/O端口； IO8-IO10: 通用I/O端口； D0-D7: 数据总线； R/W: 读写控制； E: 控制内存扩充端； A15-A0: 地址总线； Vdd: 电源+； Vss: 电源地； CP0-CP4: 双向通信端口,神经元芯片,5.2.1 概述内部结构,主要性能特点 ： 高度集成 、所需外部器件较少； 内有三个CPU； 11个可编程I/O口引脚可设置为34种预编程工作方式； 2个16位定时器/计数器，15个软定时器； 5个网络通信端口； 网络通信端口可设置为单端、差分、专用工作方式； 提供用于远程识别和诊断的服务引脚； 48位的内部Neuron ID，用于惟一识别Neuron芯片。,概述,5.2.2 神经元芯片TMP3150B1AFCPU结构,分为 MAC处理器、网络处理器和应用处理器,MAC处理器完成介质访问控制，处于OSI第1、2层，包括驱动通信子系统硬件和执行MAC算法；网络处理器完成LonTalk协议第3-6层，包括处理网络变量、寻址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等；应用处理器完成用户的编程，包括用户编写的代码以及用户程序对操作系统的服务调用等。,MAC：Media Access Control,神经元芯片,5.2.2 神经元芯片TMP3150B1AF休眠,休眠 / 唤醒电路,Neuro芯片在软件控制下可进入低功耗的休眠状态。在此状态下，振荡器、系统时钟、通信端口以及所有的定时器/计数器都关闭，但所有的状态信息包括片上RAM的内容仍然保留； 当芯片检测到唤醒事件时，Neuron芯片将允许振荡器起振并等待进入稳定状态，完成内部维护后恢复操作。,看门狗定时器,Neuro芯片有三个看门狗定时器，每个CPU一个，用途是防止存储器故障或软件出错； 当Neuro芯片处在休眠状态时，所有的看门狗定时器都将关闭。,神经元芯片,5.2.2 神经元芯片TMP3150B1AF复位,复位引脚有效的办法,外部信号驱动产生低电平输出（Vdd加电、电源抖动、Vdd掉电）； 内部控制产生低电平输出（软件复位、看门狗定时器溢出、低电压检测）。,复位作用,Vdd加电时确保Neuron芯片完成初始化； Vdd电源抖动时确保电源稳定后Neuron芯片的恢复； 对程序出错（如跑飞或死循环）时确保程序的恢复； Vdd掉电时确保正常关机。,振荡器起振； 振荡器稳定； 栈初始化及自检测； 服务引脚初始化； 状态初始化； 片外RAM初始化； 系统RAM设置； 通信端口初始化； 校验和初始化； 秒定时器初始化； 调度初始化。,复位处理,神经元芯片,5.2.2 神经元芯片TMP3150B1AF复位,复位电路,电源低电压检测MC34064,神经元芯片,5.2.2 神经元芯片TMP3150B1AF复位,复位电路,MAX707,MR：人工复位输出； Vcc：电源GND：参考地PFI：电源失压检测输入，当PFI 80dB。在一条低噪声的传输线上收发器可以接收衰减达10000的信号。,神经元芯片,5.2.4 神经元芯片PLT-22电力线收发器,内部结构框图,RXCOMP: 接收补偿连接端RXIN: 从耦合电路接收输入信号TXOUT: 发送信号到耦合电路TXLVL: 输出载波幅度控制端，GND:7Vp-p,OPEN:3V,神经元芯片,5.2.4 神经元芯片PLT-22电力线收发器,TMPN3150和PLT-22连接图,神经元芯片,5.2.4 神经元芯片PLT-22电力线收发器,耦合电路,基本耦合电路,隔离耦合电路,神经元芯片,5.2.4 神经元芯片PLT-22电力线收发器,耦合电路,电力线智能收发器,神经元芯片,5.2.4 神经元芯片收发器实物,LonkWorks智能控制网络,第 三 部 分 神经元芯片应用I/O,神经元芯片,5.3 神经元芯片应用IO,通过11个引脚（IO0-IO10）连接到特定应用外部电路，引脚IO4-IO7具有可编程的上拉电阻，引脚IO0-IO3具有大电流（20mA）输出能力；使用Neuron C编程工具，通过io_in()和io_out()调用实现对I/O的操作；具有34种可选的工作方式。