1、自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡LonWorks 技術技術自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡LonWorks 技術技術1.概述2.LonTalk協議3.神經元芯片4.Nuron C編程5. LonWorks收發器技術 6. LonWorks網絡的管理網絡的管理 7. LonWorks應用案例應用案例自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡LonWorks“有什么用有什么用”可以將家用電器、調溫器、空調設備、電表、燈光控制系統等相互連接并和互聯網相連。可廣泛應用于樓宇、工廠自動化、家庭、火車和飛機等領域。提供一個控制網絡架構，給各種控制系統提供端到端的解決方案。自動化系統計算機網絡

2、自動化系統計算機網絡典型應用案例典型應用案例 智能樓宇、連鎖店應用智能樓宇、連鎖店應用自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡大門大門照相機照相機火警火警燈光燈光風扇風扇環境控制環境控制應用案例：基于應用案例：基于LonWorks的智能建筑的智能建筑Intelligent Building自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡1 LonWorks概述概述LonWorks技術的發明者是美國Echelon公司。自1991年第一代問世以來，現在已是第三代。第三代的LonWorks技術充分利用互聯網技術，將一個現場控制局域網變成一個借助廣域網跨越遠程地域的控制網絡，并提供端到端的各種增值服務。自動化

3、系統計算機網絡自動化系統計算機網絡LONWORKS networks are designed to transform everyday devices.自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡.into intelligent, interoperable, networked devices that communicate on a peer-to-peer basis using open standards.自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡. accessible from anywhere in the worldDimmer / SwitchHuman Machine

4、InterfaceSecurity CameraMotion SensorThermostatHVAC Valve Electronic BallastLonWorks Control NetworkOver the InternetFrom your browser自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡Building Automation Industrial AutomationHome/Utility Automation Transportation Automation LonWorks is focused on four primary markets自動化系統計算機網絡自動

5、化系統計算機網絡LonWorks節點通信介質和通信設備通信協議 LonWorks控制網絡的基本組成控制網絡的基本組成3大基本要素：大基本要素：按功能分類：按功能分類：LonWorks節點LonWorks路由器LonWorks Internet 連接設備LonWorks 收發器LonTalk協議LonWorks 網絡和節點開發工具LNS 網絡工具LonWorks 網絡管理工具自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡二、二、LonWorks 技術特點技術特點1、擁有三個處理單元的神經元芯片（、擁有三個處理單元的神經元芯片（Neuron芯片）芯片）2、支持多種通信介質（雙絞線、電力線、光纖、無線、支

6、持多種通信介質（雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外等）和它們的互連；紅外等）和它們的互連；3、LonTalk是是LON總線的通信協議，支持七層網絡協議總線的通信協議，支持七層網絡協議，提供了一個固化在神經元芯片的網絡操作系統；，提供了一個固化在神經元芯片的網絡操作系統；4、預測性退避堅持、預測性退避堅持CSMA。5、提供給使用者一整套節點的開發平臺，這包含單節點、提供給使用者一整套節點的開發平臺，這包含單節點開發工具開發工具NodeBuilder、多節點和系統網絡樣機開發工具、多節點和系統網絡樣機開發工具LonBuilder、節點應用程序開發語言、節點應用程序開發語言Neuron C等；等；6、

7、提供現成的網絡管理工具、網絡維護診斷工具、網絡、提供現成的網絡管理工具、網絡維護診斷工具、網絡操作系統；操作系統；7、支持面向對象的編程（網絡變量、支持面向對象的編程（網絡變量NV），以及），以及LonMark互操作協會的標準化工作，因而很容易實現網互操作協會的標準化工作，因而很容易實現網絡的互操作性。絡的互操作性。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡1.LonTalk特點 LonTalk協議遵循ISO定義 (OSI)模型，并提供了OSI所定義的全部7層服務。它的特點： (1) 支持雙絞線、電力線、無線、紅外線、同軸電纜和光纖在內的多種傳輸介質。（2）可以運行在任何主處理器(Host Pr

