《現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用》課件8lonworks

第一節(jié)總體概述一、LonWorks技術(shù)特點(diǎn)

LonWorks是基于神經(jīng)元芯片的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),它是由美國(guó)Echelon公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo),于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層),其通訊速率從300bps至1.25Mbps不等,直接通信距離可達(dá)到2700ｍ(78kbps,雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì),并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品,被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。

LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實(shí)現(xiàn)。集成芯片中有3個(gè)8位CPU：一個(gè)用于完成開(kāi)放互連模型中第1～2層的功能，稱為介質(zhì)訪問(wèn)控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問(wèn)的控制與處理；第二個(gè)用于完成第3～6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量處理的尋址、處理、診斷、路徑選擇、軟件計(jì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等；第三個(gè)是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼，芯片中還具有存儲(chǔ)信息緩沖區(qū),以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。二、LonWorks應(yīng)用

LonWorks被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè)。為了支持LonWorks與其它協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)之間的互連與互操作,該公司正在開(kāi)發(fā)各種網(wǎng)關(guān),以便將LonWorks與以太網(wǎng)、FF、Modebus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統(tǒng)。另外,在開(kāi)發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面,LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)關(guān)就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的“關(guān)口”，網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器。第二節(jié)LonTalk協(xié)議一、LonTalk協(xié)議簡(jiǎn)介

所有LonWorks設(shè)備之間的相互通訊都采用了一種稱為L(zhǎng)onTalk的底層協(xié)議，它固化在每一個(gè)LonWorks設(shè)備的神經(jīng)元芯片（3120或3150兩種系列）中或片外存儲(chǔ)器中。采用神經(jīng)元芯片的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)含有LonTalk協(xié)議固件，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以可靠地通信。LonTalk協(xié)議特點(diǎn)1）采用分級(jí)編址方式，即域、子網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)地址。2）支持多種通信介質(zhì)。3）支持多點(diǎn)通信，互操作性強(qiáng)。4）發(fā)送的報(bào)文是很短的數(shù)據(jù)。5）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是低成本、低維護(hù)的單片機(jī)。層號(hào)OSI層次標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)LON提供的服務(wù)處理器7應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用定義標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量類型應(yīng)用處理器6表示層數(shù)據(jù)表示網(wǎng)絡(luò)變量、外部幀傳送網(wǎng)絡(luò)處理器5會(huì)話層遠(yuǎn)程操作請(qǐng)求/響應(yīng)、認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)處理器4傳送層端對(duì)端的可靠傳輸應(yīng)答、非應(yīng)答、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播、認(rèn)證等網(wǎng)絡(luò)處理器3網(wǎng)絡(luò)層目的地址尋址地址、路由網(wǎng)絡(luò)處理器2鏈路層介質(zhì)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)組幀幀結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)解碼、CRC差錯(cuò)檢測(cè)預(yù)測(cè)、CSMA磁撞回避、選擇優(yōu)先級(jí)、碰撞檢測(cè)MAC處理器1物理層電氣連接介質(zhì)、電氣接口MAC處理器2.LonTalk的七層協(xié)議1.物理層

LonTalk協(xié)議在物理層支持多種通信介質(zhì)，為了適應(yīng)不同的通信介質(zhì)而支持不同的數(shù)據(jù)解碼和編碼。例如，通常雙絞線使用差分曼徹斯特編碼；電力線使用擴(kuò)頻；無(wú)線通信使用頻移健控（FSK）。依據(jù)通信介質(zhì)的不同，具有300bps～l.25Mbps的通信速率，當(dāng)通信速率最高達(dá)1.25Mbit／s時(shí)，通信距離為130m；對(duì)78kbit／s的雙絞線，直接通信距離汪達(dá)2700m。

2.鏈路層

MAC子層：介質(zhì)訪問(wèn)控制

LLC子層：幀結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)解碼、CRC錯(cuò)誤檢查

二、LonTalk各層協(xié)議及功能

3.網(wǎng)絡(luò)層在網(wǎng)絡(luò)層，LonTalk協(xié)議提供給用戶一個(gè)簡(jiǎn)單的通信接口，定義了如何接收、發(fā)送、響應(yīng)等，在網(wǎng)絡(luò)管理上有網(wǎng)絡(luò)地址分配、出錯(cuò)處理、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證、流量控制，路由器的機(jī)制也是在這一層實(shí)現(xiàn)的。

4.傳輸層和會(huì)話層

LonTalk協(xié)議的核心部分是傳輸層和會(huì)話層。傳輸層管理著報(bào)文執(zhí)行的順序、報(bào)文的二次檢測(cè)，傳輸層是未連接的，它提供一對(duì)一節(jié)點(diǎn)、一對(duì)多節(jié)點(diǎn)的可靠傳輸。會(huì)話層主要提供了請(qǐng)求/響應(yīng)的機(jī)制，它通過(guò)節(jié)點(diǎn)的連接，來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程服務(wù)，因此使用該機(jī)制可以遙控實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的過(guò)程建立。