,神经元芯片,5.3 神经元芯片应用IO,直接I/O对象 位(bit)输入、位输出、字节(B)输入、字节(B)输出、电平检测(leveldetect)输入、半字节(nibble)输入、半字节(nibble)输出；并行双向I/O对象 多总线(Muxbus)I/O、并行(parallel)I/O；串行I/O对象 位移(bitshift)I/O、I2C、磁卡(magcard)输入、磁迹1(magtrack1)输入、半双工异步串行(serial)输入、半双工异步串行(serial)输出、Dallas接触(Touch)I/O、Wiegand输入、全双工同步串行(Neurowire)I/O,神经元芯片,5.3 神经元芯片应用IO,定时器/计数器输入/输出对象 双斜率(dualslope)输入、边沿记录(edgelog)输入、红外(infrared)输入、定期(Ontime)输入、周期(period)输入、脉冲计数(pulsecount)输入、正交(quadrature)输入、总数(Totalcount)输入; 分频(Edgedivide)输出、频率(frequency)输出、单步(Oneshot)输出、脉冲计数(Plusecount)输出、脉宽(pulsewidth)输出、可控硅(Triac)输出、触发计数(Triggeredcount)输出。,神经元芯片,5.3 神经元芯片应用IO,IO0IO10中的每个引脚均可配置成单个的位输入或输出端口 。位输入输出用于读或控制单个引脚的逻辑状态，0相当于低电位，而1相当于高电位。,Neuron C:Pin input bit io-object-namePin output bit io-object-name=initial-output-level#pragma enable_io_pullupsIv=io_in(io-object-name)Io_out(io-object-name,value),位输入/输出,神经元芯片,5.3 神经元芯片应用IO,字节输入输出,Neuron C:IO_0 input byte io-object-nameIO_0 output byte io-object-name=initial-output-level,I00I07允许配置为字节输入或输出端口，该IO对象类型用于同时读取或控制8个引脚。,神经元芯片,5.3 神经元芯片应用IO,电平检测输入,IO0IO7可分别配置为电平检测输入端口,用于检测某一个输入引脚上输入的逻辑电平“0”。,Pin input leveldetect io-object-name,电平检测输入对象能够在输入端被采样之前将输入值锁存,神经元芯片,5.3 神经元芯片应用IO,半字节输入输出,IO0IO7中任意4个相邻的引脚均可配置为Nibble(半字节)输入或输出端口,Neuron C:pin input nibble io-object-namePin output nibble io-object-name=initial-output-levelInput-value=io_in(io-object-name)Io_out(io-object-name,output-value),神经元芯片,5.3 神经元芯片应用IO,串行I/O对象,LonkWorks智能控制网络,第 四 部 分 网络组成,网络组成,5.4.1 LonWorks智能控制网络结构,网络组成,5.4.1 LonWorks智能控制网络结构,网络协议（LonTalk） 网络传输介质，包括电力线、双绞线、光纤等； 网络设备，如智能测控节点、路由器和网关等； 执行机构包括传感器、变送器等； 管理软件包括LonTalk开放式通信协议，并为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。,网络组成,5.4.1 LonWorks智能控制网络结构,指同物理上与之相连的I/O设备进行控制或信息交换并且在LON网络上使用LonTalk协议与其它节点相互通信的一类对象。,LON节点有两种类型： 一种节点中Neuron芯片是惟一的处理器，适合IO设备较简单、处理任务不复杂的系统，称之为基于Neuron芯片的节点。 另一种节点中Neuron芯片仅仅作为通信协处器，充当着LON网的网络接口，节点应用程序则由主处理器执行。这类节点适合于对处理能力、输入输出能力要求较高的系统，称之为基于主机的节点,LonWorks节点,网络组成,5.4.1 LonWorks智能控制网络结构,路由器,路由器是LonWorks技术的一个主要部分，用来连接不同通信介质的LON网络。LonWorks技术中，路由器包括以下几种：中继器、桥接器和路由器。路由器除连接不同媒介的LON网络外还能控制网络交通，增加信息通量和网络速度,网络组成,5.4.1 LonWorks智能控制网络结构,网络协议,设备间的信息传递需要以一系列的规则和进程的形式加以组织。这些规则和进程称为通信协议，通常简称协议。协议定义了设备间传递的信息格式，并且定义了一个设备对另一设备在发送信息时所期望对方采取的操作。 协议通常采用嵌入软件形式并驻留在设备内。或通过网络管理工具下载到设备中。LonWorks技术采用LonTalk协议 。