第3章 LonWorks技術(shù)和LON總線

1、第3章 LonWorks技術(shù)和LON總線3.1 概述 LON(Local Operating Networks)總線是美國Echelon公司1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，為集散式監(jiān)控系統(tǒng)提供了很強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)手段。 LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司推出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的完整的開發(fā)平臺(tái)。它可以解決在控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、構(gòu)成、安裝和維護(hù)中出現(xiàn)的大量問題。目前采用LonWorks技術(shù)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在工業(yè)、樓宇、家庭、能源等自動(dòng)化領(lǐng)域。LON總線也成為當(dāng)前最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。3.1.1 LonWorks技術(shù)的特點(diǎn) (1) 開放性:網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放，對(duì)任何用戶平等。(2) 通信媒介:可用任何的媒

2、介進(jìn)行通信，包括雙絞線、電力線、光纖、同軸電纜、無線電波、紅外等，而且在同一網(wǎng)絡(luò)中可以有多種通信媒介。(3) 互操作性: LonWorks技術(shù)的通信協(xié)議LonTalk是符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)定義的開放互連(OSI)模型。任何制造商的產(chǎn)品都可以實(shí)現(xiàn)互操作。(4) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):可以是主從式、對(duì)等式或客戶/服務(wù)式結(jié)構(gòu)。(5) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?有星形、總線形、環(huán)形以及自由形。(6) 網(wǎng)絡(luò)通信采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法。LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)稱之為“網(wǎng)絡(luò)變量”，它使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置，增加了通信的可靠性。(7) 通信的每幀有效字節(jié)數(shù)可從0到228個(gè)字節(jié)。(8) 通信速率可達(dá)1.25Mb/s，此時(shí)有

3、效距離為130m；78Kb/s的雙絞線，直線通信距離可達(dá)2700m。(9) LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在一個(gè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)32 385個(gè)。(10) 提供強(qiáng)有力的開發(fā)工具平臺(tái)LonBuilder與Nodebuilder。(11) LonWorks技術(shù)核心元件Neuron芯片內(nèi)部裝有3個(gè)8位微處理器、34種I/O對(duì)象核定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，還有LonTalk通信協(xié)議。Neuron芯片具備通信和控制功能。(12) 改善了CSMA，采用可預(yù)測(cè)P堅(jiān)持CSMA，這樣，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)很重的情況下，不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。3.1.2 LonWorks系統(tǒng)結(jié)構(gòu)LON現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)通過智能設(shè)備或節(jié)點(diǎn)與他們所處的環(huán)境進(jìn)行交

4、互作用，以及通過不同的通信介質(zhì)與其它的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。這種通信采用一種基于報(bào)文的控制協(xié)議。節(jié)點(diǎn)可以是采用神經(jīng)元芯片作為通信處理器和測(cè)控處理器，當(dāng)系統(tǒng)I/O接口比較多時(shí)，也可采用基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)，即神經(jīng)元芯片只作為通信處理器，測(cè)控工作由其它計(jì)算機(jī)完成。LON現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)包括：節(jié)點(diǎn)、通信介質(zhì)和通信協(xié)議。LonWorks技術(shù)是集成這樣一個(gè)LON網(wǎng)絡(luò)的完整的開發(fā)平臺(tái)。LonWorks技術(shù)包含所有設(shè)計(jì)、配置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)所需要的技術(shù)，主要包括以下部分；(1)Lonworks節(jié)點(diǎn)和路由器 (2)Lontalk協(xié)議 (3)Lonworks收發(fā)器 (4)Lonworks網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具 Lonworks節(jié)點(diǎn)又稱為智

5、能型節(jié)點(diǎn)，其核心技術(shù)是采用了神經(jīng)元芯片。神經(jīng)元芯片通過硬件、固件相 結(jié)合的技術(shù)，使一個(gè)神經(jīng)元芯片包含了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的大部分功能塊應(yīng)用 CPU、I/O處理單元、通信處理器以及固件中的Lontaik協(xié)議。神經(jīng)元芯片加上收發(fā)器就可以構(gòu)成典型的 Lonworks智能節(jié)點(diǎn)。 路由器是 Lonworks總線所特有的設(shè)備，路由器使得 LON總線突破傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線的限制不受通信介質(zhì)、 通信距離、通信速率的限制。 Lontalk協(xié)議是一種面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，支持 OSI 的 7層協(xié)議，具體實(shí)現(xiàn)形式是網(wǎng)絡(luò)變量。在構(gòu)造需要的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，僅僅通過 Lonworks網(wǎng)絡(luò)配置工具Lonmaker將各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行連接即可實(shí)現(xiàn)

6、節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信。Lontalk協(xié)議固化在 Neuron芯片中， 使得開發(fā)簡單方便。Lonworks收發(fā)器包括雙絞線收發(fā)器 電力線收發(fā)器、無線收發(fā)器、光纖收發(fā)器、紅外收發(fā)器等多種收發(fā)器，以適應(yīng)多種媒介的通信需要。在 Lon總線中，提供了一系列的網(wǎng)絡(luò)管理工具，完成網(wǎng)絡(luò)安裝、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的功能，Lonwork現(xiàn)場(chǎng)總線在這種意義上是一種現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)常使用的工具是 Lonbuilder，Lonmaker，Nodebuilder等。3.1.3 Neuron芯片及通信協(xié)議 LON網(wǎng)上的每個(gè)控制點(diǎn)我們稱之為LON節(jié)點(diǎn)或LonWorks智能設(shè)備，它包括一片Neuron芯片、傳感器和控制設(shè)備、收發(fā)器(用于

7、建立Neuron芯片與傳輸之間的物理連接)和電源。圖3.1給出了一種典型的LON節(jié)點(diǎn)的方框圖。圖 1. Neuron芯片 由圖3.1可以看出，Neuron芯片是節(jié)點(diǎn)的核心部分，它包括一套完整的通信協(xié)議，即LonTalk協(xié)議。從而可以確保節(jié)點(diǎn)間使用可靠的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行互操作。因?yàn)镹euron芯片可直接與它所監(jiān)視的傳感器和控制設(shè)備連接，所以一個(gè)Neuron芯片可以傳輸傳感器或控制設(shè)備的狀態(tài)，執(zhí)行控制算法，和其它Neuron芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等。使用Neuron芯片，開發(fā)人員可集中精力設(shè)計(jì)并開發(fā)出更好的應(yīng)用對(duì)象而無需耗費(fèi)太多的時(shí)間去設(shè)計(jì)通信協(xié)議、通信的軟件和硬件或系統(tǒng)操作，這樣就減少了開發(fā)的工作量，從而

