第8章LON 和LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)

第8章LON和LonWorks

現(xiàn)場總線技術(shù)周鳴爭安徽工程大學計算機與信息學院1安徽工程大學研究生課程8.1總體概述LON（LocalOperatingNetworks）是Echelon公司開發(fā)的現(xiàn)場總線，并開發(fā)了配套的LonWorks技術(shù)。開放的總線平臺技術(shù)，該技術(shù)給各種控制網(wǎng)絡應用提供端到端的解決方案。LON和LonWorks技術(shù)可以應用于工業(yè)控制、交通控制、樓宇自動化等領(lǐng)域。2安徽工程大學研究生課程8.1總體概述1.LonWorks技術(shù)特點（1）發(fā)送的報文都是很短的數(shù)據(jù)（幾個到幾十個字節(jié)）（2）通訊帶寬不高<2M（3）節(jié)點往往是低成本、低維護的單片機（4）開放性3安徽工程大學研究生課程（5）支持OSI七層模型的LonTalk通信協(xié)議LonTalk通信協(xié)議支持OSI／RM的所有七層模型，是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡協(xié)議。LonTalk協(xié)議通過神經(jīng)元芯片實現(xiàn)，不僅提供介質(zhì)存取、事務確認和點對點通信服務；還提供一些如認證、優(yōu)先級傳輸、廣播／組播消息等高級服務。1.LonWorks技術(shù)特點4安徽工程大學研究生課程（6）神經(jīng)元芯片神經(jīng)元芯片是LonWorks技術(shù)的核心，它不僅是LON總線的通信處理器，而且是具有I/O和控制的通用處理器。神經(jīng)元芯片已提供了LonTalk協(xié)議的第1-6層，開發(fā)者只需用NeuronC語言開發(fā)。神經(jīng)元芯片包括3個8位CPU、RAM、ROM、通信接口和I/O接口。ROM中存儲操作系統(tǒng)、LonTalk協(xié)議和I/O函數(shù)庫；RAM用于存儲從網(wǎng)絡上下載的配置數(shù)據(jù)和應用程序。1.LonWorks技術(shù)特點5安徽工程大學研究生課程（7）基于LNS（LonWorksNetworkOperatingSystem）的軟件工具LonWorks技術(shù)有多種基于LNS的工具，用于LON網(wǎng)絡的維護和組態(tài)。LonMaker是圖形化工具，用于圖形繪制、系統(tǒng)調(diào)試和網(wǎng)絡的維修保養(yǎng)；節(jié)點開發(fā)工具NodeBuilder；節(jié)點和網(wǎng)絡安裝工具LonBilder；網(wǎng)絡管理工具LonManage以及客戶／服務器網(wǎng)絡構(gòu)架——LNS技術(shù)。1.LonWorks技術(shù)特點6安徽工程大學研究生課程2.LON總線系統(tǒng)的開發(fā)基于開發(fā)工具LonBuilder或NodeBuilder，使用NeuronC語言編程，即針對具體控制系統(tǒng)的要求編寫應用代碼，然后經(jīng)過編譯與通信協(xié)議代碼連接生成總的目標代碼，一起燒錄到節(jié)點的存儲器中；基于圖形方式的軟件開發(fā)工具VisualControl，通過組態(tài)構(gòu)成控制系統(tǒng)，自動編譯生成總的目標代碼，直接下載到節(jié)點的FlashROM中。對復雜系統(tǒng)，需編制自定義模塊。7安徽工程大學研究生課程8.2LonTalk協(xié)議1.LonTalk七層協(xié)議(1)特點LonTalk協(xié)議是LON總線的專用協(xié)議，是LonWorks技術(shù)的核心。它符合1SO/OSI參考模型的七層體系結(jié)構(gòu)，即含有物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。8安徽工程大學研究生課程LonTalk協(xié)議提供一系列通信服務，可使一臺設備的應用程序可以在不了解網(wǎng)絡拓撲、名稱、地址或其它設備功能的情況下發(fā)送和接收網(wǎng)絡上其它設備的報文。還提供端到端的報文確認，報文認證、打包業(yè)務和優(yōu)先傳送服務，支持網(wǎng)絡管理服務，允許遠程網(wǎng)絡管理工具與網(wǎng)絡設備進行交互。