第五章Lonworks总线PPT课件

.,1,第五章LonWorks智能控制网络,长安大学,.,2,5.1LonWorks概述5.2神经元芯片5.3LonWorks智能网络的组成5.4基于控制模块的LonWorks应用节点的开发,本章主要内容,.,3,本章要求,熟悉LonWorks总线协议熟悉一种神经元芯片掌握LonWorks的控制模块的开发熟悉Nodebuilder开发工具,.,4,5.1LonWorks概述,5.1.1LonWorks(LocalOperatingNetworks)总线LonWorks是美国Echelon公司1992年推出的局部操作网络，最初主要用于楼宇自动化，但很快发展到工业现场网。LonWorks技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。LonTalk协议支持OSI的所有七层模型，这是LonWorks总线的最突出特点。,.,5,通信协议LonTalk网络拓扑结构通信介质应用程序,小结LonWorks技术开始从工业自动化发展应用于智能建筑，它的开放性、互操作性、高可靠性、无中心检测等突出优点，已被世人公认，是当今智能建筑控制系统的主流技术，其正在不断的发展中完善。LONWORKS技术，除了总线式网络结构之外，用户还可以选用任意形式的网络拓朴结构。网络通信介质也不受限制，可以是双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等并可在同一网络中混合使用。,.,6,5.1.2LONWORKSNETWORKS的技术特点,开放性；通信介质；互操作性；强有力的开发工具；LONWORKS技术的基本元件-NEURON芯片；,.,7,改善了CSMA；网络通信采用了面向对象的设计方法；LONWORKS技术通信的速度可达1.25MBps；LONWORKS技术一个监控网络上的节点数可以达到32000个；LONWORKS技术的直接通信距离可以达到2700m；,.,8,LONWORKS技术包括以下几个组成部分,LonWorks节点和路由器LonTalk协议LonWorks收发器LonWorks网络和节点开发工具,.,9,5.1.3应用领域,由于LonWorks总线的具有高可靠性、安全性、易于实现和互操作性，使得其在过程控制、电梯控制、能源管理、环境监测、污水处理、火灾报警、采暖通风和空调控制、交通管理、家庭网络自动化（Homeautomation）等有广泛的应用。,.,10,图5.1LonWorks在配置,.,11,图5.2工业中LonWorks的应用,.,12,5.2神经元芯片,LonWorks技术具有一个完整的开发系统平台，包含着所有设计、配置和支持控制的元素。LonWorks技术组成包括：硬件部分和神经元（NEURON）芯片软件部分的通信协议LonTalk。,.,13,（一）神经元芯片概述,LONWORKS技术的核心元件-NEURON芯片。主要有两大系列：3120和3150。,主要厂商：Motorla、Toshiba、Cypress。,.,14,TMPN3150芯片引脚,引脚介绍：CLK1、CLK2/RESET/SERVICEIO0-IO10D0-D7R/W/EA15-A0VDDVSSNCCP0CP4,图5.3TMPN3150芯片引脚,.,15,功能介绍,（1）I/O功能（IO0-IO10）11个可编程I/O引脚；内置两个可编程16位定时器/计数器；I/O引脚可组合成34种不同输入/输出功能；ROM固件镜象包含预先编置好的I/O驱动，大大地简化了应用程序。,.,16,(2)网络功能,内置两个CPU处理通信协议；配备有用于固化的LonTalk协议，它支持ISO提出的OSI参考模型的完整的七层协议；高可靠的通信协议以固件方式提供；改进的普通方式的双绞线收发器，并具有驱动电流的能力；配置支持不同类型的外接收发器的通信方式和通信速度。支持双绞线、电力线、无线电、红外线、同轴电缆以及光纤；存储在EEPROM内的通信端口收发方式和逻辑地址，可通过网络修改。,.,17,(3)其他功能,应用程序同样存储在EEPROM内。