8、節(jié)省大量的開發(fā)時(shí)間。 Neuron芯片在大多數(shù)LON節(jié)點(diǎn)中是一個(gè)獨(dú)立的處理器。如果節(jié)點(diǎn)需要具備更強(qiáng)的信號(hào)處理能力或I/O通道，Neuron芯片還可以用于與其它處理器進(jìn)行通信，共同構(gòu)成所需的節(jié)點(diǎn)。2LonTalk協(xié)議 LonTalk協(xié)議是遵循OSI參考模式的完整的7層協(xié)議。由于Neuron芯片的協(xié)議處理與通信媒介無關(guān)，因而能支持多種通信媒介，如：雙絞線、電力線、射頻、紅外線、同軸電纜和光纖等。 LonTalk尋址體系由三級(jí)構(gòu)成。最高一級(jí)是域(domain)，只有在同一個(gè)域中的節(jié)點(diǎn)才能相互通訊，可以說一個(gè)域（domain）即是一個(gè)網(wǎng)。第二級(jí)是子網(wǎng)(Subnet)。每個(gè)域可以有多達(dá)255個(gè)的子網(wǎng)。第

9、三級(jí)是節(jié)點(diǎn)(node)。每個(gè)子網(wǎng)可有多至127個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)還可以編成組，編成組的節(jié)點(diǎn)可以是不同子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)。一個(gè)域內(nèi)可指定256個(gè)組。Neuron芯片在制造后即有一個(gè)48位的字符串，用來惟一且永久的標(biāo)識(shí)每個(gè)芯片，用Newron ID表示。LonTalk協(xié)議還提供四種消息服務(wù)類型：應(yīng)答(ACKD)、請(qǐng)求/響應(yīng)(REQUEST)、非應(yīng)答式重發(fā)(UNACKD-RPT)、非應(yīng)答式(UNACKD)。3LONWORKS產(chǎn)品LONWORKS擁有開發(fā)、制作、安裝以及維護(hù)LON網(wǎng)所需要的所有工具。 （1）LONWORKS收發(fā)器 LONWORKS收發(fā)器是標(biāo)準(zhǔn)的成品，它簡化了LONWORKS節(jié)點(diǎn)的開發(fā)，提供了良好的

10、互操作性，減少了項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間以及開發(fā)成本。收發(fā)器在Neuron芯片和LON網(wǎng)間提供了一個(gè)物理量交換的接口。它適用于各種通信媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 （2）LONWORKS路由器 路由器是一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，由兩個(gè)Neuron芯片組成，用來連接不同通信媒介的LON網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然它還能控制網(wǎng)絡(luò)交通，增加信息通量和網(wǎng)絡(luò)速度。（3）電力線通信分析器 電力線通信分析器(PLCA)是一種易于使用的成本一效果分析儀器，用于分析應(yīng)用設(shè)備中電力線通信的可靠性。用PLCA測(cè)試電力線任意兩點(diǎn)間的通信，可以測(cè)試電路是否對(duì)Echelon電力線收發(fā)器適用。 （4）LONWORKS控制模塊 與收發(fā)器相同，LONWORKS控制模塊也是標(biāo)準(zhǔn)

11、的成品，在模塊中有一個(gè)Neuron芯片、通信收發(fā)器(也可不帶)、存儲(chǔ)器和時(shí)鐘振蕩器，只需加一個(gè)電源、傳感器/執(zhí)行器和寫在Neuron芯片中的應(yīng)用程序就可以構(gòu)成一個(gè)完整的節(jié)點(diǎn)。 （5）LONWORKS網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)間接口 LON網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口允許LONWORKS應(yīng)用程序在非Neuron芯片的主機(jī)上運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)任意微控制器、PC機(jī)、工作站或計(jì)算機(jī)與LON網(wǎng)絡(luò)的其它節(jié)點(diǎn)的通信。此外，網(wǎng)絡(luò)接口也可以作為與其它控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的網(wǎng)間接口，把不同的現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)連在一起，并用LON網(wǎng)接到異型網(wǎng)上。 （6）LON網(wǎng)服務(wù)工具 LON網(wǎng)服務(wù)工具用于安裝、配置、診斷、維護(hù)以及監(jiān)控LON網(wǎng)絡(luò)。LON節(jié)點(diǎn)的尋址、構(gòu)造、建立的

12、連接可以歸納于安裝。這是靠固化在Neuron芯片里的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的協(xié)議來支持的，全部或部分的網(wǎng)絡(luò)安裝可能在生產(chǎn)的最初就開始了，也有可能要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。無論安裝工作是在生產(chǎn)的開始還是在現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)都需要修改錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)或重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。 LonManager工具可解決系統(tǒng)安裝和維護(hù)的需要。既可用于實(shí)驗(yàn)室又可用于現(xiàn)場(chǎng)。 （7）LonBuilder和NodeBuilder開發(fā)工具 LonBuilder和NodeBuilder用于開發(fā)基于Neuron芯片的應(yīng)用。NodeBuilder開發(fā)工具可使設(shè)計(jì)和測(cè)試LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)中的單獨(dú)節(jié)點(diǎn)變得簡單。它用大家熟悉的Windows開發(fā)環(huán)境為用戶提供易于使用的聯(lián)機(jī)幫助。

13、 LonBuilder開發(fā)工具平臺(tái)集中了一整套開發(fā)LON控制網(wǎng)絡(luò)的工具。這些工具包括以下三個(gè)方面：開發(fā)多節(jié)點(diǎn)、調(diào)試應(yīng)用程序的環(huán)境； 安裝、構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序； 檢查網(wǎng)絡(luò)交通以確定適當(dāng)容量和調(diào)試改正錯(cuò)誤的協(xié)議分析器。3.1.4 網(wǎng)絡(luò)變量及顯式消息l. 網(wǎng)絡(luò)變量 LonTalk協(xié)議的表示層中的數(shù)據(jù)被稱為網(wǎng)絡(luò)變量。 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量NV(Network Variables)是節(jié)點(diǎn)的一個(gè)對(duì)象，LON網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系主要是通過網(wǎng)絡(luò)變量來實(shí)現(xiàn)的。它可定義為輸出網(wǎng)絡(luò)變量，也可定義為輸入網(wǎng)絡(luò)變量。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可定義62個(gè)到4 096個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序中被賦值后，LonTalk協(xié)議將

14、修改了的輸出網(wǎng)絡(luò)變量新值構(gòu)成隱式消息，透明地傳遞到可與之共享數(shù)據(jù)的其它節(jié)點(diǎn)，所以網(wǎng)絡(luò)變量又被稱為隱式消息。應(yīng)用程序不必考慮發(fā)送和接收的問題，因而用它開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)較為方便，且開發(fā)周期短。節(jié)點(diǎn)間共享數(shù)據(jù)，是通過連接輸出網(wǎng)絡(luò)變量到輸入網(wǎng)絡(luò)變量來實(shí)現(xiàn)的。只有數(shù)據(jù)類型相同的網(wǎng)絡(luò)變量才能建立輸入和輸出的連接，且只能在網(wǎng)絡(luò)安裝時(shí)借助LonBuilder管理器或LonManagr LonMaker安裝工具才能完成網(wǎng)絡(luò)變量的連接。 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)變量，它可以是整數(shù)、布爾數(shù)或字符串等，用戶可以完全自由地在應(yīng)用程序中定義各種類型的網(wǎng)絡(luò)變量。為增加網(wǎng)絡(luò)的互操作性，LonTalk協(xié)議中定義了標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量(SNVT)。目前