8、ocessor)上 （3） LonTalk協議使用網絡變量與其它節點通信。網絡變量可以是任何單個數據項也可以是結構體。（4） LonTalk協議支持總線型、星型、自由拓樸等多種拓樸結構類型 。（5）LonTalk尋址體系（分級：域、子網、節點）2. LonTalk協議協議自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡2. LonTalk的的7層協議層協議自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡2. LonTalk協議的網絡地址結構協議的網絡地址結構自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡LonTalk尋址體系域域子網子網1子網子網255 .節點節點1節點節點2

9、.節點節點127節點節點1節點節點2.節點節點127三層：域、子網、節點三層：域、子網、節點自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡網絡地址可以有網絡地址可以有3層結構：層結構： 域（域（Domain）、子網（）、子網（Subnet）和節點（）和節點（Node） 第第1 1層結構是域。域是一個或多個信道上節點的邏輯集合，層結構是域。域是一個或多個信道上節點的邏輯集合，通信只能在配置為相同域的節點之間進行，因此一個域便形成一個通信只能在配置為相同域的節點之間進行，因此一個域便形成一個虛擬網絡。虛擬網絡。 第第2層結構是子網。每一個域最多有層結構是子網。每一個域最多有255個子網。一個子網個子網。

10、一個子網是一個域內節點的邏輯集合。一個子網最多可以包括是一個域內節點的邏輯集合。一個子網最多可以包括127個節點。個節點。 第第3層結構是節點。子網內每一個節點被賦予一個層結構是節點。子網內每一個節點被賦予一個在該子網內惟一的節點號。該節點號為在該子網內惟一的節點號。該節點號為7位，因此，一個位，因此，一個域內最多可有：域內最多可有：255127=32385個節點。個節點。 自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡帶預測的帶預測的P-堅持堅持CSMA介介質訪問協議。質訪問協議。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡LonTalk協議的表示層和應用層網絡變量服務；顯示報文服務；網絡管理服務；網

11、絡跟蹤服務；外來幀傳輸服務。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡 LonWorks技術的硬件核心是神經元芯片。神經元芯片目前由TOSHIBA和Cypress兩家公司研制和生產，主要包含3150和3120兩大系列。3150支持外部存儲器，適合更為復雜的應用；而3120則不支持外部存儲器，它本身帶有ROM。3 LonWorks神經元芯片神經元芯片自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡3150 封封裝外形裝外形圖圖自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡圖圖 Neuron芯片方框圖芯片方框圖(p142)自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡3150引腳功能引腳功能自動化系統計算機網絡自動化系

12、統計算機網絡 1 CPU單元單元(p143) 該芯片內部裝有三個微處理器三個微處理器：MAC處理器、網絡處理器和應用處理器。 MAC處理器完成介質訪問控制，即OSI七層協議的1和2層，包括碰撞回避算法。 網絡處理器完成OSI的3 6層網絡協議。 應用處理器完成用戶的編程，其中包括用戶程序對操作系統的服務調用。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡 2存儲器存儲器(P144)存儲器的分配包括： 512bytes EEPROM： 網絡配置和地址表， 獨一無二的48位神經元ID碼， 用戶應用程序代碼和一般只讀的數據。 2048bytes RAM： 堆棧段、應用程序和系統程序的數據區， LonTal

13、k協議應用緩沖區和網絡緩沖區。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡 神經元芯片最多有64kB存儲器地址空間，但處理器提供外部存儲器接口能夠訪問到的是59392bytes；而剩下的6114字節是作為系統內部映射。 16384字節的外部存儲器用于存儲LON的操作系統。剩下的空間可作為用戶編寫的應用代碼，以及應用程序所需要的額外讀寫數據區、應用緩沖區和網絡緩沖區。 3120本身帶有10KB的EPROM，不支持外部存儲器。 在以神經元芯片為核心的節點設計中，多采在以神經元芯片為核心的節點設計中，多采用用3150。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡 IO4IO7可以通過編程設置成上拉；IO0I

