LonWorks总线技术

1、 主 讲 人 陈 青 林 本次课主要内容本次课主要内容 现场总线的基本概念现场总线的基本概念 几种现场总线技术几种现场总线技术 LonWorksLonWorks技术概况技术概况 LonWorksLonWorks技术核心元件技术核心元件- -神经元芯神经元芯片的结构片的结构 一、什么是现场总线一、什么是现场总线 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线技术将专用微处

2、理器置入传统的测量控制仪表，现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，把多个测使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。形成各种适应实际需要的自动控制系统。 在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统

3、中在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。第五章第五章 现场总线技术二、现场总线是底层控制网络三、 现场总线的特点与优点节省硬件数量与投资：减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单节省硬件数量与投资：减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要元等，也不再需要DCSDCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，可用工控线，可用工控PCPC机作为操作站，节省硬件投资，减少控制室面积。机作为操作站，节省硬件投资，减少控制室面积。节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，

4、一对双绞线或一条电缆上通节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，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。可节约安装费用计与接头校对的工作量也大大减少。可节约安装费用6060以上。以上。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

5、，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。用户具有高度的系统其成主动权：用户可以自由选择不同厂商所提供的设备用户具有高度的系统其成主动权：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而被来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死框死”了使用设备的选择了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。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

6、相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，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。了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。5.1 几种有影响的现场总线1.基金会现场总线FF 时间：时间： 19941994年年9 9月合并，成立了月合并，成立了Foundation Fieldbus 组织：以美国组织：以美国Fisher-RosemountFisher-Rosemount公司为首的

7、公司为首的8080家公司家公司和以和以HoneywellHoneywell公司为首的公司为首的150150家公司的两大集团合并。家公司的两大集团合并。 层次结构：层次结构：物理层、数据链路层、应用层，并在应用物理层、数据链路层、应用层，并在应用层上增加了用户层。采用设备描述语言规定了通用的层上增加了用户层。采用设备描述语言规定了通用的功能块集。功能块集。 特点：特点：分低速分低速H1和高速和高速H2两种通信速率。两种通信速率。 H1的传输速率为的传输速率为31.25kbps，通信距离可达，通信距离可达1900m(加加中继器延长中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆环，可支持总线供电，支

8、持本质安全防爆环境。境。 H2的传输速率可为的传输速率可为1Mbps和和2.5Mbps两种，距离分别两种，距离分别为为750m和和500m。支持双绞线、光缆和无线发射，符合。支持双绞线、光缆和无线发射，符合IEC1158-2标准。媒介的传输信号采用曼彻斯特编码标准。媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。 应用领域：在过程自动化领域得到广泛支持和具有良应用领域：在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景。好发展前景。2. LonWorks(Local Operating Network) 时间：时间： 1990年正式公布年正式公布 组织：以组织：以美国美国Echelon公司为主并与摩托罗拉、东芝公

9、公司为主并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导推出司共同倡导推出。 层次结构：层次结构：采用采用ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，模型的全部七层通讯协议，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。 特点：其通信速率从特点：其通信速率从300bps300bps至至1.5Mbps1.5Mbps，直接通信距离，直接通信距离可达可达2700m(78kbps2700m(78kbps，双绞线，双绞线) )。 支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产线等多种通信介质，并开发

10、了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。品，被誉为通用控制网络。 采用的采用的LonTa1k协议被封装在称之为协议被封装在称之为Neuron的神经元的神经元芯片中得以实现。芯片中得以实现。 应用领域：楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办应用领域：楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制公设备、交通运输、工业过程控制3.过程现场总线 PROFIBUS 时间：时间： 19861986年开始制订标准。年开始制订标准。 组织：组织：由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出共同推出，德国国家标准和欧洲标准。德国国家标准和欧洲

11、标准。 层次结构：层次结构：采用采用OSI模型的物理层、数据链路层。模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。还采用了应用层。 特点：特点：由由PROFIBUS-DP，-FMS，-PA组成系列。组成系列。 DP型用于分散外设间的高速数据传输。适合于加工自型用于分散外设间的高速数据传输。适合于加工自动化领城的应用。动化领城的应用。 FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。可编程控制器、低压开关等。 PA型用于过程自动化。型用于过程自动化。 遵从遵从IEC1158-2标准。传输速率为标准。传输速率为9.6kbps12

12、Mbps，最大传输距离在最大传输距离在12Mbps时为时为100m，1.5Mbps时为时为400m，可用中继器延长至，可用中继器延长至10km。 其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接接127个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。4. CAN CAN (Control Area Network) 时间：时间： 19911991年制订技术规范，年制订技术规范，19931993年成为国际标准。年成为国际标准。 组织：组织：最早由德国最早由德国BOSCH公司推出，得到公司推出，得到Motoro1a，Inte