5.表示層和應(yīng)用層（l）網(wǎng)絡(luò)變量的服務(wù)（2）顯示報(bào)文服務(wù)（3）網(wǎng)絡(luò)管理的服務(wù)（4）網(wǎng)絡(luò)跟蹤的服務(wù)（5）外來(lái)幀傳輸?shù)姆?wù)第三節(jié)神經(jīng)元芯片

一、LON-Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口硬件結(jié)構(gòu)圖

1、網(wǎng)絡(luò)接口的基本功能

LON-Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口作為一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)能與LonWorks總線上所有分布在現(xiàn)場(chǎng)的智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)等的數(shù)據(jù)通信，起到“上傳下達(dá)”的橋梁作用。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有數(shù)據(jù)送到網(wǎng)上后，網(wǎng)絡(luò)接口要負(fù)責(zé)把所有發(fā)送給它的信息接收下來(lái)，并立即轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)上進(jìn)行監(jiān)視和處理；當(dāng)以太網(wǎng)有監(jiān)控命令或所設(shè)參數(shù)需要下達(dá)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接口也應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能，及時(shí)準(zhǔn)確地將以太網(wǎng)的信息發(fā)送給分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，為減輕以太網(wǎng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，網(wǎng)絡(luò)接口也應(yīng)提供對(duì)部分通信數(shù)據(jù)的打包、拆包和整理等功能。單片機(jī)AT89C55（作為網(wǎng)絡(luò)處理MCU），以及74LS373、62256等外圍器件，構(gòu)成以太網(wǎng)控制單元，負(fù)責(zé)TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)交換的處理

MC143150神經(jīng)元芯片（作為L(zhǎng)onWorks網(wǎng)絡(luò)的通信MCU）、外圍存儲(chǔ)器和收發(fā)器，構(gòu)成LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線控制單元，負(fù)責(zé)收發(fā)LonWorks報(bào)文，并實(shí)現(xiàn)對(duì)雙口RAM的尋址和數(shù)據(jù)訪問(wèn)RTL8019AS及其外圍器件(如隔離變壓器、RJ45)，支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的部分協(xié)議和物理接口可編程邏輯器件CPLD，負(fù)責(zé)MC143150和AT89C55兩個(gè)MCU的地址譯碼和讀寫(xiě)信號(hào)的轉(zhuǎn)換

雙口RAM，作為兩個(gè)處理器交換數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)

采用可編程邏輯器件CPLD，可以實(shí)現(xiàn)地址譯碼和讀寫(xiě)信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能，靈活性強(qiáng)，可以簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)。地址的選擇RAM62256：?jiǎn)纹瑱C(jī)A15接其片選，A14～A0接其A14～A0，故62256的32K地址空間編址為0000H～7FFFH。以太網(wǎng)卡RTL8019AS：A15接其SA9，A14接其SA8，A4～A0接其SA4～SA0，其32個(gè)字節(jié)的地址編址為8000H～801FH。雙口RAMIDT7132：A15和A14經(jīng)CPLD譯碼后，接其片選，其2K字節(jié)的地址編址為：F000H～F7FFH。2.軟件描述（1）嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

由于LonWorks接入以太網(wǎng)只是一個(gè)通信手段，主要用于監(jiān)控，傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此ISO七層結(jié)構(gòu)不必每層都有?？砂慈缦略瓌t選擇：應(yīng)用層滿足系統(tǒng)要求；省去會(huì)話層和表示層；傳輸層采用相對(duì)簡(jiǎn)單的UDP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層當(dāng)然要用IP協(xié)議；物理層和數(shù)據(jù)鏈路層因具體的物理網(wǎng)絡(luò)選為IEEE802.3如要考慮傳輸錯(cuò)誤的處理，還可簡(jiǎn)單的配上ICMP協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸

發(fā)送部分軟件框圖

發(fā)送部分首先在應(yīng)用層產(chǎn)生待傳送的數(shù)據(jù)，然后構(gòu)造UDP幀數(shù)據(jù)和IP幀數(shù)據(jù)，然后構(gòu)成符合IEEE802.3幀數(shù)據(jù)，最后啟動(dòng)NIC芯片發(fā)送到物理傳輸介質(zhì)上。

接收部分軟件

接收部分首先讀取IEEE802.3幀數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)包的解包，并通過(guò)判斷數(shù)據(jù)包的類型，轉(zhuǎn)入不同的處理子程序。其軟件框圖如下圖所示。

二、神經(jīng)元芯片

神經(jīng)元芯片技術(shù)和LonTalk協(xié)議是LonWorks技術(shù)的核心，LonTalk協(xié)議是固化在神經(jīng)元芯片中的。

Neuron芯片將通信協(xié)議和控制用微處理器有效地集成在一起，實(shí)現(xiàn)通信、控制、調(diào)度和I/O等功能。1、Neuron芯片的基本組成

