现场总线Lonworks

1、LonWorks在家庭智能控制网络中的应用摘要：在智能建筑中，家庭智能控制网络作为其最基本的组成部分，直接影响着智能建筑的人性化及智能化程度。RS485、以太网、无线网及LonWorks总线均可用于家庭智能控制网络，但相比之下，基于LonWorks总线1的家庭智能控制网络更具有优势，因此本文主要就LonWorks在家庭智能控制网络中的应用展开了简单的设计。家庭智能控制网络的核心是家庭控制器和接口模块，对于家庭控制器的设计，又分为Lon控制模块和采集模块两个模块，并分别就这两个模块做了简单的介绍和设计，其中Lon控制模块设计的核心芯片是神经元芯片3150和主处理器。最后用拓扑图的形式展现了家庭智

2、能控制网络的总体结构，从而完成了基本设计要求。关键词：LonWorks总线 智能控制网络 神经元芯片 LonWorks application in family intelligent control networkAbstract: in intelligent building, family intelligent control network as part of its most basic, directly affects the humanization of the intelligent building and intelligent level. RS485, Et

3、hernet, wireless networks and LonWorks fieldbus intelligent control network can be used in the family, but in contrast, family intelligent control based on LonWorks fieldbus network has more advantages, so this paper mainly LonWorks application in family intelligent control network is a simple desig

4、n. Family intelligent control network is the core of the controller and the interface module, the design of the controller for the family, is divided into Lon control module and acquisition module two modules, and then the two modules respectively made simple introduction and design, the module desi

5、gn of Lon control core chip is the neuron chip 3150 and the main processor. Finally in the form of a diagram shows the general structure of the family intelligent control network, thus completed the basic design requirements.Key words: Lon Works fieldbus intelligent control network neuron chip.随着网络经

6、济、家电的智能化以及CPU的发展，家庭网络日益受到人们的关注。伴随着智能建筑的逐渐普及，为了追求更加智能化的居住环境，人们对家庭智能控制网络2的需求也逐渐增强，同时LonWorks总线的日趋成熟也为家庭智能控制网络的发展提供了极大地契机。LonWorks是由美国Echelon公司研制，于1990年正式公布的现场总线网络。LonWorks技术的核心是具有3位CPU的神经元芯片（Neuron Chip），同时具备通信与控制功能，并且固化了LonTalk协议，以及34种常见的I/O控制对象。它采用ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用面向对象的设计方法，LonWorks技术将其称为“网络变量”

7、，使网络通信的设置简化成参数设置。这样，不仅节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。其最高通信速率为1.25Mbit/s，最远通信距离为2700m，节点总数可达32000个。与RS-485相比，LonWorks技术是一套完整的智能控制网络技术，Echelon公司以及全球OEM厂商提供了基于LonWorks的一系列产品及完整的解决方案。国际LonMark协会制定的可互操作设计规范为不同的厂商产品互操作奠定了基础。而RS-485则是物理电器接口标准，不是实际意义上的网络。基于RS-485的厂商可个自定义自己的通信协议和数据格式，不同厂商的产品不通过网关3基本上不能共存在同一网络中。并且经比

8、较RS-485在通讯速率、传输速率、网络结构、网络容量、通信可靠性等方面均略逊色于LonWorks总线。因此本文不同于传统家庭智能控制网络的设计方式，基于LonWorks总线对家庭智能控制网络进行了简单的设计。1.LonWorks控制网络的组成基于LonWorks技术的现场控制系统由LonWorks节点、路由器、LonTalk协议、LonWorks收发器和LonWorks网络管理5个部分构成。1.1 LonWorks节点 节点被称为智能设备，它物理节点的抽象，应用设备节点、路由器、网络接口卡都是节点。LonWorks节点可采用一神经元芯片为核心的方式，即神经元芯片加上收发器构成一个现场控制节点

9、。由于神经元芯片的功能有限，对于节点的设计也可以采用神经元芯片加主处理器的方式，把神经元芯片作为通信协议处理器，用高性能的主处理器完成较为复杂的测控功能。LonWorks节点的设计根据其难易程度分为两类：单处理器的智能节点和双处理器的智能节点。其中，单处理器的智能节点是以神经元芯片为核心，其结构如图1所示。神经元芯片不仅要实现节点与网络的通信，而且通过其将I/O口直接连接到传感器/执行器上，实现端口数据的实时采集、监视和控制，主要应用于较为简单的节点，如自动抄表、安防报警的等。而双处理器的智能节点是将神经元芯片作为通信协处理器，而复杂的测控功能则有更高级的主处理器来完成，其结构图如图2所示，主