15、，它支持的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量有255種。當(dāng)然用戶不一定要使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量。 網(wǎng)絡(luò)變量的使用極大地簡化開發(fā)和安裝分散系統(tǒng)的處理過程，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)自定義，然后簡單地連接在一起或斷開某幾個(gè)連接，以構(gòu)成新的LONWORKS應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)變量通過提供給節(jié)點(diǎn)相互之間明確的網(wǎng)絡(luò)接口而極大地提高了節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品的互操作性。互操作性帶來的好處是：節(jié)點(diǎn)能很方便地安裝到不同類型的網(wǎng)絡(luò)中，并保持節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)配置獨(dú)立性。節(jié)點(diǎn)可以安裝到網(wǎng)絡(luò)中并且只要網(wǎng)絡(luò)變量數(shù)據(jù)類型匹配，就可以邏輯地建立與網(wǎng)上的其它節(jié)點(diǎn)的連接。為進(jìn)一步提高互操作性，LonTalk協(xié)議還提供SNVT(標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量)以及LonMark對(duì)象，對(duì)此本書不詳述。綜上所述，網(wǎng)絡(luò)

16、變量是一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)對(duì)象，它可以與一個(gè)或多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)變量相連接。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)變量從網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)定義了它的輸入和輸出，同時(shí)允許在分布式應(yīng)用環(huán)境中共享數(shù)據(jù)。無論何時(shí)，如果一個(gè)程序更新了它的網(wǎng)絡(luò)變量的值，則該值通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給所有的與該輸出網(wǎng)絡(luò)變量相連接的其他節(jié)點(diǎn)的輸人網(wǎng)絡(luò)變量。網(wǎng)絡(luò)變量大大地簡化了開發(fā)和安裝分布式系統(tǒng)的過程，促進(jìn)了節(jié)點(diǎn)間的互操作。2顯式消息(Explicit Messages) 盡管大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)采用的是網(wǎng)絡(luò)變量，但由于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量的數(shù)據(jù)長度一經(jīng)確定就不能改變，且最多只有3l個(gè)字節(jié)，所以限制了它的使用范圍。為此，Neuron C提供顯式消息這一數(shù)據(jù)類型。 顯式消息的數(shù)據(jù)長度是

17、可變的，且最長可以是228個(gè)字節(jié)。它提供有請(qǐng)求/響應(yīng)機(jī)制。某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求消息能調(diào)動(dòng)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)做出相應(yīng)的響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程過程調(diào)用。但與網(wǎng)絡(luò)變量相比，顯式消息是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間交換信息的更為復(fù)雜的方法。編程人員必須在應(yīng)用程序中生成、發(fā)送和接收顯式消息，因而要求編程人員必須深入了解更底層的知識(shí)，例如分配消息緩存區(qū)、節(jié)點(diǎn)尋址、請(qǐng)求/響應(yīng)及消息重發(fā)處理等等。 節(jié)點(diǎn)使用消息標(biāo)簽(MessageTags)發(fā)送和接收顯式消息。消息標(biāo)簽可以說是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信I/O口，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一默認(rèn)的輸入消息標(biāo)簽msg-in。同網(wǎng)絡(luò)變量一樣，必須在網(wǎng)絡(luò)安裝時(shí)建立輸入和輸出消息標(biāo)簽之間的連接，消息才能被發(fā)送至正確的節(jié)點(diǎn)，這樣，接

18、收節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信除了通過網(wǎng)絡(luò)變量外，還可以通過更加靈活的顯式報(bào)文來交換數(shù)據(jù)。 每一種類型的網(wǎng)絡(luò)變量(實(shí)際上是一種隱式報(bào)文)的數(shù)據(jù)長度都是固定的，任何一種類型的網(wǎng)絡(luò)變量的長度不能超過3l 字節(jié)；而顯式報(bào)文恰恰相反，它的數(shù)據(jù)長度是可變的。相同的報(bào)文碼(message code)在一個(gè)應(yīng)用中可能只包含1 字節(jié)的數(shù)據(jù)，而在另一個(gè)應(yīng)用中包含25 字節(jié)的數(shù)據(jù)，在顯式報(bào)文中，數(shù)據(jù)的最大長度為228 字節(jié)。因此，在數(shù)據(jù)量較大的應(yīng)用(例如數(shù)據(jù)的長度大于3l字節(jié))中，使用顯式報(bào)文比使用網(wǎng)絡(luò)變量更有效。顯式報(bào)文提供有四種服務(wù)方式：確認(rèn)方式；非確認(rèn)重復(fù)方式；非確認(rèn)方式；請(qǐng)求/應(yīng)答方式。 顯式報(bào)文不像網(wǎng)絡(luò)變量那樣只須

19、要簡單地賦值就可將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，它必須通過有關(guān)的函數(shù)顯式地發(fā)送與接收。Neuron C預(yù)定義了兩個(gè)對(duì)象：msg-out和msg-in來表示發(fā)送和接收的顯式報(bào)文。3.2 LonWorks節(jié)點(diǎn)LonWorks節(jié)點(diǎn)是同物理上與之相連的I/O設(shè)備交互作用并在網(wǎng)上使用LonTalk協(xié)議與其它節(jié)點(diǎn)相互通信的一類對(duì)象。一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)主要包含以下幾部分功能塊：應(yīng)用CPU、 I/O處理單元、通信處理器、收發(fā)器和電源。LonWorks節(jié)點(diǎn)有兩種基本組成類型。一種是將Neuron芯片作為節(jié)點(diǎn)中唯一的處理器，即充當(dāng)LON網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)又要完成基本的測(cè)控任務(wù)。這種結(jié)構(gòu)適合于I/O設(shè)備簡單，處理任務(wù)不復(fù)雜的系統(tǒng)，稱

20、之為基于Neuron芯片的節(jié)點(diǎn)(Neuron Chip hosted)。另外一種是將Neuron芯片制作為節(jié)點(diǎn)的通信處理器，充當(dāng)著LON網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口，節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序由功能更強(qiáng)的處理器來完成。這類節(jié)點(diǎn)適合于對(duì)處理能力、輸入/輸出能力要求較高的系統(tǒng)。稱之為基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)(host-based)。不論哪種類的節(jié)點(diǎn)都有一片Neuron芯片用于通信和控制、一個(gè)I/O接口用于連接一到多個(gè)I/O設(shè)備，另外，還有一個(gè)收發(fā)器負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)連接上網(wǎng)。圖3.2是基于Neuron芯片節(jié)點(diǎn)和基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)組成示意圖。 下面具體分析基于Neuron芯片節(jié)點(diǎn)和基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)組成。 圖3.2 基于Neuron芯片節(jié)點(diǎn)（