13、1，Phlip，Siemence，NEC等公司的支持等公司的支持。 层次结构：层次结构：物理层、数据链路层、应用层。物理层、数据链路层、应用层。 特点：特点：信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达，直接传输距离最远可达10km/5kbps。可。可挂接设备数最多可达挂接设备数最多可达110个。个。CAN的信号传输采用短帧的信号传输采用短帧结构，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自结构，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，具有较动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，具有较

14、强的抗干扰能力。强的抗干扰能力。 应用领域：汽车等交通工具内部测量与执行部件的数应用领域：汽车等交通工具内部测量与执行部件的数据通信，也可用于工业自动化领域。据通信，也可用于工业自动化领域。5. HARTHART 时间：时间：19931993年成立了年成立了HARTHART通信基金会。通信基金会。 组织：由组织：由RosemountRosemount公司开发并得到八十多家公司支持。公司开发并得到八十多家公司支持。 层次结构：层次结构：规定了一系列命令，按命令方式工作。三类规定了一系列命令，按命令方式工作。三类命令，第一类称为通用命令；第二类称为一般行为命令；命令，第一类称为通用命令；第二类称为

15、一般行为命令；第三类称为特殊设备命令。第三类称为特殊设备命令。 特点：特点： 在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，具有较强的系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。市场竞争能力，得到了较快发展。 采用统一的设备描述语言采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备管理这些设备描述并把它们编为设备描

16、述字典，主设备运用运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。设备开发专用接口。智能接点智能接点智能接点智能接点路由器路由器收发器监管站5.2.1 LonWorks技术概述及系统结构LonWorks技术包括以下几个组成部分：技术包括以下几个组成部分： LonWorksLonWorks节点和路由器节点和路由器 LonTalkLonTalk协议协议 LonworksLonworks收发器收发器 LonWorks网络和节点开发工具网络和节点开发工具1. Lonworks1. Lonworks节点节点神经元节点的结构神经元节点的结构Hos

17、t Base节点的结构框图2. 2. 路由器路由器路由器工作原理路由器工作原理LonTalk协议对路由器的支持协议对路由器的支持中继器中继器桥接器桥接器配置型路由器配置型路由器学习型路由器学习型路由器思考思考 如何连接链路如何连接链路? ? 如何选择路径如何选择路径? ? 怎样确定最佳路径怎样确定最佳路径? ? 不同的地址规则怎嬷办不同的地址规则怎嬷办? ? 互连的层次划分：互连的层次划分： 物理层、数据链路层、网络层和高层物理层、数据链路层、网络层和高层 网络互连设备网络互连设备: : 分别是中继器分别是中继器( Re( Repeater)、网桥、网桥(Bridge)、路由、路由器器(Rou

18、ter)和网关和网关(Gateway)。多口中继器多口中继器MPR工作站 . . .TR-MAUAUI端口端口1）中继器）中继器普通型普通型HUB结构结构2）网桥）网桥 网桥网桥( (又称桥接器又称桥接器) )的操作涉及到的操作涉及到 OSIOSI的数据链路层，更准确地说位于的数据链路层，更准确地说位于MACMAC层，它连接与地址编码方案兼容层，它连接与地址编码方案兼容的局域网，利用的局域网，利用MACMAC和和MACMAC地址地址( (也称也称硬件地址硬件地址) )， 以及存储转以及存储转发功能进发功能进行局域网间的信息帧交换。行局域网间的信息帧交换。3）路由器：配置型路由器和学习型路由器9

19、101112通道11234通道38765R1R2通道2子网1子网2子网3查看源地址子网2在我下方源、目的地址不同，上传查看源地址子网2在我上方源、目的地址不同，下传查看源地址子网1在我上方查路由表，子网2在我下方，下传子网2在我上方，不下传学习型路由器的学习过程学习型路由器的学习过程例：通道例：通道2 2的节点的节点6 6向通道向通道1 1的节的节点点2 2传送数据的过程。传送数据的过程。路由器转发规则框图路由器转发规则框图3. 3. 网络管理网络管理网络管理的主要功能有以下三个方面。网络管理的主要功能有以下三个方面。 (1) (1) 网络安装网络安装 常规的现场控制网络系统，网络节点的连接通

20、常规的现场控制网络系统，网络节点的连接通常采用直接互连，或者通过常采用直接互连，或者通过DIPDIP开关来设定网络地址，开关来设定网络地址，而而LONLON总线则通过动态分配网络地址，并通过网络变总线则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信。量和显示报文来进行设备间的通信。 (2) (2) 网络维护网络维护网络安装只是在系统开始时进行的，而系统维网络安装只是在系统开始时进行的，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护则在系统运行的始终。系统维护主要包括维护和修理两方面。修理两方面。(3) (3) 网络监控网络监控 应用设备只能得到本地的网络信息，也即网络