可以通过网络下载更新。EEPROM可以外加扩充。内置看门狗定时器。每个芯片拥有唯一的ID号，用于在网络中逻辑识别。休眠工作方式下低电力消耗。内置低电压检测电路，防止掉电时误操作和对EEPROM的写错误。采用QFP642P2141420.80A封装。,.,18,二、CPU结构,TMPN3150芯片中有三个8位的CPU，分别为：CPU-1为介质访问控制处理器；CPU-2为网络处理器；CPU-3为应用处理器。,.,19,表5.1LonTalk与OSI层次比较,.,20,三、存储器,TMPN3120片内无ROM，寻址空间64K，映像如图。,.,21,TMPN3150片内无ROM，寻址空间64K，映像如图。,.,22,图5.6ConnectingtheTMPN3150toanEPROM,.,23,表5.2TMPN3150ExternalMemoryInterfacePins,.,24,在某些复杂的应用程序中，处理器速度或神经元芯片系列中最大存储器可能不足以完成要求的LONWORKS设备的功能。为了能容纳这些应用程序，神经元芯片设有一个高速并行接口，让任何微处理器执行应用程序同时使用带有特殊微处理器接口应用程序（称为网络接口或MIP应用程序）的神经元芯片作为它的网络通信处理器。,.,25,图5.7TMPN3150扩展EPROM,.,26,四、时钟信号,时钟频率：625KHZ10MHZ有效地输入时钟频率：10MHZ、5MHZ、2.5MHZ、1.25MHZ和625KHZ。,.,27,图5.8外部时钟产生电路，及元器件的参数,.,28,5、休眠/唤醒电路休眠电路唤醒电路6、WatchDog定时器7、复位电路外部信号驱动产生低电平输出内部控制产生低电平输出8、定时器/计数器,.,29,神经元应用程序编程,神经元芯片的应用程序以“NueronC”语言编写。一旦编写完成，NueronC代码就以神经元能理解的0和1编译，存储在芯片中的或连接到芯片的存储器上。NueronC以ANSIC为基础，但有下述三个重要的扩展：一种全新的语句类型，即“when”语句，介绍“event”并定义任务执行顺序。37种增添的数据类型、35个I/O对象和2个定时器对象以简化和标准化设备控制使用。网络变量和其他类型报文的集成报文传输机制。,.,30,5.2.2网络通信端口,可将5个通信端口引脚配置为三种不同的接口模式：单端模式、差分模式和专用模式。,.,31,典型收发器类型,.,32,5.2.3收发器,每个网络设备都包含一个收发器。收发器提供LONWORKS设备和LONWORKS设备以及LONWORKS网络之间的物理通信接口。收发器简化了互可操作的LONWORKS设备的部署，可用于各种通信介质和拓扑结构。每个连接到网络上的设备通常以合适的机械封装包含一个神经元芯片和一个收发器。根据设备的不同功能也可以有嵌入式传感器和执行器，对外部传统传感器和执行器的输入输出接口，对主机例如PC的接口、对另一神经元和路由器中的收发器的接口。由神经元执行的应用程序实现设备的个性化功能；它可以存储在ROM（只读存储器），也可以通过网络下载到非易失性的读写存储器（NVRAM、FlashPROM或者EEPROM）,.,33,一个典型LONWORKS设备的组成,.,34,最通用的收发器。有三种基本类型：直接驱动、RS-485、变压器耦合接口。特点：使用Neurons内部收发器、具有二极管限流和ESD保护。传输速率达1.25Mbit/s，传输距离：30米。,.,35,（1）直接驱动,.,36,（2）RS-485,.,37,（3）变压器耦合接口,.,38,2、电力线智能收发器,.,39,PL3120和PL3150介绍,PL3120和PL3150电力线智能是一种低功耗的收发器。很宽的供电范围和低的接收电源消耗允许使用低成本电源。另外，智能电力线收发器内含电源管理特性，可以经常的监测设备的电源状况。如果在发送期间，电源电压降到一个不足以确保可靠的信号传输水平时，收发器停止信号发送直到电压恢复到可以工作的水平。