10、要用于功能较为复杂的节点，如键盘及显示控制节点、电话及语音控制节点等。图1 单处理器的智能节点结构图图2 双处理器的智能节点结构图1.2 路由器 路由器是LonWorks技术的一个主要组成部分，用来连接不同通信介质的LonWorks网络。路由器通常有两个互联的神经元芯片，每个神经元芯片配有一个适用于本侧信道的收发器，路由器就连接在这两个信道上。路由器对网络的逻辑操作是完全透明的，但他们并不一定传输所有的包，智能路由器能够阻止没有远地地址的包穿越路由器。LonWorks支持的路由器有四种，即中继器、网桥、学习路由器和配置路由器，后两者属于智能路由器。Lonworks还支持名为LonWorks/I

11、P的路由器，利用该路由器，LonWorks系统可以通过广域网（如Internet）大幅度地扩展其工作范围。路由器除连接不同媒介的LonWorks网络外，还能控制网络交通，增加信息通量和网络速度。 1.3 LonTalk协议 LonWorks称为LonTalk协议4和ANSIEIA7091控制网络标准，是Lonworks系统的灵魂，它固化于神经元芯片中，是直接面向对象的网络协议。该协议提供一系列通信服务，使得一个设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其它设备功能的情况下发送和接收网络上其它设备的报文。LonTalk协议能提供端到报文确认，报文认证、打包业务和优先传送服务，提供网络管理服

12、务的支持，并允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。LonTalk协议是一个分层的、基于数据包的对等通信协议，是一个公认的标准并遵循OSI模型分层规则。为了确保满足控制网络的可靠和鲁棒的通信标准，LonTalk协议为控制应用提供了一个高可靠、高性能、高抗干扰性强的通信机制。其各层的功能如表1所示：层次OSI层次服务Lon提供的服务处理器7应用层网络应用标准网络的类型应用CPU6表示层数据表示网络变量，外部帧传输网络处理器5会话层远程遥控请求/应答，认证，网络管理网络处理器4传输层端对端可靠传输应答、非应答。点对点及双重查网络处理器3网络层传输分组地址，路由网络处理器2链路层链路层帧结构帧结构，

13、数据解码，CRC错误检查MAC处理器MAC子层介质访问1物理层电路连接介质，电器接口MAC处理器表1 LonTalk协议的各层功能1.4 LonWorks收发器神经元芯片通过收发器与网络交换信息5，各种不同的收发器支持不同的通信媒体。常见的收发器有：双绞线收发器、电力收发器、无线射频收发器和光缆收发器。双绞线收发器与神经元芯片的接口有三种类型：直接驱动、EIA-485和变压器耦合，其中比较长见的接口是采用变压器耦合的FFT-10A收发器。FFT-10A收发器支持没有极性、自由拓扑（包括总线型、星形、环形、复合型）的互联方式。在传统的控制系统中，一般采用总线拓扑，通过带屏蔽的双绞线互联在一起。根

14、据EIA485标准，所有设备必须通过双绞线互联在一起，以防止线路反射，保证可靠通信，FFT-10A收发器很好到解决了这一限制。FFT-10A的具体引脚定义如表2所示：名称管脚序号功能Vcc15v DC输入NET-A2网络端口，连接双绞线，无极性NET-B3网络端口，连接双绞线，无极性RxD4神经元芯片CP0TxD5神经元芯片CP1CLK6收发器的时钟输入端，连接Neuron芯片的CLK2T17ESD和瞬态保护GND8接地T29ESD和瞬态保护表2 FFT-10A引脚定义 2. 利用LonWorks网络构建家庭控制装置家庭控制网络的核心部分是家庭控制器和接口模块，家庭控制器用来管理与监控接在接口

15、模块终端下各种设备的信息传送，实现与外部信息网络的连接。接口模块则是用来实现家庭网络与终端之间的配接，各种设备通过接口模块与家庭总线相连接，并在家庭控制器的管理下构成家庭总线网络，从而实现家庭内、外的信息传送及管理。对于家庭控制装置可分为两个设计部分，即Lon控制模块和采集模块。 2.1 Lon控制模块控制装置以Lon控制模块为核心，通过对采集电路所采集的各种信号加以作用，完成装置的各种功能，其中Lon控制模块主要包括神经元芯片、存储器、晶振和收发器。2.1.1神经元芯片的选择常用的神经元芯片主要有Neuron3120xx和Neuron3150，这两种芯片在功能上大体相同。120芯片内含有2k

16、存储器，多用于功能较少而且不需要扩展存储器的硬件构造中；而3150芯片内部具有0.5kEEROM、2kRAM存储器，可以外扩存储器来存储信息，从而用于更复杂的应用系统的开发。因此在此次设计中选择功能更加强大的Neuron3150芯片。Neuron3150芯片外部存储器接口引脚如下表3所示：引脚名方向功能A0A15输出地址线D0D7输入/输出数据线E输出使能时钟R/-W输出读/写选择表3 Neuron3150芯片外部存储器接口引脚2.1.2通信适配端口Neuron3150芯片的通信口可与多种传输媒介接口（即网络收发器）相连接，以实现较宽的传输速率。同时，各种不同类型的网络收发器的配置，也为选择不