21、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。传送给它的数据。采用采用LONLON总线结构的现场网络总线结构的现场网络5.2.2 LON5.2.2 LON总线分散式通信控制处理器总线分散式通信控制处理器神经元芯片神经元芯片1. 1. 处理单元处理单元 该芯片内部装有三个微处理器：该芯片内部装有三个微处理器：MAC处理器、处理器、网络处理器和应用处理器。网络处理器和应用处理器。2. 2. 存储器存储器 MC143150MC143150存储器的分配包括：存储器的分配包括： 512bytes EEPROM512bytes EEPROM； 网络配置和地址表；网络配置和地址表； 独一无二的独一

22、无二的4848位神经元位神经元IDID码；码； 用户应用程序代码和一般只读的数据；用户应用程序代码和一般只读的数据； 2048 bytes RAM2048 bytes RAM； 堆栈段、应用程序和系统程序的数据区；堆栈段、应用程序和系统程序的数据区； LonTalkLonTalk协议应用缓冲区和网络缓冲区；协议应用缓冲区和网络缓冲区； 最多最多64kB64kB存储器地址空间，但处理器提供外部存存储器地址空间，但处理器提供外部存储器接口能够访问到的是储器接口能够访问到的是59392 bytes59392 bytes；而剩下的；而剩下的61146114字节是作为系统内部映射。字节是作为系统内部映射

23、。 1638416384字节的外部存储器用于存储字节的外部存储器用于存储LONLON的操作系统；的操作系统； 剩下的空间可作为用户编写的应用代码，以及应用剩下的空间可作为用户编写的应用代码，以及应用程序所需要的额外读写数据区、应用缓冲区和网络缓程序所需要的额外读写数据区、应用缓冲区和网络缓冲区。冲区。3 3输入输入/ /输出输出 神 经 元 芯 片 和神 经 元 芯 片 和其 他 设 备 的 互其 他 设 备 的 互连是通过它的连是通过它的11个个 I / O IO0IO10。这。这些 管 脚 可 以 根些 管 脚 可 以 根据 不 同 外 部 设据 不 同 外 部 设备备I/O的要求，的要求

24、，灵 活 地 配 置 输灵 活 地 配 置 输入输出方式入输出方式。 神经元芯片定时/计数器外部连接图4. 4. 通信端口通信端口 单端模式单端模式 差分模式差分模式 专用模式专用模式5. 5. 时钟系统时钟系统6. 6. 睡眠睡眠/ /唤醒机制唤醒机制7. Service Pin7. Service Pin8. Watchdog8. Watchdog定时器定时器 单端模式单端模式差分方式的通讯口配置框图差分方式的通讯口配置框图四四. .通信线路和设备通信线路和设备双绞线收发器双绞线收发器1.1.直接驱动直接驱动2.EIA-4852.EIA-4853. 变压器耦合变压器耦合4. 电力线收发器电

25、力线收发器五五.LonWorks.LonWorks通信协议通信协议LonTalkLonTalk1 LonTalk1 LonTalk协议的特点协议的特点 LonTalkLonTalk协议是为协议是为LONLON总线设计的专用协议，它具总线设计的专用协议，它具有以下特点：有以下特点： 发送的报文都是很短的数据发送的报文都是很短的数据( (通常几个到几十通常几个到几十个字节个字节) )； 通信带宽不高通信带宽不高(2Kbps(2Kbps到到2Mbps)2Mbps)； 网络上的节点往往是低成本、低维护的单片机；网络上的节点往往是低成本、低维护的单片机； 多节点，多通信介质；多节点，多通信介质； 可靠性

26、高；可靠性高； 实时性高。实时性高。2 LonTalk2 LonTalk七层协议七层协议3 LonTalk协议物理层协议 适应不同的通信介质，如：双绞线(twisted-pair)、电力线(powerline)、无线电(radio-frequency)、红外线(infrared)、同轴电缆(coaxialcable)、光纤(fiber)甚至是用户自定义的通信介质。 支持不同的数据解码和编码，如：通常双绞线使用差分曼切斯特编码、电力线使用扩频、无线通信使用频移键控(FSK)。4 LonTalk4 LonTalk协议的网络地址结构及对大网络的支持协议的网络地址结构及对大网络的支持 网络地址可以有三

27、层结构：域网络地址可以有三层结构：域(Domain)、子、子网网(Subnet)和节点和节点(Node)报文地址结构图报文地址结构图 5 MAC子层LonTalk协议使用的CSMA介质访问控制六六. . 面向对象的编程语言面向对象的编程语言Neuron CNeuron C Neuron C是一种编程语言，它以ANSI C为基础，专门为神经元芯片而设计，同时加入通信、事件调度、分布数据对象和I/O功能，是编写神经元芯片程序的最为重要的工具。 Neuron C支持ANSI C的定义类型(typedefs)、枚举类型(enums)、数组类型(arrays)、指针类型(pointers)、结构类型(structs)和联合类型(unions)。 网络变量网络变量 应用程序可以定义一个特殊的静态对象类网络变量，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量互连。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量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量互连，值得注意的是输出和输出或输入和输入是不能互连