14、O3帶有高電流( 20mA ) 接收（high current sink）；IO0IO10帶有TTL標準的遲滯輸入；IO0IO7帶有低電平檢測鎖存。 在一個控制單元中需要有采集和控制的功能，為此在神經元芯片上特設置11個IO口，這這11個個IO口可口可根據不同的需求進行靈活配置，便于同外圍設備進行根據不同的需求進行靈活配置，便于同外圍設備進行接口接口。如可配置成 RS232、并口并口、定時計數定時計數IO、位位IO等。3 輸入輸出輸入輸出(P144)自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡 神經元芯片帶有兩個片內定時計數器。(p144) 定時計數器定時計數器1稱為多路選擇定時計數器，它的輸入可

15、通過一個多路選擇開關，從IO4IO7四個IO中選擇一個，輸出可連至IO0。 定時計數器定時計數器2稱為專用定時計數器，它的輸入是IO4，輸出是IO1。 每個定時計數器包括：可以被CPU寫入的16位裝入寄存器；16位計數器；可以被CPU讀出的16位的鎖存器。IOIOIOIOIOIOIOIOIOIOIO自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡 神經元芯片的專用編程工具Neuron C提供IO定義，可以將11個IO配置成不同的IO對象； 通過函數io_in( )和io_out( )對所定義的IO進行輸入輸出操作。 神經元芯片的11個IO有34種預編程設置，可以有效地實現這11個IO的測量計時和控制等

16、功能。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡 4 通信端口通信端口(p146) 神經元芯片可以支持多種通信介質。使用最為廣泛的是雙絞線，其次是電力線，其他包括：無線、紅外、光纖、同軸電纜等。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡 神經元芯片通信端口為適合不同的通信介質，可以將五個通五個通信管腳信管腳配置三種不同的接口模式，以適合不同的編碼方案和不同的波特率。這三種模式是：單端(Single ended)、差分(differential)和專用模式(special purpose mode)。2013.4.22自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡1、單端模式、單端模式 單端模式是在LON

17、總線中使用最廣泛的一種模式，無線、紅外、光纖和同軸電纜都使用該模式。圖為單端模式的通信口配置。數據通信是通過單端輸入輸出管腳CP0和CP1。該模式還包含低有效的睡眠輸出(CP3)，它可以在神經元芯片進入睡眠狀態時使收發器進入掉電狀態。(p146)自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡2、差分模式、差分模式 在差分模式下，神經元芯片支持內部的差分驅動。圖為差分方式的框圖。采用差分方式類似于單端方式。區別是后者包括一個內部差分驅動，同時不再包括睡眠輸出。 差分方式也是采用差分曼切斯特編碼，數據格式完全和單端模式相同。(p147)自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡3、專用模式、專用模式(p1

18、47) 在一些專用場合，需要神經元芯片直接提供沒神經元芯片直接提供沒有編碼和不加同步頭的原始報文有編碼和不加同步頭的原始報文。 在這種情況下，需要一個智能的收發器處理從網絡上或從神經元芯片上來的數據。 發送的過程是：從神經元芯片接收到這種原始報文，重新編碼，并插入同步頭；接收的過程是：從網絡上收到數據，去掉同步頭，重新解碼，然后送到神經元芯片。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡5 時鐘系統(p148)l 在神經元芯片中包括一個分頻器，通過外部的一個輸入晶振來輸入時鐘。神經元正常工作頻率可以從 40MHz625kHz（625kHz是對于低電壓神經元芯片來說的）。自動化系統計算機網絡自動化系

19、統計算機網絡6 睡眠喚醒機制睡眠喚醒機制(p148) 神經元芯片可以通過軟件設置進入低電壓的睡眠狀態。在這種模式中，系統時鐘、使用的程序時鐘和計數器關閉，但是使用的狀態信息（包括神經元芯片的內部RAM）被保留。當有如下的輸入轉換時，正常的系統操作被恢復：l IO管腳的輸入（可屏蔽）IO4IO7。l Service Pin信號。l 通信端口（可屏蔽）。l 差分模式CP0或CP1。l 單端模式CP0。l 專用模式CP3。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡7Service Pin(p148) Service Pin是神經元芯片里的一個非常重要的管腳，在節點的配置、安裝和維護的時候都需要使用該管