(1)特點9安徽工程大學研究生課程采用神經(jīng)元芯片的網(wǎng)絡節(jié)點含有LonTalk協(xié)議固件，使網(wǎng)絡節(jié)點可以可靠地通信。網(wǎng)絡節(jié)點是相互獨立的，任一節(jié)點發(fā)生故障時，不影響整個網(wǎng)絡工作，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。各節(jié)點具有本地存儲和處理能力，系統(tǒng)的安全性很高，能在系統(tǒng)規(guī)模大時避免網(wǎng)絡通信的沖突和網(wǎng)絡速度的局限性。(1)特點10安徽工程大學研究生課程（2）協(xié)議模型（a）物理層：定義通信信道上位流的傳輸，它確保源設備發(fā)送的位流準確地被目的設備接收。（b）數(shù)據(jù)鏈路層：定義介質(zhì)訪問方法和單一信道的數(shù)據(jù)編碼。（c）網(wǎng)絡層：定義設備名稱和地址，源設備的報文如何選擇路由到達一臺或多臺目的設備，以及當源設備和目的設備不在同一信道上時，如何確定報文路由。11安徽工程大學研究生課程（d）傳輸層：確?？煽康膱笪膫鬏?。（e）會話層：對較低層數(shù)據(jù)交換加以控制。（f）表示層：定義報文數(shù)據(jù)的編碼。（g）應用層：定義一種低層交換數(shù)據(jù)的公共語義解釋，使不同應用程序中的網(wǎng)絡變量改變時，均能自動將更新的網(wǎng)絡變量值下傳(發(fā)送)或上傳(接收)。應用層還定義了一個文件傳輸協(xié)議，用來傳輸應用程序間的傳輸流。（2）協(xié)議模型12安徽工程大學研究生課程2.LonTalk各層協(xié)議及功能（1）物理層LonTalk協(xié)議支持一種或多種不同傳輸介質(zhì)構(gòu)成的網(wǎng)絡；傳輸介質(zhì)：雙絞線(twisted-pair)、電力線(powerline)、無線射頻(radio-frequency)、紅外線（infrared）、同軸電纜(coaxialcable)和光纖(fiber)，甚至是用戶自定義的通信介質(zhì)。13安徽工程大學研究生課程不同介質(zhì)的傳輸距離、傳輸速率、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)以及所使用的收發(fā)器均不相同，為支持各種傳輸介質(zhì)，物理層協(xié)議支持多種通信協(xié)議。收發(fā)器是神經(jīng)元芯片與信道的接口，LonTalk協(xié)議支持在通信介質(zhì)上的硬件碰撞檢測，可自動地將正在發(fā)生碰撞的報文取消，重新再發(fā)。（1）物理層14安徽工程大學研究生課程（2）鏈路層為使數(shù)據(jù)幀傳輸獨立于所采用的物理介質(zhì)和介質(zhì)訪問的控制方法，將數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個子層：邏輯鏈路控制LLC（LogicalLinkControl）和介質(zhì)訪問控制MAC。LLC與介質(zhì)無關(guān)，MAC則依賴于介質(zhì)。15安徽工程大學研究生課程1）MAC子層MAC協(xié)議是確定設備安全地傳送數(shù)據(jù)包，減少沖突的控制算法。MAC協(xié)議是CSMA（載波信號多路偵聽）協(xié)議的改進：帶預測的P—堅持CSMA(PredictiveP－presistentCSMA)。優(yōu)先級帶預測的P—堅持CSMA16安徽工程大學研究生課程LonWorks的MAC子層的優(yōu)點：支持多介質(zhì)的通信，支持低速率的網(wǎng)絡，可以在重負載的情況下保持網(wǎng)絡性能，保證在過載情況下不會因為沖突而降低吞吐量。當使用支持硬件沖突檢測的傳輸介質(zhì)(如雙絞線)時，一旦收發(fā)器檢測到?jīng)_突，LonTalk協(xié)議就可以有選擇地取消報文的發(fā)送，這使節(jié)點可以馬上重新發(fā)送并使沖突不再重發(fā)，有效地避免了碰撞。17安徽工程大學研究生課程2）鏈路層（邏輯鏈路控制）鏈路層確保鏈路層數(shù)據(jù)單元（LinkProtocolDataUnit，LPDU）的數(shù)據(jù)在子網(wǎng)內(nèi)順序無響應傳輸。