17、同的通信媒介提供了条件。在本设计中选用的是FTT-10型收发器，利用双绞线实现与家用电脑以及整个小区网络管理的信息传递。FFT-10型收发器采用变压器隔离，可以实现高隔离、高抗扰，对于控制网络的稳定性有了极其可靠的保证。其传输距离可达2700m、传输速率达78kbit/s,可满足装置与上位机的信息传递要求。Neuron3150芯片的通信端口可以配置成三种工作方式，分别是：单端工作方式、差分工作方式、专用工作方式。不同的工作方式所对应的引脚定义不同，具体工作方式的选择如下表4所示：引脚单端工作方式差分工作方式专用工作方式CP0数据入+数据入Rx入CP1数据出-数据入Tx出CP2发送使能+数据出比

18、特钟输出CP3休眠输出-数据出休眠输出CP4冲突检测输入冲突检测输出帧时钟输出表4 Neuron3150工作方式引脚定义在设计中Neuron3150芯片的通信端口选择单端工作方式配置，与FFT-10A收发器的具体配置如图1所示，其中FFT-10的CLK与Neuron3150的CLK2相连，用以保证二者的时序一致。图3 FFT-10收发器配置图2.2采集模块设计采集模块包括I/O接口电路、光电隔离保护电路、驱动电路、缓冲电路、保持电路、锁存电路以及A/D转换电路。采集电路与Lon控制模块的连接则是通过一个18针双列直插式板边连接器和一个6针单列直插式板边连接器完成。这样的连接方式符合模块化的设计

19、要求，且便于安装和调试。其硬件原理图如下图4所示：图4 硬件原理图2.3软件实现Neuron C是专门为神经元芯片设计的程序设计语言。它在C语言的基础上进行了自然扩展，直接支持神经元芯片的固化软件，删除了标准C中一些不需要的功能，如某些标准的C函数库，并为分布式LonWorks环境提供了特定的对象集合及访问这些对象的内部函数。 Neuron C提供了一些适用于LonWorks网络开发的功能，增加了一个新的对象类网络变量，网络变量分为输入和输出类型，Lonworks网络上各设备之间可通过网络变量互传信息，且网络变量的传送工作由固件自动完成，开发时只需在Neuron C应用程序中给网络变量赋值即可

20、；此外，还增加了一个新的语句类型when语句，引入事件驱动机制，整个应用程序用When语句引导；通过对I/O对象的声明，使神经元芯片的I/O得以标准化，便于对于多种类型信号的监控。在此次设计中，采用的方法是模块化设计方法，其中主要包括远程抄表模块、报警联动模块、室内环境检测模块、顺序控制模块，各功能模块的运行都采取事件驱动。整个系统的程序流程图如图5所示：图5程序流程图3.用LonWorks搭建家庭控制网络LonWorks总线的普遍应用给智能家庭控制网络的新发展提供了技术基础。采用Lonworks使得智能家居网络从封闭的仅依赖与单个厂商的控制系统到完全可以互操作的家庭智能控制系统的转变成为现实

21、。可以以LonWorks技术为依托，开发与LonWorks兼容的通用智能控制节点，各种专用节点，再根据实际情况选择合适的传感器、变送器及执行器，从而搭建出性能更优的新一代的家庭控制控制网络。家庭智能控制系统通过用户接口与家庭总线单元连接。集宅内安防、远程抄表和家电控制于一体，所有有关设备都挂接在LonWorks网络组成的家庭总线系统（Home Bus System）上，所有报警信号经过智能节点的转换和标准化，通过LonWorks网络送到家庭，其具体的拓扑结构图如图6所示：图6 控制网络拓扑结构图扑结构图中的用户接口单元是一个由HFC网连接用户终端的设备。它从HFC6接收视频、数据、语音的混合信

22、号，经它分为两路，一路由同轴电缆输出有线电视信号和视频信号至用户的STB和TV；另一路射频语音、数据信号解调后，送电话到其他家电设备，同时接受智能家庭控制器所采集的数据和各类报警信号。智能控制器则是基于LonWorks技术构成的，它即可完成电表、煤气表、冷热水表等数据的采集、传输，又可通过红外传感器、气漏传感器等进行安全报警，还可以实现对照明、家电等设备的控制，对室内温、湿度的检测。4总结基于LonWorks较RS485在通讯速率、传输速率、网络结构、网络容量、通信可靠性等方面的优点，本文主要就LonWorks总线，对于智能家庭控制网络进行了简单硬件与软件设计，其中着重对于Lon控制模块进行了设计，最后以拓扑结构图的形式展现了基于LonWorks的智能家庭控制网络的基本结构。运用LonWorks总线的方式，提高了系统的开放性和互操作性，由于Lonworks现场总线设备的智能化、数字化，系统的结构较为简单，智能节点与现场仪表直接相连，设备与连线较少，减少了信号的往返传输，大大地提高了智能家庭控制网络的可靠性。本文中的设计仅仅是最初步的设计，相信随着LonWorks总线应用领域的不断扩展，LonW