21、a）和基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn) (b)的結(jié)構(gòu)組成3.2.1基于Neuron芯片的LonWorks節(jié)點(diǎn) Neuron Chip hosted神經(jīng)元芯片是一組復(fù)雜的VLSI器件，通過獨(dú)具特色的硬件、 軟件相結(jié)合的技術(shù)，使一個(gè)神經(jīng)元芯片幾乎包含一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的大部分功能塊應(yīng)用CPU、I/O處理單元、通信處理器。 因此，一個(gè)神經(jīng)元芯片加上收發(fā)器便構(gòu)成一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)。 圖3.3為一個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。圖3.3 一個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖 3.2.2 基于主機(jī)的LonWorks節(jié)點(diǎn) Host Base神經(jīng)元芯片有一個(gè)8位的總線，目前支持最高主頻是10MHz，因此他所能完成的功能有限，對(duì)于一些復(fù)雜的控制，如:

22、帶有PID算法的單回路、多回路、多點(diǎn)的控制就顯得力不從心。采用Host Base結(jié)構(gòu)是解決這一矛盾的好方法，即:將神經(jīng)元芯片作為通信協(xié)處理器，用高級(jí)主機(jī)的資源來完成復(fù)雜的測(cè)控功能。圖3.4為一典型Host Base 結(jié)構(gòu)框圖。 圖3.4 典型Host Base 結(jié)構(gòu)框圖3.3.3 路由器路由器在LonWorks技術(shù)中是一個(gè)主要部分，這也是其它現(xiàn)場(chǎng)總線所不具備的功能，正是由于路由器的使用，使LON總線突破傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線的限制不受通信介質(zhì)、通信距離 、通信速率的限制。 所謂路由：哪一條線路可以使信息以最快、最方便地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。路由器是用來連接兩通道并在通道之間完成消息包傳遞的裝置。路由器工作在網(wǎng)

23、絡(luò)層，用來完成網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備的連接，并可用于互連不同類型的網(wǎng)絡(luò)。他提供各子網(wǎng)間網(wǎng)絡(luò)層的接口，用來處理數(shù)據(jù)包，把幀中的數(shù)據(jù)封裝進(jìn)底層的幀而不改變數(shù)據(jù)中所含的網(wǎng)絡(luò)地址，確定數(shù)據(jù)包的路由線路。使用路由器互連網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：各互連的邏輯子網(wǎng)仍保持獨(dú)立性，各個(gè)子網(wǎng)可以采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次分明。 路由器可以過濾掉子網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)包，只傳送跨子網(wǎng)的信息。路由器不僅可以用于局域網(wǎng)的互聯(lián)，也可以用于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間，廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的互聯(lián)。也可以在速度不同的網(wǎng)絡(luò)和傳輸介質(zhì)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸。在LonWorks技術(shù)中路由器包括以下幾種類型：1. 中繼器中繼器可以說是最簡單的路由器。它

24、主要完成的任務(wù)是在兩個(gè)通道間向前簡單地傳遞消息包。中繼器可以實(shí)現(xiàn)多通道、單子網(wǎng)的信息傳遞。 2. 網(wǎng)橋同中繼器一樣網(wǎng)橋也僅僅是簡單地在兩個(gè)通道間向前傳遞消息包，所不同的是它必須完成所傳送消息包的域地址匹配。也就是說，將要傳遞的消息包按其域地址傳送，而且不會(huì)送到其他的域去，網(wǎng)橋也可以實(shí)現(xiàn)多通道、單子網(wǎng)信息傳遞。 網(wǎng)橋位于OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層。 網(wǎng)橋不辨別不同的協(xié)議，讓任何一個(gè)協(xié)議的數(shù)據(jù)自由通過，網(wǎng)橋工作于數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層， 它是儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，在數(shù)據(jù)鏈路層將數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的幀不作修改或作少量的修改。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈 路層的MAC地址，網(wǎng)橋能夠解析他所接收到的數(shù)據(jù)幀并將數(shù)據(jù)發(fā)往要去的目

25、的地。通過網(wǎng)橋可以將兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)段(或局域網(wǎng))連接起來，可以濾掉屬于本網(wǎng)段內(nèi)部傳送的信息，只傳送跨網(wǎng)段的信息。網(wǎng)橋在工作時(shí)監(jiān)聽網(wǎng)上所有的數(shù)據(jù)傳輸，可以理解數(shù)據(jù)幀上的目標(biāo)地址(MAC地址)由此決定是否將數(shù)據(jù)像其他網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)。如果數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址與原地址不在同一網(wǎng)段上，則說明是發(fā)往其它網(wǎng)段，網(wǎng)橋就將此數(shù)據(jù)往其他網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋只能用于局域網(wǎng)的互聯(lián)。圖3.5 RTR-10路由器模塊構(gòu)成的路由器框圖3. 學(xué)習(xí)路由器 學(xué)習(xí)路由器可以監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的通信并學(xué)習(xí)域/子網(wǎng)的的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，然后，應(yīng)用它所學(xué)到的知識(shí)在通道間有選擇地路由消息包。學(xué)習(xí)路由器不能學(xué)習(xí)組編制的拓?fù)潢P(guān)系，也就是說，它不能路由使用組編址的所有消息包。

26、學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系：是通過學(xué)習(xí)建立自己的路由表。 路由器的學(xué)習(xí)過程：對(duì)學(xué)習(xí)路由器，首先必須建立路由表以確知子網(wǎng)相對(duì)路由器的位置，例如是在路由器的左方還是在路由器的右方。 下面通過例子來反映學(xué)習(xí)路由器路由表的建立過程，見圖3.6，設(shè)想一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，節(jié)點(diǎn)6與節(jié)點(diǎn)2捆綁在一起。當(dāng)節(jié)點(diǎn)6有消息要發(fā)往節(jié)點(diǎn) 2時(shí)，學(xué)習(xí)路由器1會(huì)檢測(cè)到該消息并檢測(cè)消息的源子網(wǎng)地址，然后在路由表中注釋子網(wǎng)2位于本路由器的下方，比較源子網(wǎng)地址和目標(biāo)子網(wǎng)地址，已不在同一個(gè)地址，所以消息被向上路由到子網(wǎng)1。 與此同時(shí)學(xué)習(xí)路由器2也檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)6發(fā)出的消息，和路由器1一樣，首先檢查消息的源子網(wǎng)地址，然后在路由表中注釋子網(wǎng)2位于本路由器上