PL3120和PL3150电力线智能收发器提供12个I/O管脚可以配置用于一种或多达38种预定义标准输入/输出模式。智能收发器的另一个特性是支持全双工硬件UART，波特率可达115kbps，和一个SPI接口，速率可达625kbps。,.,40,PL3120和PL3150电力线智能收发器符合FCC、加拿大工业、日本MPT和欧洲CENELECEN50065-1规范，所以能够在世界范围内使用。CENELEC通信协议通过智能收发器自动管理，避免了用户在CENELECEN50065-1下开发复杂的同步和访问算法的需求。另外，该智能收发器可以在CENELEC公用频段（A波段）或者通常的信号发送波段（C波段）应用中使用，避免了为适用不同的应用而库存很多元件的情况发生。,.,41,LONWORKS协议的相关重要内容,1、信道类型LONWORKS协议不依赖介质，所以LONWORKS设备能在任何物理传输介质上通信。这使得网络设计者能够充分利用控制网上各种可用的信道。协议还提供一些可修改的配置参数，以便为某一特殊的应用在性能、安全和可靠性等各方面取得折衷。信道是特定的物理通信介质，LONWORKS设备通过专用于该信道的收发器与其连接。每种信道在所连接设备的最大数量、通信比特率和物理距离限值等各方面有不同的特点,.,42,2、介质访问,所有网络协议都使用介质访问控制（MAC）算法让设备能决定何时能安全地发送一个数据包。MAC算法设计用于消除冲突或使其最小化。当两个或更多的设备在同一时间试图发送数据时，就发生冲突。消除冲突的MAC算法通常用于小型的网络，因为这些算法在规模上和大型网络不相称。LONWORKS协议采用叫做predictivep-persistentCSMA协议（载波监听多路访问）的独特的介质访问控制（MAC）算法，它甚至在网络过载期间也有极好的性能特点。LONWORKSMAC算法使信道能以最少的冲突运行其全部容量。,.,43,3、寻址,寻址算法定义数据包怎样通过路由选择从源设备传输到一个或多个目的设备。数据包可以发送到单一设备，到任何一组设备，或到所有设备。为了支持从两个设备到成千上万设备组成的网络，LONWORKS协议支持几种类型的地址，从简单的物理地址到指定许多设备集合的地址。,.,44,LONWORKS地址类型,物理地址。每个LONWORKS设备包括一个叫做NeuronID（神经元ID）的唯一的48位标识符。神经元ID通常在设备制造时分配，在设备整个工作生命周期不会不改变。设备地址。LONWORKS设备安装到某个网络中时，就会分配到一个地址。设备地址用来代替物理地址，因为它们支持效率更高的报文路由选择；简化失效设备的更换。设备地址由三部分组成：domainID（域ID）、subnetID（子网ID）和nodeID（节点ID）,.,45,组地址一个“group（组）”是一个域内的设备的逻辑集合。与子网不同，设备可以集合成组而不问其在域中的物理位置。当使用不确认的报文发送时，一个组成可以有任意数量的设备；假如使用确认的报文发送，一个组内的设备限定为最多64个。对于发送到多个设备的数据包，组是优化网络带宽的有效方法。一个域中可以有256以下的组。广播地址。广播地址标识子网中的所有设备，或域内的所有设备。广播地址是跟许多设备通信的有效方法，有时也用于代替组地址以保存有限数量的可用的组地址。,.,46,4、报文服务,LONWORKS协议提供三个基本类型的报文发送服务并支持鉴别的报文。优化的网络常常要使用所有这些服务。这些服务使设计人员能在可靠性、效率和安全之间取得折衷。,.,47,确认报文发送服务重复报文发送服务不确认报文发送服务鉴别服务方式,.,48,5、网络变量（NetworkVariable）,LONWORKS协议推行网络变量新概念。所谓网络变量是指一个特定的设备应用程序期望从网上其他设备获得的（输入网络变量）或期望向网上其他设备提供的（输出网络变量）任何数据项（温度、开关值或执行器位置设定等）。每个网络变量具有类型，它定义包含在网络变量内的数据的单位、比例和结构。只有相同类型的网络变量才能连接。