提供錯誤檢測，但不提供錯誤恢復，當一幀數(shù)據(jù)CRC效驗錯，該幀被丟掉。18安徽工程大學研究生課程（3）網(wǎng)絡層在網(wǎng)絡層，LonTalk協(xié)議提供給用戶一個簡單的通信接口，定義了如何接收、發(fā)送、響應等，在網(wǎng)絡管理上有網(wǎng)絡地址分配、出錯處理、網(wǎng)絡認證、流量控制、路由器機制。1）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu)2）尋址格式19安徽工程大學研究生課程1）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu)LonTalk地址唯一地確定一個LonTalk數(shù)據(jù)包的源節(jié)點或目標節(jié)點，路由器則利用這些地址在信道之間選擇數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。為了簡化路由選擇，LonTalk協(xié)議定義了分級的網(wǎng)絡地址形式：域(Domain)子網(wǎng)(Subnet)節(jié)點(Node)地址組地址20安徽工程大學研究生課程①域地址(domain)：域是一個信道或多個信道上的節(jié)點的邏輯集合。一個域就是一個實際意義上的網(wǎng)絡，通信只能在同一域中配置的節(jié)點之間進行。多個域可以占用同一個信道，所以，域地址可以用來隔離不同網(wǎng)絡上的節(jié)點。域的結(jié)構(gòu)可以保證在不同的域中通信是彼此獨立的。域標識符是唯一的。1）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu)21安徽工程大學研究生課程②子網(wǎng)地址(Subnet)：一個子網(wǎng)是在同一域中節(jié)點的邏輯集合，是一個或多個通道的邏輯分組。一個子網(wǎng)最多可有127個節(jié)點，一個域最多可有255個子網(wǎng)。一種子網(wǎng)層的智能路由器產(chǎn)品可以實現(xiàn)子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)交換。子網(wǎng)中的所有節(jié)點必須在同一信道上，如果一個節(jié)點屬于兩個域，該節(jié)點必須屬于每個域中的一個子網(wǎng)。1）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu)22安徽工程大學研究生課程③節(jié)點地址（Node）：節(jié)點地址是節(jié)點被賦予的所屬子網(wǎng)內(nèi)的唯一的節(jié)點標識碼。節(jié)點的標識碼為7位，所以每個子網(wǎng)最多可以有127個節(jié)點。一個域中最多可以有32385個節(jié)點（255×127）。任一節(jié)點可以分屬一個或兩個域，容許一個節(jié)點作為兩個域之間的網(wǎng)關(guān)(gateway)，也容許一個節(jié)點將采集來的數(shù)據(jù)分別發(fā)向兩個不同的域。1）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu)23安徽工程大學研究生課程④地址(Group)：組是一個域內(nèi)節(jié)點的邏輯集合。與子網(wǎng)不同，組不需要考慮節(jié)點的物理位置。組可以包括路由器，一個組可在一個域中跨越幾個子網(wǎng)，或幾個通道。每一個組對于需應答服務的節(jié)點最多可包含64個，而對無應答服務的節(jié)點個數(shù)不限，一個節(jié)點最多可以屬于15個組，一個域最多可以有256個組。組地址的長度為1個字節(jié)。分組結(jié)構(gòu)可以使一個報文同時為多個節(jié)點所接收。1）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu)24安徽工程大學研究生課程⑤芯片地址(NeuronID)：每一個神經(jīng)元芯片有一個獨一無二的48位ID地址，這個ID地址是在神經(jīng)元芯片出廠時由廠方規(guī)定的，這個ID碼是唯一的。一般只在網(wǎng)絡安裝和配置時使用，可以作為產(chǎn)品的序列號。