,网络组成,5.4.1 LonWorks智能控制网络结构,网络管理工具的主要功能,网络安装：可通过按钮或手动的方式设定设备的地址，然后将网络变量互联起来，并且可以设置四种报文方式：发送无响应、重复发送、应答和请求响应。 网络维护：要是在系统正常运行情况下，增加删除设备以改变网络变量和显式报文的内 部连接。网络维护还是一个错误设备的检测和替换的过程。 网络监控：应用设备只能得到本地的网络传送给它的数据，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。,网络组成,5.4.2 LonWorks的技术支持,LonWorks技术的目标是提供建造开放控制系统所需的便捷、具有优良性价比的开发平台。该平台提供一套完整的设计、创建和安装智能控制设备的工具。Lonworks技术的关键部件包括：,神经芯片 神经芯片应用程序 收发器 LonWorks节点 路由器 开发工具 网络适配器 网络操作系统,LonkWorks智能控制网络,第 五 部 分 LonTalk通信协议与LonMark对象,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.5.1 LonTalk协议介绍,1、LonTalk 协议采用分级编码方式，即域(Domain)、子网(Subnet)、节点(node),2、LonTalk 协议支持多种通讯介质，即双绞线、同轴电缆、电力线、无线、红外线、光纤,3、符合LonTalk 协议的各网络节点互操作性强，可以彼此直接传输信号，完成控制动作,4、符合LonTalk 协议的各网络节点一般是短帧传播，响应时间快，通信安全可靠,LonTalk协议特点,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.5.2 LonTalk协议提供的服务,概述,5.5.3 LonTalk协议提供的服务,物理信道管理：管理物理信道以适应多种传输介质LonTalk协议的命名机制和寻址方式 域地址、子网地址、节点地址、组地址、芯片地址(Neuron ID)网络管理与网络设备LonTalk提供的通信服务LonTalk协议中的定时器网络接口数据表示,概述,5.5.3 LonTalk协议提供的服务,数据包,概述,5.5.3 LonTalk协议提供的服务,神经芯片命名：神经芯片具有一个特有的48位标识(Neuron ID)，Neuron ID由芯片生产厂家惟一确定，并且终生不变。地址：是一个对象或一组对象的特有标识，地址是可以改变的。LonTalk地址惟一地确定一个LonTalk数据包的源节点或目标节点。寻址方式 ：该方式由域地址、子网地址和节点地址等方式组成。寻址格式 ：有五种寻址方式,LonTalk协议的命名机制和寻址方式,概述,5.5.3 LonTalk协议提供的服务,网络管理 ：一个LonWorks网络是否需要一个网络管理节点，取决于实际应用的需求。路由器：一个路由器连接两个信道并且在信道间转发数据包，路由器 可由中继器 、网桥 、学习路由器或配置路由器中任一算法配置,网络管理与网络设备,概述,5.5.3 LonTalk协议提供的服务,网络效率：网络的响应时间、安全性和可靠性是相互关联的 。LonTalk报文服务：确认服务 、请求/应答服务 、 非确认重发服务和非确认服务 冲突检测 ：LonTalk协议的冲突退避的算法是特有的，称为预测P-坚持CSMA，它在保留CSMA优点的同时，克服了其缺点，保证在过载情况下不会因为冲突而降低吞吐量。报文认证 ： LonTalk协议支持报文认证服务，即允许报文的接收者确定报文的发送方是否有权发送,LonTalk提供的通信服务,概述,5.5.3 LonTalk协议提供的服务,使用LonTalk协议服务之前，需正确设置以下几个定时器：事务定时器；重发定时器；组接收定时器；非组接收定时器；缓冲器释放定时器。,LonTalk协议中的定时器,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.5.4 MAC层协议,数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制LLC介质访问控制MAC,MAC层应用最广泛协议：载波多路监听（CSMA）,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.5.4 MAC层协议可预测P-坚持CSMA,Predictive P-Presistent CSMA,工作原理,每个节点发送前随机插入0-W个很小的时间片；,W根据网络积压参数变化进行调整：W=BL*Wbase，Wbase16 ；,BL为网络积压估计值，是对当前发送周期有多少个节点需要发送报文的估计。