20、腳。該管腳既能輸入也能輸出。輸出時輸出時，Service Pin通過一個低電平來點亮外部的LED，LED保持為亮表示該節點沒有應用代碼或芯片已壞；LED以1/2Hz的頻率閃爍表示該節點處于未配置狀態。輸入時輸入時，一個邏輯低電平使神經元芯片傳送一個包括48bit的Neuron ID網絡管理信息。為完成輸入輸出功能，該管腳的輸入輸出以76Hz的頻率、50的占空比復用。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡8 Watchdog定時器定時器 神經元芯片為防止軟件失效和存儲器錯誤，包含三個Watchdog定時器（每個CPU一個）。 如果應用軟件和系統沒有定時地刷新這些Watchdog定時器，整個神經

21、元芯片將自動復位自動復位。 Watchdog定時器的復位周期依賴于神經元芯片輸入時鐘的頻率，例如在輸入時鐘頻率為10MHz時， Watchdog定時器周期是0.84s。 當神經元芯片處于睡眠狀態時，所有的Watchdog定時器被禁止。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡三、LonWorks節點電路節點電路模型節點電路模型1節點電路模型節點電路模型2自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡是以ANSI C為基礎的一種編程語言。是專為神經元芯片而設計的一種編程語言。具有通信、事件調度、分布數據對象、和I/O功能。4. Neuron C編程語言編程語言自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡Ne

22、uron數據類型自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡網絡變量 (Network Variable)網絡變量是期望從網上其它裝置得到（輸入NV）或期望提供給網上其它裝置（輸出NV）的一個特定應用程序。輸入網絡變量對應輸出網絡變量，輸出網絡變量的更新使相應的輸入網絡變量更新；輸入網絡變量也可以通過輪詢方式獲得最新的輸出網絡變量值。裝置中的應用程序不需要知道輸入NV來自何處或輸出NV走向何處，當應用程序的輸出NV值發生變化時，只需把新值寫入一個特定的存儲單元?！敖壎ㄟ^程”能在一個裝置中的輸出NV與另一個裝置的輸入NV之間建立邏輯聯系。類似“虛擬線路”。綁定可以由LNS、LonBuilder、或L

23、onMaker for Windows完成。ioSwitch1nvoValuenviValueioLamp自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡程序調度Neuron C的程序調度是事件驅動(event driven)方式。當一個給定事件發生時，與之關聯的一段代碼被執行。Neuron C定義了5類事件：系統級事件、輸入輸出事件、定時器事件、網絡變量和顯示報文事件、用戶自定義事件調度程序允許編程者自定義事件。事件是通過When語句來定義的。When語句包含一個表達式，當表達式為真時，任務被執行。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡網絡變量 (Network Variable)網絡變量是在應用

24、程序中被定義的變量，可以是整型、字符型、結構型等，但不能是指針類型。一個網絡變量可以與一個或多個其他節點的同類型的網絡變量捆綁。一個節點最多可以定義62個網絡變量，一個網絡變量的長度不能超過31字節。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡網絡變量有4個預定義的事件自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡5. LonWorks節點節點1、以神經元芯片、以神經元芯片(Neuron Chip)為核心的控制節點為核心的控制節點Neuron Chip包含有CPU、I/O處理單元和通信處理器。一個神經元芯片+收發器就構成一個簡單的現場節點。自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡將神經元芯片作為通信協處

25、理器，用高性能的主機來完成復雜的測控功能。采用MIP結構的控制節點：將LonWorks協議延伸到多種主機；ShortStack微服務器：將現有設備接入lonWorks網絡的最快、最簡單、最便宜的方法。2、Host-Baesd的控制節點的控制節點自動化系統計算機網絡自動化系統計算機網絡支持多種通信介質，如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅支持多種通信介質，如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外等。外等。1 雙絞線收發器雙絞線收發器最廣泛的一種傳輸介質，支持3類收發器：直接驅動、EIA-485和變壓器耦合。1、直接驅動、直接驅動直接驅動是使用神經元芯片的通信端口作為收發器，同時加入電阻和瞬態抑制器作為電流限制