第8章LON 和LonWorks现场总线技术

1、安徽工程大学研究生课程,1,第8章 LON 和 LonWorks 现场总线技术,周鸣争 安徽工程大学计算机与信息学院,安徽工程大学 研究生课程,2,8.1 总体概述,LON（Local Operating Networks）是Echelon公司开发的现场总线，并开发了配套的LonWorks技术。 开放的总线平台技术，该技术给各种控制网络应用提供端到端的解决方案。 LON和LonWorks技术可以应用于工业控制、交通控制、楼宇自动化等领域。,安徽工程大学 研究生课程,3,8.1 总体概述,1.LonWorks技术特点 （1）发送的报文都是很短的数据（几个到几十个字节） （2）通讯带宽不高2M （

2、3）节点往往是低成本、低维护的单片机 （4）开放性,安徽工程大学 研究生课程,4,（5）支持OSI七层模型的LonTalk通信协议 LonTalk通信协议支持OSIRM的所有七层模型，是直接面向对象的网络协议。 LonTalk协议通过神经元芯片实现，不仅提供介质存取、事务确认和点对点通信服务；还提供一些如认证、优先级传输、广播组播消息等高级服务。,1.LonWorks技术特点,安徽工程大学 研究生课程,5,（6）神经元芯片 神经元芯片是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，而且是具有I/O和控制的通用处理器。神经元芯片已提供了LonTalk协议的第1-6层，开发者只需用N

3、euron C语言开发。 神经元芯片包括3个8位CPU、RAM、ROM、通信接口和I/O接口。ROM中存储操作系统、LonTalk协议和I/O函数库；RAM用于存储从网络上下载的配置数据和应用程序。,1.LonWorks技术特点,安徽工程大学 研究生课程,6,（7）基于LNS（LonWorks Network Operating System）的软件工具 LonWorks技术有多种基于LNS的工具，用于LON网络的维护和组态。 LonMaker是图形化工具，用于图形绘制、系统调试和网络的维修保养； 节点开发工具NodeBuilder； 节点和网络安装工具LonBilder； 网络管理工具Lon

4、Manage以及客户服务器网络构架LNS技术。,1.LonWorks技术特点,安徽工程大学 研究生课程,7,2. LON总线系统的开发 基于开发工具LonBuilder或NodeBuilder，使用Neuron C语言编程，即针对具体控制系统的要求编写应用代码，然后经过编译与通信协议代码连接生成总的目标代码，一起烧录到节点的存储器中； 基于图形方式的软件开发工具Visual Control，通过组态构成控制系统，自动编译生成总的目标代码，直接下载到节点的Flash ROM中。对复杂系统，需编制自定义模块。,安徽工程大学 研究生课程,8,8.2 LonTalk协议,1.LonTalk七层协议 (

5、1)特点 LonTalk协议是LON总线的专用协议，是LonWorks技术的核心。它符合1SO/OSI参考模型的七层体系结构，即含有物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。,安徽工程大学 研究生课程,9,LonTalk协议提供一系列通信服务，可使一台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。 还提供端到端的报文确认，报文认证、打包业务和优先传送服务，支持网络管理服务，允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。,(1)特点,安徽工程大学 研究生课程,10,采用神经元芯片的网络节点含有LonTalk协议固件，使网络节点可以可靠

6、地通信。 网络节点是相互独立的，任一节点发生故障时，不影响整个网络工作，提高了系统的可靠性和可维护性。 各节点具有本地存储和处理能力，系统的安全性很高，能在系统规模大时避免网络通信的冲突和网络速度的局限性。,(1)特点,安徽工程大学 研究生课程,11,（2）协议模型 （a）物理层：定义通信信道上位流的传输，它确保源设备发送的位流准确地被目的设备接收。 （b）数据链路层：定义介质访问方法和单一信道的数据编码。 （c）网络层：定义设备名称和地址，源设备的报文如何选择路由到达一台或多台目的设备，以及当源设备和目的设备不在同一信道上时，如何确定报文路由。,安徽工程大学 研究生课程,12,（d）传输层：

7、确保可靠的报文传输。 （e）会话层：对较低层数据交换加以控制。 （f）表示层：定义报文数据的编码。 （g）应用层：定义一种低层交换数据的公共语义解释，使不同应用程序中的网络变量改变时，均能自动将更新的网络变量值下传(发送)或上传(接收)。应用层还定义了一个文件传输协议，用来传输应用程序间的传输流。,（2）协议模型,安徽工程大学 研究生课程,13,2.LonTalk各层协议及功能 （1）物理层 LonTalk协议支持一种或多种不同传输介质构成的网络； 传输介质：双绞线(twisted-pair)、电力线(powerline)、无线射频(radio-frequency)、红外线（infrared）