Neuron芯片作為一種多處理器結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元芯片，有著完整的系統(tǒng)資源，其內(nèi)部集成有三個(gè)CPU，最高工作頻率可達(dá)10MHz。它設(shè)置有11編程輸入、輸出引腳（IO0～I(xiàn)O10），編程方法多達(dá)34種，方便了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。片內(nèi)設(shè)有EEPROM和RAM，支持有外部擴(kuò)展多種存儲(chǔ)器的接口，最大存儲(chǔ)空間允許有64KB。內(nèi)部含有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，能夠由固件產(chǎn)生15個(gè)軟件定時(shí)器。Neuron芯片的長(zhǎng)處還在于它的網(wǎng)絡(luò)通信功能，引出的五個(gè)通信引腳（CP0～CP4）提供了單端、差分和專用模式等三種網(wǎng)絡(luò)通信方式。

（1）處理器單元

Neuron芯片集成有三個(gè)處理器，其中一個(gè)用于執(zhí)行用戶編寫(xiě)的應(yīng)用程序，另外兩個(gè)完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。圖示意了Neuron芯片內(nèi)三個(gè)處理器的功能分配及與內(nèi)部共享存儲(chǔ)器區(qū)域之間的關(guān)系。1）MAC處理器是媒體訪問(wèn)控制處理器。它處理OSI七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的1，2層，主要包括驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)硬件以及執(zhí)行沖突回避算法等。MAC處理器使用位于共享存儲(chǔ)器中的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)與網(wǎng)絡(luò)處理器進(jìn)行通信。2）網(wǎng)絡(luò)處理器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的3～6層。它實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)變量處理、尋址、事務(wù)處理、文電鑒別、軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由等功能。網(wǎng)絡(luò)處理器通過(guò)共享存儲(chǔ)器中的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)與MAC處理器通信，并采用應(yīng)用緩沖區(qū)與應(yīng)用處理器進(jìn)行通信。應(yīng)用緩沖區(qū)也是設(shè)置在共享存儲(chǔ)器中的。對(duì)緩沖區(qū)的訪問(wèn)都用硬件信號(hào)燈來(lái)協(xié)調(diào)，以便在更新共享數(shù)據(jù)時(shí)消除競(jìng)爭(zhēng)。3）應(yīng)用處理器一方面執(zhí)行用戶編寫(xiě)的應(yīng)用程序代碼，另一方面執(zhí)行由用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。大多數(shù)應(yīng)用程序均可采用NeuronC語(yǔ)言來(lái)編制，使編程工作真正從繁瑣的匯編語(yǔ)言中解脫出來(lái)（2）存儲(chǔ)器分配

MC143150的外擴(kuò)存儲(chǔ)器接口總線中，有8位雙向數(shù)據(jù)總線、16位處理器驅(qū)動(dòng)的地址總線以及用于外部存儲(chǔ)器存取訪問(wèn)的兩個(gè)接口信號(hào)線R/W和E?？偟牡刂房臻g為64KB，其中有6KB的地址空間保留在芯片內(nèi)，剩余的58KB的地址空間供外擴(kuò)存儲(chǔ)器使用。在外擴(kuò)存儲(chǔ)器中，通常用16KB存放固件，其余的42KB用于存放用戶程序和數(shù)據(jù)信息。（3）應(yīng)用I/O口具有11個(gè)引腳的I/O接口提供有34種編程方式，另外，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可用于頻率和定時(shí)I/O。由固件產(chǎn)生的15種軟件定時(shí)器并不占用應(yīng)用處理器的運(yùn)算時(shí)間，而由完成網(wǎng)絡(luò)功能的處理器實(shí)現(xiàn)。因此，用戶可直接使用軟件定時(shí)器，不必考慮其具體操作。

Neuron芯片提供的11個(gè)I/O引腳（IO0～I(xiàn)O10）可通過(guò)編程設(shè)定為34種不同的I/O對(duì)象，支持電平、脈沖、頻率、編碼等各種信號(hào)模式，有直接I/O對(duì)象、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器I/O對(duì)象、串行I/O對(duì)象、并行I/O對(duì)象等供用戶選擇。它們與集成的硬件和固件一起可用于連接馬達(dá)、閥門、顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器、壓力傳感器、熱敏電阻、開(kāi)關(guān)量、繼電器、可控硅、轉(zhuǎn)速計(jì)、其他處理器和調(diào)制解調(diào)器等，方便了實(shí)際應(yīng)用。表1列舉了所有I/O對(duì)象的基本類型。I/O對(duì)象類型注

釋Bitinput/output位輸入/輸出Bitshiftinput/output位稱輸入/輸出Byteinput/output字節(jié)輸入/輸出Dualslopeinput雙積分輸入Edgedivideoutput脈沖沿分離輸出Edgeloginput邊沿跳變時(shí)間間隔序列輸入Frequencyoutput頻率輸出I2Cinput/outputI2C輸入/輸出Infraredinput遠(yuǎn)紅外輸入Leveldetectinput電平監(jiān)測(cè)輸入Magcardinput磁卡編碼輸入Magtracklinput經(jīng)錄入1輸入Muxbusinput/output多總線輸入/輸出Neurowireinput/output神經(jīng)元接口輸入/輸出Nibbleinput/output半字節(jié)輸入/輸出Oneshotoutput單穩(wěn)輸出Ontimeinput邏輯電持續(xù)時(shí)間輸入Parallelin