27、方，由于是節(jié)點(diǎn)6發(fā)往節(jié)點(diǎn)2 的消息，所以此時(shí)的路由器2并不知道目標(biāo)子網(wǎng)相對(duì)于自己的位置(本子網(wǎng)沒有這一地址)，它只會(huì)向下路由消息。 假設(shè)節(jié)點(diǎn)2回送應(yīng)答消息，則學(xué)習(xí)路由器1會(huì)檢測(cè)到該消息并在路由表中注釋子網(wǎng)1位于本路由器上方，然后在路由表中發(fā)現(xiàn)子網(wǎng)2在本路由器的下方，從而將這個(gè)消息向下路由。當(dāng)消息到達(dá)子網(wǎng)2時(shí)，節(jié)點(diǎn)6以及學(xué)習(xí)路由器2都會(huì)檢測(cè)到，對(duì)此時(shí)的學(xué)習(xí)路由器2，已知目標(biāo)在自己的上方，所以它僅會(huì)在自己的路由表中子網(wǎng)1和子網(wǎng)2一樣位于本路由器的上方，而不會(huì)再路由該消息。圖3.6 路由表的建立過程 總之各子網(wǎng)首先必須發(fā)送消息，學(xué)習(xí)路由器在收到子網(wǎng)發(fā)送的消息后才能學(xué)習(xí)到子網(wǎng)的存在，從而正確的建立路由

28、表。路由器的選取必須考慮以下幾點(diǎn):(1) 如果在學(xué)習(xí)路由器的學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)通信量的急劇增加就可能帶來擁擠問題；(2) 如果是環(huán)形網(wǎng)，學(xué)習(xí)路由器無法精確地建立它的網(wǎng)絡(luò)映像；(3) 學(xué)習(xí)路由器不斷在學(xué)習(xí)，他會(huì)依照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而修改自己的路由表；(4) 學(xué)習(xí)路由器中的路由表不必顯示編程；(5) 學(xué)習(xí)路由器無法建立組地址路由表。 當(dāng)消息包在每個(gè)通道間傳送時(shí)，如果使用智能路由器可以提高整個(gè)系統(tǒng)的容量，比如：增加節(jié)點(diǎn)數(shù)目和增加節(jié)點(diǎn)捆綁連接的數(shù)目。 4. 配置路由器 同學(xué)習(xí)路由器一樣，配置路由器能借助內(nèi)部的路由標(biāo)在通道間選擇路由消息包，所不同的是，內(nèi)部的路由表示有網(wǎng)絡(luò)管理器建立。網(wǎng)絡(luò)管理器可以通過建立

29、子網(wǎng)地址及組網(wǎng)地址的路由表來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的通信能力，使網(wǎng)絡(luò)的通信能力達(dá)到最佳。 3.3 LON總線分散式通信控制處理器神經(jīng)元芯片 神經(jīng)元芯片是 LonWorks技術(shù)的核心。它既能管理通信 ，同時(shí)具有輸入/輸 出和控制功能。神經(jīng)元芯片內(nèi)部有三個(gè)8位的微處理器：MAC processor(介質(zhì)訪問CPU)、NETWORK processor(網(wǎng)絡(luò) CPU)和 APPLICATION processor(應(yīng) 用CPU)。其中，前兩個(gè)處理器管理通信，后一個(gè)留給用戶開發(fā)應(yīng)用程序。神經(jīng)元芯片的片內(nèi)附有固件 (Firmware)，該固件實(shí)現(xiàn) LonTalk通信協(xié)議的所有任務(wù)調(diào)度 。3.3.1神經(jīng)元芯片結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

30、1芯片結(jié)構(gòu)神經(jīng)元芯片家族中最初的成員是Neuron 3120xx和3150芯片。3120型的固件在它本身 的 10K ROM 中，3150型芯片的固件在外接的 ROM/EPROM/E PROM 中。 3120芯片不支持外部存儲(chǔ)器，本身自帶有ROM、RAM、E2PROM等存儲(chǔ)器。 3150支持外部存儲(chǔ)器，片內(nèi)無內(nèi)部ROM，但擁有訪問外部存儲(chǔ)器的接口，尋址空間可達(dá)64KB。3150芯片可用于設(shè)計(jì)應(yīng)用更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。擁有外部存儲(chǔ)器接口使得系統(tǒng)開發(fā)人員能夠使用64KB空間的42KB空間作為程序存儲(chǔ)區(qū)。對(duì)3150芯片而言因?yàn)椴痪哂袃?nèi)部ROM，所以通信協(xié)議等固件皆由開發(fā)工具攜帶，并與應(yīng)用程序代碼一起寫入

31、外部存儲(chǔ)器中。圖3.8為神經(jīng)元芯片的結(jié)構(gòu)框圖。表3.1為幾種型號(hào)的神經(jīng)元芯片的比較。 圖3.8 神經(jīng)元芯片的結(jié)構(gòu)框圖 3.3.2 芯片的CPU結(jié)構(gòu)Neuron芯片內(nèi)部有三個(gè)CPU：MAC CPU、網(wǎng)絡(luò)CPU和應(yīng)用CPU。如圖3.9所示。CPU-1是MAC CPU，即介質(zhì)訪問控制處理器(media access control)，完成介質(zhì)訪問控制，處理LonTalk協(xié)議的第1和第2層（ISO的OSI七層協(xié)議的1和2層(物理層和鏈路層)，這包括驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行避免沖突的算法。 介質(zhì)訪問控制處理器CPU -1和網(wǎng)絡(luò)處理器CPU-2通過共享存儲(chǔ)器中的網(wǎng)絡(luò)緩沖器進(jìn)行通信，正確的對(duì)網(wǎng)上報(bào)文進(jìn)行編解

32、碼。也就是說MAC處理器接收的信息通過共享的存儲(chǔ)器，傳送給網(wǎng)絡(luò)處理器。 CPU-2是網(wǎng)絡(luò)CPU，它實(shí)現(xiàn)LonTalk協(xié)議的第3到第6層，處理網(wǎng)絡(luò)變量、尋址、事務(wù)處理、權(quán)限證實(shí)、背景診斷、軟件計(jì)時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由等。同時(shí)，它還控制網(wǎng)絡(luò)通信端口，物理地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。該處理器用共享存儲(chǔ)區(qū)中的網(wǎng)絡(luò)緩存區(qū)與CPU-1通信，用應(yīng)用緩存區(qū)與CPU-3通信。CPU-3是應(yīng)用CPU，它完成用戶的編程，其中包括用戶程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的服務(wù)調(diào)用。每個(gè)處理器都有如表3.2所列的寄存器集，但三個(gè)處理器均可共享的數(shù)據(jù)和地址ALU、以及存儲(chǔ)訪問電路。在3150中，被任一處理器使用的地址、數(shù)據(jù)和讀/寫線均接到對(duì)應(yīng)的外部總線

