工业控制网络技术基础Lonworks

1、自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络LonWorks 技术技术自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络LonWorks 技术技术1.概述2.LonTalk协议3.神经元芯片4.Nuron C编程5. LonWorks收发器技术 6. LonWorks网络的管理网络的管理 7. LonWorks应用案例应用案例自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络LonWorks“有什么用有什么用”可以将家用电器、调温器、空调设备、电表、灯光控制系统等相互连接并和互联网相连。可广泛应用于楼宇、工厂自动化、家庭、火车和飞机等领域。提供一个控制网络架构，给各种控制系统提供端到端的解决方案。自动化系统计算机网络

2、自动化系统计算机网络典型应用案例典型应用案例 智能楼宇、连锁店应用智能楼宇、连锁店应用自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络大门大门照相机照相机火警火警灯光灯光风扇风扇环境控制环境控制应用案例：基于应用案例：基于LonWorks的智能建筑的智能建筑Intelligent Building自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络1 LonWorks概述概述LonWorks技术的发明者是美国Echelon公司。自1991年第一代问世以来，现在已是第三代。第三代的LonWorks技术充分利用互联网技术，将一个现场控制局域网变成一个借助广域网跨越远程地域的控制网络，并提供端到端的各种增值服务。自动化

3、系统计算机网络自动化系统计算机网络LONWORKS networks are designed to transform everyday devices.自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络.into intelligent, interoperable, networked devices that communicate on a peer-to-peer basis using open standards.自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络. accessible from anywhere in the worldDimmer / SwitchHuman Machine

4、InterfaceSecurity CameraMotion SensorThermostatHVAC Valve Electronic BallastLonWorks Control NetworkOver the InternetFrom your browser自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络Building Automation Industrial AutomationHome/Utility Automation Transportation Automation LonWorks is focused on four primary markets自动化系统计算机网络自动

5、化系统计算机网络LonWorks节点通信介质和通信设备通信协议 LonWorks控制网络的基本组成控制网络的基本组成3大基本要素：大基本要素：按功能分类：按功能分类：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LonWorks 网络管理工具自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络二、二、LonWorks 技术特点技术特点1、拥有三个处理单元的神经元芯片（、拥有三个处理单元的神经元芯片（Neuron芯片）芯片）2、支持多种通信介质（双绞线、电力线、光纤、无线、支

6、持多种通信介质（双绞线、电力线、光纤、无线、红外等）和它们的互连；红外等）和它们的互连；3、LonTalk是是LON总线的通信协议，支持七层网络协议总线的通信协议，支持七层网络协议，提供了一个固化在神经元芯片的网络操作系统；，提供了一个固化在神经元芯片的网络操作系统；4、预测性退避坚持、预测性退避坚持CSMA。5、提供给使用者一整套节点的开发平台，这包含单节点、提供给使用者一整套节点的开发平台，这包含单节点开发工具开发工具NodeBuilder、多节点和系统网络样机开发工具、多节点和系统网络样机开发工具LonBuilder、节点应用程序开发语言、节点应用程序开发语言Neuron C等；等；6、

7、提供现成的网络管理工具、网络维护诊断工具、网络、提供现成的网络管理工具、网络维护诊断工具、网络操作系统；操作系统；7、支持面向对象的编程（网络变量、支持面向对象的编程（网络变量NV），以及），以及LonMark互操作协会的标准化工作，因而很容易实现网互操作协会的标准化工作，因而很容易实现网络的互操作性。络的互操作性。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络1.LonTalk特点 LonTalk协议遵循ISO定义 (OSI)模型，并提供了OSI所定义的全部7层服务。它的特点： (1) 支持双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质。（2）可以运行在任何主处理器(Host Pr

8、ocessor)上 （3） LonTalk协议使用网络变量与其它节点通信。网络变量可以是任何单个数据项也可以是结构体。（4） LonTalk协议支持总线型、星型、自由拓朴等多种拓朴结构类型 。（5）LonTalk寻址体系（分级：域、子网、节点）2. LonTalk协议协议自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络2. LonTalk的的7层协议层协议自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络2. LonTalk协议的网络地址结构协议的网络地址结构自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络LonTalk寻址体系域域子网子网1子网子网255 .节点节点1节点节点2

9、.节点节点127节点节点1节点节点2.节点节点127三层：域、子网、节点三层：域、子网、节点自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络网络地址可以有网络地址可以有3层结构：层结构： 域（域（Domain）、子网（）、子网（Subnet）和节点（）和节点（Node） 第第1 1层结构是域。域是一个或多个信道上节点的逻辑集合，层结构是域。域是一个或多个信道上节点的逻辑集合，通信只能在配置为相同域的节点之间进行，因此一个域便形成一个通信只能在配置为相同域的节点之间进行，因此一个域便形成一个虚拟网络。虚拟网络。 第第2层结构是子网。每一个域最多有层结构是子网。每一个域最多有255个子网。一个子网个子网。