这可以防止发生通常的安装错误，,.,49,网络变量绑定,虚拟线路用网络工具建立和改变不需要对设备重新编程就能够改变增加、删除和改变非常容易,.,50,6、LONWORKS协议标准,直到几年前，LONWORKS协议还只是嵌在神经元芯片中供应。这保证了所有制造商的一致应用。现在，大量遵守该协议的设备已经安装在世界各地，埃施朗公司也已发布了LONWORKS协议并使其成为ANSI/EIA709.1控制联网标准下的一个开放式标准。,.,51,7、网络接口、网关和互联网服务器,网络接口并不连接到控制传感器和执行器，而具有对PC之类的外部主机或便携式维护工具的多个物理接口。设备应用程序提供通信协议，让基于主机的程序例如网络工具能访问LONWORKS网。埃施朗公司的PCLTA-21PCLONWORKS网络适配器是封装在标准PCPCI适配器卡上的网络接口设备。它插入PC内部的PCI总线，允许如LonMaker之类的网络工具访问网络。,.,52,8、i.LON100e2互联网服务器,i.LON100e2互联网服务器连接LONWORKS网络适用于各种类型的楼宇、工业、交通运输、公共事业和家庭自动化应用的标准自动化平台以及其他控制系统到公共IP网络或者互联网。i.LON100e2互联网服务器能够使得很多现有的、采用WebServices机制的企业级软件应用远程监视和控制自动化系统和设备，从而这些公司能够把实时数据关联到他们的商业管理系统中。,.,53,9、网络操作系统,网络操作系统（NOS）提供支持监测、控制、安装和配置的一套公共的全网范围的服务。NOS还提供编程扩展，以方便网络管理和维护工具的使用。LONWORKS网络操作系统还必须额外提供用于HMI和SCADA应用软件的数据访问服务以及通过LONWORKS或IP网的远程访问。为了在网络工具和应用软件间提供互可操作性，LONWORKS系统包含一个叫做LNS网络操作系统的NOS。LNS提供一个标准平台，支持LONWORKS网络上的互可操作应用。LNS是一个基础结构，提供互可操作LONWORKS网络工具和应用程序的基础，它们是一些用于设计、配置、安装、操作和维护LONWORKS系统的产品。LNS支持基于任何平台的客户端，而服务器则以Windows2000、WindowsServer2003和WindowsXP为基础。,.,54,.,55,路灯系统中间管理单元连接示意图,.,56,5.3NodeBuilder开发工具,埃施朗公司的NodeBuilder开发工具为设备制造商设计和测试LONWORKS网络中的单个设备提供一个简单而又廉价的手段。NodeBuilder工具包括一套完整的、用于Windows的设备开发软件，和能用作样机设计和测试的硬件平台。NodeBuilder软件是为开发基于神经元芯片或者埃施朗公司智能收发器的LONWORKS设备提供软件工具。这个适用于MicrosoftWindows的、易于使用的集成软件包括以下工具：,.,57,NodeBuilder资源编辑器这是一个用于察看标准类型和功能属性，并能够定义客户自定义类型和功能属性的工具。类型存储在LONMARK资源文件中，能够被资源编辑器、代码向导工具、NeuronC编译器、LonMaker工具和Plug-in插件程序向导工具所使用。这确保了所有工具对类型和属性的统一识别，减少了开发时间。,.,58,NodeBuilder代码向导工具这是一个用于定义设备的网络接口的工具，它可以使用一个简单的拖放编辑器，然后自动地生成实现设备接口的NeuronC代码。代码向导工具还可以为每个新的设备节省开发时间。,.,59,NodeBuilder项目管理工具这是一个为项目编辑资源代码的工具；它可以用于编译、建立和下载应用程序映像文件到LTM-10A平台或者客户自定义硬件；还可以调试运行在LTM-10A平台或用户硬件的应用程序。当被用来调试时，在它执行过程中项目管理工具提供一个NeuronC源代码级别的应用程序视图，减少了在源代码中确定问题的时间。,.,60,LNS设备Plug-in插件程序向导工具这个工具用于自动地生成一个VB应用程序，它可以很容易的配置使用NodeBuilder工具开发的设备。