8、、同轴电缆(coaxial cable)和光纤(fiber)，甚至是用户自定义的通信介质。,安徽工程大学 研究生课程,14,不同介质的传输距离、传输速率、网络拓扑结构以及所使用的收发器均不相同，为支持各种传输介质，物理层协议支持多种通信协议。 收发器是神经元芯片与信道的接口，LonTalk协议支持在通信介质上的硬件碰撞检测，可自动地将正在发生碰撞的报文取消，重新再发。,（1）物理层,安徽工程大学 研究生课程,15,（2）链路层 为使数据帧传输独立于所采用的物理介质和介质访问的控制方法，将数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）和介质访问控制MAC。

9、 LLC与介质无关，MAC则依赖于介质。,安徽工程大学 研究生课程,16,1）MAC子层,MAC协议是确定设备安全地传送数据包，减少冲突的控制算法。 MAC协议是CSMA（载波信号多路侦听）协议的改进： 带预测的P坚持CSMA (Predictive Ppresistent CSMA)。 优先级带预测的P坚持CSMA,安徽工程大学 研究生课程,17,LonWorks的MAC子层的优点：,支持多介质的通信，支持低速率的网络，可以在重负载的情况下保持网络性能，保证在过载情况下不会因为冲突而降低吞吐量。当使用支持硬件冲突检测的传输介质(如双绞线)时，一旦收发器检测到冲突，LonTalk协议就可以有选

10、择地取消报文的发送，这使节点可以马上重新发送并使冲突不再重发，有效地避免了碰撞。,安徽工程大学 研究生课程,18,2）链路层（逻辑链路控制） 链路层确保链路层数据单元（Link Protocol Data Unit，LPDU）的数据在子网内顺序无响应传输。 提供错误检测，但不提供错误恢复，当一帧数据CRC效验错，该帧被丢掉。,安徽工程大学 研究生课程,19,（3）网络层 在网络层，LonTalk协议提供给用户一个简单的通信接口，定义了如何接收、发送、响应等，在网络管理上有网络地址分配、出错处理、网络认证、流量控制、路由器机制。 1）LonTalk协议的网络地址结构 2）寻址格式,安徽工程大学

11、研究生课程,20,1）LonTalk协议的网络地址结构 LonTalk地址唯一地确定一个LonTalk数据包的源节点或目标节点，路由器则利用这些地址在信道之间选择数据包的传输路径。 为了简化路由选择，LonTalk协议定义了分级的网络地址形式： 域(Domain) 子网(Subnet) 节点(Node)地址 组地址,安徽工程大学 研究生课程,21,域地址(domain)：域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合。一个域就是一个实际意义上的网络，通信只能在同一域中配置的节点之间进行。 多个域可以占用同一个信道，所以，域地址可以用来隔离不同网络上的节点。域的结构可以保证在不同的域中通信是彼此独立的

12、。 域标识符是唯一的。,1）LonTalk协议的网络地址结构,安徽工程大学 研究生课程,22,子网地址(Subnet)：一个子网是在同一域中节点的逻辑集合，是一个或多个通道的逻辑分组。一个子网最多可有127个节点，一个域最多可有255个子网。一种子网层的智能路由器产品可以实现子网间的数据交换。子网中的所有节点必须在同一信道上，如果一个节点属于两个域，该节点必须属于每个域中的一个子网。,1）LonTalk协议的网络地址结构,安徽工程大学 研究生课程,23,节点地址（Node）：节点地址是节点被赋予的所属子网内的唯一的节点标识码。节点的标识码为7位，所以每个子网最多可以有127个节点。一个域中最多

13、可以有32385个节点（255127）。任一节点可以分属一个或两个域，容许一个节点作为两个域之间的网关(gateway)，也容许一个节点将采集来的数据分别发向两个不同的域。,1）LonTalk协议的网络地址结构,安徽工程大学 研究生课程,24, 地址(Group)：组是一个域内节点的逻辑集合。与子网不同，组不需要考虑节点的物理位置。组可以包括路由器，一个组可在一个域中跨越几个子网，或几个通道。每一个组对于需应答服务的节点最多可包含64个，而对无应答服务的节点个数不限，一个节点最多可以属于15个组，一个域最多可以有256个组。组地址的长度为1个字节。分组结构可以使一个报文同时为多个节点所接收。,

14、1）LonTalk协议的网络地址结构,安徽工程大学 研究生课程,25,芯片地址(Neuron ID)：每一个神经元芯片有一个独一无二的48位ID地址，这个ID地址是在神经元芯片出厂时由厂方规定的，这个ID码是唯一的。一般只在网络安装和配置时使用，可以作为产品的序列号。节点也可以用Neuron ID寻址。,安徽工程大学 研究生课程,26,2）寻址格式 一个通道是指在物理上能独立发送报文(不需要转发)的一段介质。LonTalk规定一个通道至多有32385个节点。通道并不影响网络的地址结构，域、子网和分组都可以跨越多个通道，一个网络可以由一个或多个通道组成。通道之间是通过桥接器(bridge)来连接