33、上。 圖 3.9 芯片內(nèi)三個(gè)處理器和存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖每個(gè)CPU的最小指令周期之間包括三個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；每個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期等于兩個(gè)輸入時(shí)鐘周期。三個(gè)處理器的最小指令周期之間分別間隔一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，因而每個(gè)處理器在每個(gè)指令周期內(nèi)能夠訪問存儲(chǔ)器和ALU一次。這樣，在系統(tǒng)中三個(gè)處理器以流水線方式作業(yè)，在不影響性能的前提下降低了硬件要求。三個(gè)處理器可并行工作，不會(huì)造成耗時(shí)中斷和上下文交換。 一個(gè)處理器指令周期為3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，或6個(gè)輸入時(shí)鐘周期。大多數(shù)指令需17個(gè)處理器指令周期。在最大輸入時(shí)鐘周期頻率為 10MHz時(shí)，指令執(zhí)行時(shí)間在 0.6us4.2us之間。指令計(jì)算公式如下： 指令時(shí)間 = CPU指

34、令周期6 / 輸入時(shí)鐘頻率3.3.4.1 直接I/O對(duì)象直接I/O對(duì)象就是 IO0IO10中的每一個(gè)引腳均可配置成單個(gè)的位輸入或位輸出或其它功能的端口。輸入信號(hào)的電平為TTL電平，位輸入可從外接的邏輯電路，例如：觸點(diǎn)式表決器以及類似的電路中讀取與TTL電平兼容的邏輯信號(hào)。位輸出是CMOS電平，因而可驅(qū)動(dòng)外接的與CMOS電平以及TTL兼容的邏輯電路，如開關(guān)晶體管等。其中，IO0-IO3所具有的高電流吸收能力，也可用于驅(qū)動(dòng)較高電流的外部設(shè)備，如步進(jìn)電機(jī)等。 這種I/O對(duì)象類型用于讀或控制單個(gè)引腳的邏輯狀態(tài)，0相當(dāng)于低電位，而1相當(dāng)于高電位。對(duì)于位輸入，io_in( )函數(shù)返回值的數(shù)據(jù)類型為unsi

35、gned int，對(duì)于位輸出，輸出值被作為布爾類型，所以任何非零值均被當(dāng)作1。直接I/O對(duì)象包括： 位I/O對(duì)象 字節(jié)I/O對(duì)象 電平檢測(cè)輸入對(duì)象 半字節(jié)I/O對(duì)象 表3.3列出了直接I/O對(duì)象的各種不同的應(yīng)用表3.3 直接的I/O對(duì)象對(duì)象用到的引腳輸入/輸出比特(bit)輸入IO0IO100,1二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特(bit)輸出IO0IO100,1二進(jìn)制數(shù)據(jù)字節(jié)(B)輸入IO0IO70255二進(jìn)制數(shù)據(jù)字節(jié)(B)輸出IO0IO70255二進(jìn)制數(shù)據(jù)電平檢測(cè)(leveldetect)輸入IO0IO7邏輯0電平檢測(cè)半字節(jié)(nibble)輸入IO0IO7任意相鄰的4個(gè)引腳015二進(jìn)制數(shù)據(jù)半字節(jié)(nibble

36、)輸入IO0IO7任意相鄰的4個(gè)引腳015二進(jìn)制數(shù)據(jù)1. 位I/O對(duì)象IO0IO10中的每一個(gè)引腳均可配置成單個(gè)的位輸入或位輸出功能。其中，IO0-IO3所具有的高電流吸收能力，吸收電流20mA，IO4-IO3具有內(nèi)部可編程上拉電阻。2. 字節(jié)I/O對(duì)象IO0IO10中IO0-IO7 引腳均可配置成字節(jié)輸入或輸出功能。IO0-IO3所具有的高電流吸收能力，吸收電流20mA，IO4-IO3具有內(nèi)部可編程上拉電阻。3. 電平檢測(cè)輸入對(duì)象IO0-I07可分別配置為電平檢測(cè)輸入端口，用于檢測(cè)某一輸入端輸入的邏輯為“0”的電平。它能鎖存輸入引腳的負(fù)跳變，即使該負(fù)脈沖的脈寬很窄(10MHz，能檢測(cè)到的最短

37、脈寬為200ns的負(fù)脈沖)。主要應(yīng)用在脈沖計(jì)數(shù)（如多表的水表、氣表的脈沖計(jì)數(shù)），而像這樣200ns的窄脈沖可能會(huì)在軟件循環(huán)查尋檢測(cè)時(shí)漏掉，從而影響檢測(cè)精度。4. 半字節(jié)I/O對(duì)象IO0-I07可分別配置為半字節(jié)I/O端口，相鄰管腳可任意組合。 3.3.4.2 并行雙向I/O對(duì)象 并行雙向I/O對(duì)象有并行I/O對(duì)象、多總線I/O對(duì)象。并行(parallel)I/O對(duì)象 并行I/O對(duì)象使用所有11只引腳，其中IO0-I07是8位雙向數(shù)據(jù)線，IO8-IO10是3位控制信號(hào)線。借助令牌傳遞/握手協(xié)議，并行I/O可用來外接處理器，實(shí)現(xiàn)Neuron芯片與外接處理器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，最高傳輸速率可達(dá)3.3

38、Mb/s。圖3.15是并行方式管腳圖 并行方式的外接的處理器可以是計(jì)算機(jī)、微控制器或另一個(gè)Neuron芯片(作網(wǎng)關(guān)(gateway)、路由器(router)、網(wǎng)橋(bridge)或其它應(yīng)用)。圖3.16為使用Neuron芯片并行I/O的典型應(yīng)用。圖3.16 Neuron芯片并行I/O的典型應(yīng)用 3.3.4.3 串行雙向I/O對(duì)象IO8、IO10分別作為串行輸入和串行輸出端。 串行通信采用異步通信方式，幀結(jié)構(gòu) 由起始位、數(shù)據(jù)位、停止位組成。圖3.17 串行雙向I/O時(shí)序圖3.3.4.4 神經(jīng)元芯片兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中有一個(gè)處理器可寫的16位加載寄存器、一個(gè)16位計(jì)數(shù)器和一個(gè)

39、處理器可讀的16位鎖存器，該16位的寄存器一次只能訪問1個(gè)字節(jié)。圖3.18定時(shí)器/計(jì)數(shù)器引腳圖定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1輸入引腳可以是IO4、IO5、IO6、IO7中任意管腳，輸出管腳為IO0；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的輸入管腳為IO4，輸出管腳為IO1。I/O管腳并非固定分配給定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可以通過程序設(shè)定為不同功能管腳。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘和使能信號(hào)可由外部管腳或系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到，兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘相互獨(dú)立。圖3.18是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器引腳圖3.3.5 通信端口Neuron芯片擁有一多功能的通信端口，通信端口有5個(gè)引腳可以配置與多種傳輸媒介接口(網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器)相連接，且可實(shí)現(xiàn)較寬范圍的傳輸速率。并有三種