,Beta1：空闲时间周期Beta11bit+物理延时+MAC响应时间Beta2：随机时间周期Beta22bit物理延时+MAC响应时间,工作过程,节点欲占用通道发送信息时，先在Beta1周期检测通道有无信息发送，以确定网络空闲；,若空闲，节点产生一个随机等待T，T为0-W时间片中的一个。延时结束时节点发送报文；,否则节点检测有否信息发送和接收信息，然后再重复MAC算法；,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.5.4 MAC层协议可预测P-坚持CSMA实现,网络积压估计值BL的计算,通过对网络负载的预测，在网络轻载时，给网上节点分配数目较少的随机时隙以减少节点媒介访问延时；在网络重载时，在网上节点分配数目较多的随机时隙以减少各节点因同时发送消息带来的冲突。,每个节点都有一个BL值；,某个要发送消息的节点在它发送的消息包中插入将要应答该消息的接收节点的数目；,所有收到该消息包的节点的BL值通过加上该应答数使自身的BL值更新；,每个节点在消息包发送结束时，BL值自动减1。,由此实现了每个节点都能动态地预测在某一时刻有多少节点要发送消息包。,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.5.4 MAC层协议优先级带预测的P-坚持CSMA,实验表明，36个LonWorks节点互联，采用一般的P-坚持算法，当每秒要传输的报文达500-1000包时，碰撞率由10%上升到54%，而采用预测P-坚持算法在500以下时碰撞率很低，在500-1000包时，碰撞率稳定在10%，但预测P-坚持CSMA算法不能避免冲突，只能降低冲突至最小。,在MAC层中，为提高紧急事件的响应时间，提供一个可选择优先级的机制。,提高实时性：加入优先级,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.5.4 MAC层协议优先级带预测的P-坚持CSMA,工作过程,允许用户为每个需要优先级的节点分配一个特定的优先级时间片，在数据发送过程中，优先级数据报文将在该时间片里将报文发送出去；,优先级时间片从0-127，0表示不需要等待立即发送，1表示等待一个时间片 ，低优先级的节点需要等待较多的时间片，高优先级的节点需等待较少的时间片；,时间片加在P-概率时间片之前（即节点的随机等待时间T之前）；,非优先级的节点必须等待优先级时间片都完成后，再等待P-概率时间片后发送，高优先级的节点需等待较少的时间片。,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.5.5 LonTalk协议的链路层及网络层,LonTalk协议链路层提供在子网内，链路层协议数据单元(LPDU)帧顺序的无响应传输。它提供错误检测能力，但不提供恢复错误的能力。当一帧数据CRC校验错，该帧被丢掉。 在直接互联模式下物理层和链路层接口的编码方案是曼彻斯特编码，在专用模式下根据同的电气接口采用不同的编码方案。CRC校验码加在NPDU(网络层数据单元)帧的最后。,链路层,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.5.6 LonTalk协议的链路层及网络层,网络层,LonTalk协议在网络层给用户提供一个简单的通信接口 。LonTalk协议定义了一种分层编址方法域(domain)地址子网 (subnet)地址节点地址 组(Group)地址 神经芯片标识,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.5.7 LonTalk高层协议,传输层：管理着报文执行的顺序和报文的二次检测会话层：主要提供了请求响应的机制表示层和应用层提供以下5类服务:网络变量服务显式报文的服务 网络管理的服务 网络跟踪服务 通信服务,LonkWorks智能控制网络,第 六 部 分 Neuron C 面向对象的编程语言,LonTalk通信协议与LonMark对象,5.6.1 Neuron C 概述,Neuron C是专门为Neuron芯片设计的编程语言，它是以ANSI C为基础的扩展开发工具。具有将IO对象直接映射到处理器的IO能力。加入when语句：引入事件并定义这些事件的临时排序。引入了许多更具有针对性的变量类型。定义了新的存储类型，可以更加直接地访问存储空间，加强了对数据的保护。除了像ANSI C一样定义变量之外，Neuron C还附加了更有针对性的对象定义，使对象的使用如同变量一样。,LonTalk通信协议与LonMar