工業(yè)化計算機網(wǎng)絡11 典型的現(xiàn)場總線 LonWorks技術(shù)

1、LonWorks 現(xiàn)場總線技術(shù),第8章 LON和LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù),8.1 總體概述 8.2 LonTalk協(xié)議,LonWorks總線是一種基于嵌入式神經(jīng)元芯片的現(xiàn)場總線技術(shù)，具有強大的實力。 廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運輸設(shè)備、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域，具有極大的潛力。低成本和高性能是該總線的最大優(yōu)勢。 LonWorks總線是美國埃施朗Echelon公司開發(fā)研制的，并在Motorola和TOSHIBA等公司共同協(xié)作倡導下，于1990年正式公布形成的。,局部操作網(wǎng)絡LonWorks,圖 LonWorks總線的通信模型,8.1 總體概述,1.LonWorks技術(shù)特

2、點 （1）支持OSI七層模型的LonTalk通信協(xié)議 （2）神經(jīng)元芯片 （3）基于LNS的軟件工具 （LonWorks Network Operating System） （4）開放性,（1）支持OSI七層模型的LonTalk通信協(xié)議 LonTalk通信協(xié)議支持OSIRM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。,LonWorks Devices,（2）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

3、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Neuron C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。,芯片上集成有三個8位CPU： 介質(zhì)訪問處理器； 網(wǎng)絡處理器； 應用處理器。 網(wǎng)絡處理器和介質(zhì)訪問處理器通過存儲區(qū)中的網(wǎng)絡緩存區(qū)進行通信，并且網(wǎng)絡處理器通過應用緩存區(qū)與應用處理器通信。,（3）基于LNS的軟件工具 （LonWorks Network Operating System） LonWorks技術(shù)有多種基于LNS的

4、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)。,（4）開放性 LonWorks技術(shù)提供了開放系統(tǒng)設(shè)計平臺，使不同公司生產(chǎn)的同類LonWorks產(chǎn)品可以互操互換。 LonWorks產(chǎn)品的互操作標準由LonMark協(xié)會制定。 LonWorks通信速率為78kbit/s和1.25Mbit/s，對應的傳輸距離分別為2700m和130m，節(jié)點數(shù)為32000個，傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、光纜和電源線等。

5、支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，如總線形、星形、環(huán)形、自由形式和混合形式，組網(wǎng)方式方便、靈活。 LonWorks的信號傳輸采用可變長幀結(jié)構(gòu)，每幀的有效字節(jié)為30288個。,2.LON總線系統(tǒng)的開發(fā) 基于開發(fā)工具LonBuilder或NodeBuilder，使用Neuron C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Visual Control，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Flash ROM中。 對復雜系統(tǒng)，需編制自定義模塊。,8.2 LonTalk協(xié)議,1.Lon

6、Talk七層協(xié)議 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。,LonTalk協(xié)議提供一系列通信服務，可使一臺設(shè)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(shè)備功能的情況下發(fā)送和接收網(wǎng)絡上其它設(shè)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(shè)備進行交互。,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

7、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）物理層：定義通信信道上位流的傳輸，它確保源設(shè)備發(fā)送的位流準確地被目的設(shè)備接收。 （2）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。 （3）網(wǎng)絡層：定義設(shè)備名稱和地址，源設(shè)備的報文如何選擇路由到達一臺或多臺目的設(shè)備，以及當源設(shè)備和目的設(shè)備不在同一信道上時，如何確定報文路由。,（4）傳輸層：確保可靠的報文傳輸。 （5）會話層：對較低層數(shù)據(jù)交換加以控制。 （6）表示層：定義報文數(shù)據(jù)的編碼。 （7）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

8、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.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(coaxial cable) 光纖(fiber)， 用戶自定義的通信介質(zhì)。,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

9、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)。,（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（Logical Link Control） 介質(zhì)訪問控制MAC。 LLC與介質(zhì)無關(guān)，MAC則依賴于介質(zhì)。,1）MAC子層,MAC協(xié)議是確定設(shè)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 (Predictive PPresistent CSMA)。 優(yōu)先級帶預測的P堅持C

10、SMA,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。,2）鏈路層（邏輯鏈路控制） 鏈路層確保鏈路層數(shù)據(jù)單元（Link Protocol Data Unit，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。,（3）網(wǎng)絡層 在網(wǎng)絡層，LonTalk協(xié)議提供

11、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,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,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

12、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。,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)。,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

13、最多可以有32385個節(jié)點（255127）。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。, 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。,芯片地址(Neuron ID)： 每一個神經(jīng)元芯片有一個獨一

14、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Neuron ID尋址。,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。,（4） LonTalk協(xié)議的傳輸層和會話層 LonTalk協(xié)議的

15、核心部分是傳輸層和會話層。 一個傳輸控制子層管理報文執(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(remote servers)，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。,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(u

16、nacknowledged repeated) 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)。,（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。,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

17、跟蹤的服務 5)外來幀傳輸?shù)姆?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,（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15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。,（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(shè)置以下幾個定時器： 事務定時器(Tramsaction Timer) 重發(fā)定時器(Repeat Timer) 組接收定時器(Group Receive Timer) 非組接收定時器（Non-Group Receive Timer） 緩沖器釋放定時器(Free Buffer Wai