Plug-in向导工具为每一个新的设备节省大量的开发时间。NodeBuilder的工具包括必要的开发、测试、制造LNSPlug-in插件程序的LNS组件在内。LNS是用于LONWORKS网络的标准网络操作系统。,.,61,MiniEVK评估套件,埃施朗公司的MiniEVK评估套件是一种功能强大的、低成本的工具，既可用来评估LONWORKS技术，又可用来开发LONWORKS控制网络的设备。MiniEVK将配置灵活的硬件平台和示例NeuronC程序以及NeuronC编译器有机地结合在一起。用户可以在几分钟之内，就可以搭建一个实用的双绞线或电力线的控制网络的实验环境，继而可以编写、编译和下载自己设计的新应用程序。,.,62,MiniEVK的组成,MiniEVK由四个硬件部分组成：评估板，输入/输出(I/O)板，供电电源和USB网络接口卡。评估板有双绞线型号和电力线型号两种。板上还提供有用于设备原型器件试验的空间。每一个套件中包括两个评估板，一个是基于Neuron3120核心的智能收发器，片上包括Flash存储器、RAM、收发器和三个8位的CPU；一个是基于Neuron3150核心的智能收发器，支持外部存储器扩展，配置有64K字节的外部Flash存储器。,.,63,LonMakerforWindows集成工具,LonMakerforWindows集成工具是用于设计、文献编制、安装和维护来自多厂商的、开放式的、互可操作的LONWORKS网络的软件包。它以LNS网络操作系统为基础，LonMaker集成工具把强大的客户/服务器体系结构和易于使用的Visio用户界面集成在一起。其结果是一个相当精巧的工具，可用来设计和启动一个分布式控制网络，而又经济地可以用作一个网络操作和维护的工具。LonMaker集成工具对LONMARK设备以及其他LONWORKS设备提供全面的支持。它充分利用LONMARK的特点，例如LONMARK功能简表在LonMaker图形中以功能块形式显示，使其更便于将控制系统的逻辑形象化和编制文件。LonMaker工具既能输入也能输出Auto-CAD文档，并生成实际配置状况的文档。还可以使用集成报告生成程序和材料清单生成程序来生成网络配置的详细报告。,.,64,LonScanner协议分析软件,LonScanner协议分析软件为LONWORKS产品制造商、系统集成商和最终用户提供一个简单易用的、基于Windows操作环境的工具，使得用户可以观察、分析和诊断所安装的LONWORKS网络的行为。这个工具所提供的先进的能力在数据网络分析中起到重要的作用，适合控制网络的独特需求。,.,65,5.3开放系统的设计,下图展示了这种方法的逻辑概念。物理实施可以包括网络主干和路由器，这是调节通信量和提供所需效率必需的。但是，最重要一点是在图顶端的工作站要能访问任何设备中任何点而无需经过专用网关。,.,66,在设计控制系统时应考虑的因素,使用现有的通信基础结构。有许多光缆、同轴电缆、双绞线穿过楼房时，就有最好的机会。通常只有带宽的一小部分被使用。增加距离和输送。IP网络现已覆盖全球。它们设计用于提供长距离通信。人们可以设计独立的广域LONWORKS系统把信息从波士顿输送到孟加拉国，但这不大可能有成本效应。为什么不充分利用现有网络呢？利用现有的有组织的数据传输机制。控制网上的数字就是数据。但人们需要通过信息来取得知识，作出决策。今天，信息的取得是坐在个人计算机前用软件程序组织和整理数据。然后，该信息通过那些计算机网络和其他人共享。看来，设计一个能从设备的I/O级上向业务级网络提供信息是很明智的。,.,67,图12中所示，系统在信道之间使用路由器而不用网关。,.,68,基于LonWorks的开放系统的实施,规范制订者要认识到系统集成商为了实施一个网络控制系统必须执行四个主要任务：系统设计网络配置应用程序配置安装,.,69,系统设计,系统设计分两步：第一步选择LONWORKS设备，该设备必须包含必要的I/O点或能连接到I/O点，而且具有能执行诸如PID环路或时序调度等必要控制功能的合适的应用软件。第二步，确定合适的信道类型和数量，再选择路由器来连接它