10、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。个节点。 第第3层结构是节点。子网内每一个节点被赋予一个层结构是节点。子网内每一个节点被赋予一个在该子网内惟一的节点号。该节点号为在该子网内惟一的节点号。该节点号为7位，因此，一个位，因此，一个域内最多可有：域内最多可有：255127=32385个节点。个节点。 自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络带预测的带预测的P-坚持坚持CSMA介介质访问协议。质访问协议。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络LonTalk协议的表示层和应用层网络变量服务；显示报文服务；网络管理服务；网

11、络跟踪服务；外来帧传输服务。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络 LonWorks技术的硬件核心是神经元芯片。神经元芯片目前由TOSHIBA和Cypress两家公司研制和生产，主要包含3150和3120两大系列。3150支持外部存储器，适合更为复杂的应用；而3120则不支持外部存储器，它本身带有ROM。3 LonWorks神经元芯片神经元芯片自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络3150 封封装外形装外形图图自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络图图 Neuron芯片方框图芯片方框图(p142)自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络3150引脚功能引脚功能自动化系统计算机网络自动化系

12、统计算机网络 1 CPU单元单元(p143) 该芯片内部装有三个微处理器三个微处理器：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，即OSI七层协议的1和2层，包括碰撞回避算法。 网络处理器完成OSI的3 6层网络协议。 应用处理器完成用户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络 2存储器存储器(P144)存储器的分配包括： 512bytes EEPROM： 网络配置和地址表， 独一无二的48位神经元ID码， 用户应用程序代码和一般只读的数据。 2048bytes RAM： 堆栈段、应用程序和系统程序的数据区， LonTal

13、k协议应用缓冲区和网络缓冲区。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络 神经元芯片最多有64kB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59392bytes；而剩下的6114字节是作为系统内部映射。 16384字节的外部存储器用于存储LON的操作系统。剩下的空间可作为用户编写的应用代码，以及应用程序所需要的额外读写数据区、应用缓冲区和网络缓冲区。 3120本身带有10KB的EPROM，不支持外部存储器。 在以神经元芯片为核心的节点设计中，多采在以神经元芯片为核心的节点设计中，多采用用3150。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络 IO4IO7可以通过编程设置成上拉；IO0I

14、O3带有高电流( 20mA ) 接收（high current sink）；IO0IO10带有TTL标准的迟滞输入；IO0IO7带有低电平检测锁存。 在一个控制单元中需要有采集和控制的功能，为此在神经元芯片上特设置11个IO口，这这11个个IO口可口可根据不同的需求进行灵活配置，便于同外围设备进行根据不同的需求进行灵活配置，便于同外围设备进行接口接口。如可配置成 RS232、并口并口、定时计数定时计数IO、位位IO等。3 输入输出输入输出(P144)自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络 神经元芯片带有两个片内定时计数器。(p144) 定时计数器定时计数器1称为多路选择定时计数器，它的输入可

15、通过一个多路选择开关，从IO4IO7四个IO中选择一个，输出可连至IO0。 定时计数器定时计数器2称为专用定时计数器，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。IOIOIOIOIOIOIOIOIOIOIO自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络 神经元芯片的专用编程工具Neuron C提供IO定义，可以将11个IO配置成不同的IO对象； 通过函数io_in( )和io_out( )对所定义的IO进行输入输出操作。 神经元芯片的11个IO有34种预编程设置，可以有效地实现这11个IO的测量计时和控制等

16、功能。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络 4 通信端口通信端口(p146) 神经元芯片可以支持多种通信介质。使用最为广泛的是双绞线，其次是电力线，其他包括：无线、红外、光纤、同轴电缆等。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络 神经元芯片通信端口为适合不同的通信介质，可以将五个通五个通信管脚信管脚配置三种不同的接口模式，以适合不同的编码方案和不同的波特率。这三种模式是：单端(Single ended)、差分(differential)和专用模式(special purpose mode)。2013.4.22自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络1、单端模式、单端模式 单端模式是在LON

17、总线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。图为单端模式的通信口配置。数据通信是通过单端输入输出管脚CP0和CP1。该模式还包含低有效的睡眠输出(CP3)，它可以在神经元芯片进入睡眠状态时使收发器进入掉电状态。(p146)自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络2、差分模式、差分模式 在差分模式下，神经元芯片支持内部的差分驱动。图为差分方式的框图。采用差分方式类似于单端方式。区别是后者包括一个内部差分驱动，同时不再包括睡眠输出。 差分方式也是采用差分曼切斯特编码，数据格式完全和单端模式相同。(p147)自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络3、专用模式、专用模式(p1