40、工作方式。分別是單端工作方式、差分工作方式和專用工作方式。表3.4是與每種工作方式對(duì)應(yīng)的引腳定義。 圖3.19是內(nèi)部收發(fā)器的方框圖表3.4 每種工作方式對(duì)應(yīng)的引腳定義管腳驅(qū)動(dòng)電流/mA差分模式單端模式專用模式CP014RX+(in)RX(in)RX(in)CPl14RX-(in)TX(out)TX(out)CP240TX+(out)TX使能輸出位時(shí)鐘輸出CP340TX-(out)睡眠輸出睡眠輸出或喚醒輸入CP414CDct(in)CDet(in)幀時(shí)鐘輸出圖3.19 內(nèi)部收發(fā)器的方框圖 為適合不同的通信介質(zhì)，神經(jīng)元芯片通信端口可以將五個(gè)通信管腳配置成三種不同的接口模式，以適合不同的編碼方案和不

41、同的波特率。對(duì)單端、差分工作方式使用差分曼徹斯特編碼。差分曼徹斯特編碼所提供的數(shù)據(jù)格式使得數(shù)據(jù)可在多種媒介中傳送。此外，差分曼徹斯特編碼對(duì)信號(hào)的極性不敏感，所以通信鏈路中的極性變化不會(huì)影響數(shù)據(jù)的接收。對(duì)單端、差分兩種工作方式可獲得的網(wǎng)絡(luò)位速率見表3.5。從單端、差分工作方式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率，可以看出網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率與Neuron芯片的輸入時(shí)鐘的大小有關(guān)。由表3.5列出了Neuron芯片的輸入時(shí)鐘速率與網(wǎng)絡(luò)可傳輸?shù)奈凰俾实膶?duì)應(yīng)關(guān)系。 3.3.5.1 單端工作方式 單端工作方式是最常使用的工作方式，用于實(shí)現(xiàn)收發(fā)器與多種傳輸媒介的連接，例如構(gòu)成自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙絞線、射頻、紅外、光纖以及同軸電纜網(wǎng)絡(luò)。圖3

42、.20給出的是單端工作方式時(shí)通信端口的配置。數(shù)據(jù)通信實(shí)際發(fā)生在CP0以及CPl引腳的單端入/出緩存器中。CP3引腳在Neuron芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)輸出低電平，收發(fā)器依此切斷有源電路的電源。CP4是沖突檢測(cè)輸入，當(dāng)硬件沖突檢測(cè)電路檢測(cè)到信道上有沖突時(shí)，通過該引腳告知Neuron芯片。該引腳低電平有效。圖3.20 單端工作方式通信端口配置圖在單端工作方式中，通信端口采用差分曼徹斯特編、解碼技術(shù)來編、解碼發(fā)送及接收的數(shù)據(jù)。圖3.21 是數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3.21 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)示意圖1. 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) （1） 同步頭(至少6位)：用于接收和發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的同步。同步頭：包括位同步和字節(jié)同步。位同步：是一

43、串全“1”碼。 字節(jié)同步：是一個(gè)位長的“0”碼，用于表明同步頭的結(jié)束、數(shù)據(jù)包第一字節(jié)的開始。（2）傳輸結(jié)束碼(至少2位)：用于表明發(fā)送包的結(jié)束。碼字是“1”或是“0”，取決于發(fā)送數(shù)據(jù)的最后一位的狀態(tài)。 2. 沖突檢測(cè) Neuron芯片有可選的沖突檢測(cè)功能。如果數(shù)據(jù)發(fā)送期間沖突檢測(cè)使能來自收發(fā)器的沖突檢測(cè) 輸入為低電平，且低電子持續(xù)時(shí)間至少有一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期(10MHz對(duì)應(yīng)的時(shí)間即200ns)，Neuron芯片即被告知數(shù)據(jù)發(fā)送過程中發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)應(yīng)重發(fā)。 固件在同步頭和數(shù)據(jù)包的結(jié)束處檢查沖突檢測(cè)標(biāo)志。 采用應(yīng)答服務(wù)。如果不使用沖突檢測(cè)，那么確信消息是否發(fā)送成功的惟一方法，即是采用應(yīng)答服務(wù)。使用應(yīng)

44、答服務(wù)時(shí)，必須設(shè)置重發(fā)定時(shí)器，以便節(jié)點(diǎn)有足夠的時(shí)間發(fā)送消息并收到應(yīng)答(如果線路上無路由器，傳輸速率為1.25Mb/s，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送及收到應(yīng)答的時(shí)間的典型值是48ms到96ms)。 如果重發(fā)定時(shí)器時(shí)間溢出，節(jié)點(diǎn)將重發(fā)消息。 3.3.5.2 差分工作方式 驅(qū)動(dòng)以及接收電路配置是差分線傳輸。在發(fā)送期間，數(shù)據(jù)輸出引腳CP2和CP3的狀態(tài)是反相的(驅(qū)動(dòng)狀態(tài))，即送出差分信號(hào)。 當(dāng)無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，狀態(tài)是高阻狀態(tài)(非驅(qū)動(dòng)狀態(tài))。接收引腳CP0和CPl上的差分接收電路提供有磁滯選擇，后面緊跟一個(gè)可選的低通濾波器來抑制噪聲。圖3.22 是差分工作方式的通信端口配置。圖3.22 差分工作方式的通信端口配置3.3.5

45、.3 專用工作方式在某些特殊應(yīng)用中，需要Neuron芯片提供無編碼數(shù)據(jù)，且無同步頭的同步數(shù)據(jù)傳輸方法。使用這種方法可以使Neuron芯片也具有一般通用微處理器的串行通信功能。在這樣的情況下，可由一智能發(fā)送器接收未編碼數(shù)據(jù)，然后依一定數(shù)據(jù)格式組報(bào)并插入同步頭，以同步頭方式向外傳送。接收方的智能接收器接收后檢測(cè)并丟棄同步頭，將還原的未編碼數(shù)據(jù)送至Neuron芯片或一般微處理器，如：Echelon公司開發(fā)的電力線傳輸模塊PLT-22就是以同步方式接收數(shù)據(jù)，然后丟棄同步頭，在專用工作方式下將為編碼數(shù)據(jù)以串行方式傳輸。其串行通信的時(shí)序如圖3.23 圖3.23 專用工作方式下串行通信的時(shí)序圖從圖中可看出專

46、用工作方式中，CP0串行數(shù)據(jù)輸入端，CP1是串行數(shù)據(jù)輸入端，CP2是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸蕉?，相?dāng)于幀起始位，CP4是位同步端。位同步速率就是系統(tǒng)的位傳送速率。這樣的收發(fā)器具有自身的輸入、輸出數(shù)據(jù)緩存器、智能控制功能以及提供握手信號(hào)，保證數(shù)據(jù)在Neuron芯片和收發(fā)器之間正確傳遞。此外專用工作方式的收發(fā)器還有如下許多特點(diǎn)： 1. 能夠從Neuron芯片配置收發(fā)器的各種參數(shù)。2. 能夠?qū)⑹瞻l(fā)器的各種參數(shù)告知Neuron芯片：多種通道工作； 多種比特速率工作；使用FEC糾錯(cuò)編碼； 使用沖突檢測(cè)。 使用專用工作方式權(quán)利是受限的，僅允許購買Neuron芯片以及收發(fā)器的用戶使用。當(dāng)使用專用工作方式時(shí)，在Neu