15、的。这样做不仅可以实现多介质在同一网络上的连接，而且可以使一个通道的网络信道不致过于拥挤。,安徽工程大学 研究生课程,27,（4） LonTalk协议的传输层和会话层 LonTalk协议的核心部分是传输层和会话层。一个传输控制子层管理着报文执行的顺序、报文的二次检测。传输层是无连接的，它提供1对1节点、1对多节点的可靠传输。信息认证(authentication)也是在这一层实现的。 会话层主要提供了请求/响应的机制，它通过节点的连接，来进行远程数据服务(remote servers)，因此使用该机制可以遥控实现远端节点的过程建立。LonTalk协议的网络功能虽然是在应用层来完成的，但实际上也

16、是由提供会话层的请求应答机制来完成的。,安徽工程大学 研究生课程,28,LonTalk协议提供四种类型的报文服务： 应答方式(acknowledge) 请求响应方式(request/response) 非应答重发方式(unacknowledged repeated) 非应答方式(unacknowledged) 这些报文服务除请求响应是在会话层实现外，其他三种都在传输层实现。,安徽工程大学 研究生课程,29,（5） LonTalk协议的表示层和应用层 LonTalk协议采用面向数据的应用协议。在这种方式下，节点间以标准工程单位或其它预定义的单位交换诸如温度、压力、状态和文字串等应用数据，而命令语

17、句封装在接收节点的应用程序中且不是将命令在网上传送。以这种方式，同一工程量可送到多个节点，然而每个节点对该数据有不同的应用程序。,安徽工程大学 研究生课程,30,LonTalk协议的表示层和应用层提供五类服务： 1)网络变量的服务 2)显示报文的服务 3)网络管理的服务 4)网络跟踪的服务 5)外来帧传输的服务,安徽工程大学 研究生课程,31,3. LonTalk协议使用中注意的问题 （1）LonTalk协议的网络认证 （2） LonTalk协议的网络接口协议 （3） LonTalk协议中的定时器 （4）网络效率,安徽工程大学 研究生课程,32,（1）LonTalk协议的网络认证 LonTal

18、k协议支持报文认证，即允许报文的接收者确定报文的发送方是否有权发送。它用于防止未授权节点介入应用。 （2） LonTalk协议的网络接口协议 LonTalk协议包含一个可选择的网络接口协议，该协议支持在任一主处理器上运行的LonWorks应用程序。主处理器可以是微处理器、微控制器或PC机。主处理器管理LonTalk协议的第6和7层，并且使用LonTalk网络接口管理协议的15层。LonTalk网络接口定义网络接口和主处理器之间的数据交换格式。,安徽工程大学 研究生课程,33,（3） LonTalk协议中的定时器 在使用LonTalk协议服务之前，需正确设置以下几个定时器： 事务定时器(Tram

19、saction Timer) 重发定时器(Repeat Timer) 组接收定时器(Group Receive Timer) 非组接收定时器（Non-Group Receive Timer） 缓冲器释放定时器(Free Buffer Wait Timer),安徽工程大学 研究生课程,34,（4）网络效率 网络的响应时间、安全性和可靠性是相互关联的。 例如，应答服务方式是最可靠的，但它与非应答方式和非应答重发方式相比需要较大的网络带宽；对具有优先权的报文实时发送，对其它报文的发送是不利的；使用报文认证服务可使安全性增加，但要传送的报文数量将是无报文认证服务的两倍。,安徽工程大学 研究生课程,35

20、,8.3系统结构,1 组成 节点 由应用CPU、I/O单元、通讯处理器、收发器和电源；其类型分为以神经元芯片为核心的控制节点和采用MIP结构的控制节点两种； 路由器：包括中继器、桥接器和路由器 收发器：主要由双绞线收发器（直接驱动、EIA-485和变压器耦合三种；P200）、电源线收发器、电力线收发器（调制、载波）、无线收发器、光纤收发器,安徽工程大学 研究生课程,36,节点的结构,主处理器,接口单元,神经元芯片,EPROM,复位电路,收发器,安徽工程大学 研究生课程,37,2 神经元芯片,主要包括MC143150和MC143120两大系列； MC143150支持外部存储器适合更为复杂的应用；

21、而MC143120不支持外部存储器本身不带ROM；一般由下列单元组成 （1）处理单元 内部含有三个处理器：,安徽工程大学 研究生课程,38,MAC处理器：完成介质访问控制 网络处理器：完成3-6层网络协议 应用处理器：完成用户的编程 （2）存储器 EEPROM:存放网络配置、地址表、48位神经元ID码、程序代码和只读数据； RAM:数据区、协议和网络缓冲区； （3）输入与输出,2 神经元芯片,安徽工程大学 研究生课程,39,神经元芯片和其它设备的互联是通过其11个I/O口，可根据不同外部设备的I/O要求，灵活的配置I/O方式；P195 （4）通信端口 为适合不同的通信介质可配置成三种模式：单端、 差分模式和专用模式； 单播：数据通讯通过单端输入输出管脚；在LON中使用最广泛，光纤、铜心电缆等,2 神经元芯片,安徽工程大学 研究生课程,40,差分模式：支持内部差分驱动 专用模式：直接提供没有编码和不加同步头的原始报文。 （5）时钟系统：通过外