18、47) 在一些专用场合，需要神经元芯片直接提供没神经元芯片直接提供没有编码和不加同步头的原始报文有编码和不加同步头的原始报文。 在这种情况下，需要一个智能的收发器处理从网络上或从神经元芯片上来的数据。 发送的过程是：从神经元芯片接收到这种原始报文，重新编码，并插入同步头；接收的过程是：从网络上收到数据，去掉同步头，重新解码，然后送到神经元芯片。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络5 时钟系统(p148)l 在神经元芯片中包括一个分频器，通过外部的一个输入晶振来输入时钟。神经元正常工作频率可以从 40MHz625kHz（625kHz是对于低电压神经元芯片来说的）。自动化系统计算机网络自动化系

19、统计算机网络6 睡眠唤醒机制睡眠唤醒机制(p148) 神经元芯片可以通过软件设置进入低电压的睡眠状态。在这种模式中，系统时钟、使用的程序时钟和计数器关闭，但是使用的状态信息（包括神经元芯片的内部RAM）被保留。当有如下的输入转换时，正常的系统操作被恢复：l IO管脚的输入（可屏蔽）IO4IO7。l Service Pin信号。l 通信端口（可屏蔽）。l 差分模式CP0或CP1。l 单端模式CP0。l 专用模式CP3。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络7Service Pin(p148) Service Pin是神经元芯片里的一个非常重要的管脚，在节点的配置、安装和维护的时候都需要使用该管

20、脚。该管脚既能输入也能输出。输出时输出时，Service Pin通过一个低电平来点亮外部的LED，LED保持为亮表示该节点没有应用代码或芯片已坏；LED以1/2Hz的频率闪烁表示该节点处于未配置状态。输入时输入时，一个逻辑低电平使神经元芯片传送一个包括48bit的Neuron ID网络管理信息。为完成输入输出功能，该管脚的输入输出以76Hz的频率、50的占空比复用。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络8 Watchdog定时器定时器 神经元芯片为防止软件失效和存储器错误，包含三个Watchdog定时器（每个CPU一个）。 如果应用软件和系统没有定时地刷新这些Watchdog定时器，整个神经

21、元芯片将自动复位自动复位。 Watchdog定时器的复位周期依赖于神经元芯片输入时钟的频率，例如在输入时钟频率为10MHz时， Watchdog定时器周期是0.84s。 当神经元芯片处于睡眠状态时，所有的Watchdog定时器被禁止。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络三、LonWorks节点电路节点电路模型节点电路模型1节点电路模型节点电路模型2自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络是以ANSI C为基础的一种编程语言。是专为神经元芯片而设计的一种编程语言。具有通信、事件调度、分布数据对象、和I/O功能。4. Neuron C编程语言编程语言自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络Ne

22、uron数据类型自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络网络变量 (Network Variable)网络变量是期望从网上其它装置得到（输入NV）或期望提供给网上其它装置（输出NV）的一个特定应用程序。输入网络变量对应输出网络变量，输出网络变量的更新使相应的输入网络变量更新；输入网络变量也可以通过轮询方式获得最新的输出网络变量值。装置中的应用程序不需要知道输入NV来自何处或输出NV走向何处，当应用程序的输出NV值发生变化时，只需把新值写入一个特定的存储单元。“绑定过程”能在一个装置中的输出NV与另一个装置的输入NV之间建立逻辑联系。类似“虚拟线路”。绑定可以由LNS、LonBuilder、或L

23、onMaker for Windows完成。ioSwitch1nvoValuenviValueioLamp自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络程序调度Neuron C的程序调度是事件驱动(event driven)方式。当一个给定事件发生时，与之关联的一段代码被执行。Neuron C定义了5类事件：系统级事件、输入输出事件、定时器事件、网络变量和显示报文事件、用户自定义事件调度程序允许编程者自定义事件。事件是通过When语句来定义的。When语句包含一个表达式，当表达式为真时，任务被执行。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络网络变量 (Network Variable)网络变量是在应用

24、程序中被定义的变量，可以是整型、字符型、结构型等，但不能是指针类型。一个网络变量可以与一个或多个其他节点的同类型的网络变量捆绑。一个节点最多可以定义62个网络变量，一个网络变量的长度不能超过31字节。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络网络变量有4个预定义的事件自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络5. LonWorks节点节点1、以神经元芯片、以神经元芯片(Neuron Chip)为核心的控制节点为核心的控制节点Neuron Chip包含有CPU、I/O处理单元和通信处理器。一个神经元芯片+收发器就构成一个简单的现场节点。自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络将神经元芯片作为通信协处

25、理器，用高性能的主机来完成复杂的测控功能。采用MIP结构的控制节点：将LonWorks协议延伸到多种主机；ShortStack微服务器：将现有设备接入lonWorks网络的最快、最简单、最便宜的方法。2、Host-Baesd的控制节点的控制节点自动化系统计算机网络自动化系统计算机网络支持多种通信介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红支持多种通信介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外等。外等。1 双绞线收发器双绞线收发器最广泛的一种传输介质，支持3类收发器：直接驱动、EIA-485和变压器耦合。1、直接驱动、直接驱动直接驱动是使用神经元芯片的通信端口作为收发器，同时加入电阻和瞬态抑制器作为电流限制