節(jié)點也可以用NeuronID尋址。25安徽工程大學研究生課程2）尋址格式一個通道是指在物理上能獨立發(fā)送報文(不需要轉(zhuǎn)發(fā))的一段介質(zhì)。LonTalk規(guī)定一個通道至多有32385個節(jié)點。通道并不影響網(wǎng)絡的地址結(jié)構(gòu)，域、子網(wǎng)和分組都可以跨越多個通道，一個網(wǎng)絡可以由一個或多個通道組成。通道之間是通過橋接器(bridge)來連接的。這樣做不僅可以實現(xiàn)多介質(zhì)在同一網(wǎng)絡上的連接，而且可以使一個通道的網(wǎng)絡信道不致過于擁擠。26安徽工程大學研究生課程（4）LonTalk協(xié)議的傳輸層和會話層LonTalk協(xié)議的核心部分是傳輸層和會話層。一個傳輸控制子層管理著報文執(zhí)行的順序、報文的二次檢測。傳輸層是無連接的，它提供1對1節(jié)點、1對多節(jié)點的可靠傳輸。信息認證(authentication)也是在這一層實現(xiàn)的。會話層主要提供了請求/響應的機制，它通過節(jié)點的連接，來進行遠程數(shù)據(jù)服務(remoteservers)，因此使用該機制可以遙控實現(xiàn)遠端節(jié)點的過程建立。LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡功能雖然是在應用層來完成的，但實際上也是由提供會話層的請求／應答機制來完成的。27安徽工程大學研究生課程LonTalk協(xié)議提供四種類型的報文服務：應答方式(acknowledge)請求／響應方式(request/response)非應答重發(fā)方式(unacknowledgedrepeated)非應答方式(unacknowledged)這些報文服務除請求／響應是在會話層實現(xiàn)外，其他三種都在傳輸層實現(xiàn)。28安徽工程大學研究生課程（5）LonTalk協(xié)議的表示層和應用層LonTalk協(xié)議采用面向數(shù)據(jù)的應用協(xié)議。在這種方式下，節(jié)點間以標準工程單位或其它預定義的單位交換諸如溫度、壓力、狀態(tài)和文字串等應用數(shù)據(jù)，而命令語句封裝在接收節(jié)點的應用程序中且不是將命令在網(wǎng)上傳送。以這種方式，同一工程量可送到多個節(jié)點，然而每個節(jié)點對該數(shù)據(jù)有不同的應用程序。29安徽工程大學研究生課程LonTalk協(xié)議的表示層和應用層提供五類服務：1)網(wǎng)絡變量的服務2)顯示報文的服務3)網(wǎng)絡管理的服務4)網(wǎng)絡跟蹤的服務5)外來幀傳輸?shù)姆?0安徽工程大學研究生課程3.LonTalk協(xié)議使用中注意的問題（1）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡認證（2）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡接口協(xié)議（3）LonTalk協(xié)議中的定時器（4）網(wǎng)絡效率31安徽工程大學研究生課程（1）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡認證LonTalk協(xié)議支持報文認證，即允許報文的接收者確定報文的發(fā)送方是否有權(quán)發(fā)送。它用于防止未授權(quán)節(jié)點介入應用。（2）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡接口協(xié)議LonTalk協(xié)議包含一個可選擇的網(wǎng)絡接口協(xié)議，該協(xié)議支持在任一主處理器上運行的LonWorks應用程序。主處理器可以是微處理器、微控制器或PC機。主處理器管理LonTalk協(xié)議的第6和7層，并且使用LonTalk網(wǎng)絡接口管理協(xié)議的1～5層。LonTalk網(wǎng)絡接口定義網(wǎng)絡接口和主處理器之間的數(shù)據(jù)交換格式。32安徽工程大學研究生課程（3）LonTalk協(xié)議中的定時器在使用LonTalk協(xié)議服務之前，需正確設置以下幾個定時器：事務定時器(TramsactionTimer)