47、ron芯片和收發(fā)器間使用一專用協(xié)議。該協(xié)議的內(nèi)容是Neuron芯片和收發(fā)器之間每次以最高可達(dá)到125Mb/s(這時(shí)Neuron芯片的輸入時(shí)鐘是10MHz)的速率連續(xù)地交換16位一幀，這16位包括8位狀態(tài)字。 由于有與握手有關(guān)的開銷，實(shí)際可達(dá)到的最大比特速率是156kb/s。 3.3.8 服務(wù)引腳 服務(wù)管腳SERVICE輸入和漏極開路輸出交替，頻率是76 Hz，波形占空比是50。當(dāng)其作為輸出時(shí)，它能吸收20mA電流用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED；當(dāng)其用作輸入時(shí)，它有一個(gè)可選的片內(nèi)上拉電阻使輸入能被拉高為高電平而進(jìn)入無效狀態(tài)。當(dāng)然這只在LED與上拉電阻之間未連接時(shí)才使用。在Neuron芯片的固件控制下，該管腳

48、主要用在節(jié)點(diǎn)配置、安裝以及維護(hù)等過程中。例如：當(dāng)節(jié)點(diǎn)還未配置網(wǎng)絡(luò)地址信息時(shí)，LED閃爍，頻率是0.5Hz。當(dāng)服務(wù)管腳接地時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)在網(wǎng)上發(fā)送一個(gè)含有Neuron芯片ID值的網(wǎng)絡(luò)管理消息，網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備將使用該消息中包含的信息來安裝及配置該節(jié)點(diǎn)。 圖3.26所示的是一典型的服務(wù)管腳電路。表3.6列出了電路上LED的狀態(tài)。復(fù)位時(shí)，服務(wù)管腳的狀態(tài)不確定，服務(wù)管腳的上拉電阻默認(rèn)是使能。 圖3.26 一典型的服務(wù)管腳電路 表3.6 服務(wù)管腳的lED狀態(tài) 節(jié)點(diǎn)狀態(tài) 狀態(tài)代碼 服務(wù)管腳電路LED 非應(yīng)用或未配置 3 亮 未配置(有應(yīng)用) 2 閃爍 已配霞，硬件脫機(jī) 6 關(guān)閉 已配置 4 關(guān)閉 3.4 通信LO

49、N總線的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是他對(duì)多通信介質(zhì)的支持。由于突破了通信介質(zhì)的限制，LON總線可以根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇不同的收發(fā)器和介質(zhì)。3.4.1 雙絞線收發(fā)器 雙絞線收發(fā)器是一種最通用的類型，在許多設(shè)計(jì)方案中都會(huì)使用它。配置雙絞線收發(fā)器可滿足性價(jià)比要求。雙絞線收發(fā)器與Neuron芯片的接口有三種基本類型：直接驅(qū)動(dòng)、EIA-485和變壓器耦合。1直接驅(qū)動(dòng) 直接驅(qū)動(dòng)接口使用Neuron芯片的內(nèi)部收發(fā)器，并配有外接電阻、限流二極管和ESD保護(hù)裝置，如圖3.24所示。如果網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過64個(gè)，且各節(jié)點(diǎn)使用普通電源供電，電路板所支持的數(shù)據(jù)傳輸速率最高不超過125 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)配置選擇直接驅(qū)動(dòng)接口是

50、較為理想的。在這種模式下，一般的電壓范圍限制在09 V到Vdd-175 V。另外，為了使收發(fā)器的輸入管腳具有輸入ESD保護(hù)，電路配置使用了2 k的電阻，并用5l 的線路平衡電阻來預(yù)防短路和實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。圖3.27 直接網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)接口電路。圖3.27 直接驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)接口直接驅(qū)動(dòng)方式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過64個(gè)， 數(shù)據(jù)傳輸速率最高不超過125 Mb/s ，傳輸距離 30m。 2EIA485EIA485接口是現(xiàn)場(chǎng)總線中經(jīng)常使用的電氣接口，LON總線也同樣支持該電氣接口，LON總線可支持多種通信速率(最高可達(dá)125Mbps)，不同速率的其他通信參數(shù)可根據(jù)EIA485標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)。使用EIA485共模電壓比直

51、接驅(qū)動(dòng)要好，但不如變壓器耦合。EIA-485共模電壓是-7V一+12V，也可以在共模電壓中加入隔離。LonMark建議使用的EIA-485的通信速率是39kbps，在該速率下典型配置電路如圖3.28，可達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)，最長距離是660M(2 000英尺)。在EIA-485中最好所有節(jié)點(diǎn)使用共同的電壓，否則如果節(jié)點(diǎn)的共模電壓沒有加入隔離，由于EIA485需要共地，很容易損壞節(jié)點(diǎn)。圖3.28 EIA-485接口的典型配置電路3變壓器耦合變壓器耦合接口能夠滿足系統(tǒng)的高性能、高共模隔離以及同時(shí)具有噪聲隔離的作用。因此，目前相當(dāng)多的網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)器采用變壓器耦合的方式。LON總線中也有相當(dāng)一部分采用變壓器隔離

52、的方式。表3.7 采用變壓器隔離方式的幾種收發(fā)器。 型 號(hào) 通信速率 拓 撲 節(jié)點(diǎn)數(shù) 距 離 類 型 TPT/XF878kbps總線 64l 400m變壓器隔離 TPT/XF1250125Mbps總線 64130m變壓器隔離 FTT1078kbps總線/自由拓?fù)?642 700/500m變壓器隔離 這里以使用的最為廣泛的收發(fā)器FTT-l0自由拓?fù)涫瞻l(fā)器為例加以說明。FTT-10收發(fā)器支持沒有極性、自由拓?fù)?包括總線、星形、環(huán)形、樹型甚至幾種方式的組合)的互連方式。因此，F(xiàn)TT-l0收發(fā)器可以極大地方便現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)布線。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，一般采用總線拓?fù)?，?jié)點(diǎn)收發(fā)器包含一個(gè)線路接收和發(fā)送控制，通過

53、帶屏蔽的雙絞線互連一起；根據(jù)EIA-RS-485標(biāo)準(zhǔn)，所有設(shè)備必須通過雙絞線，采用總線方式互連在一起，防止線路反射和可靠通信。FTT-l0收發(fā)器很好地解決了這一限制，但采用自由拓?fù)涫且跃嚯x為代價(jià)總線連接可達(dá)2 700m而其他連接方式只有500m。值得注意的是，對(duì)于總線拓?fù)?，?jié)點(diǎn)和總線的距離不能超過1m，否則不是總線拓?fù)?。圖3.29是帶有信號(hào)調(diào)節(jié)的基本變壓器。FTT-10收發(fā)器包含一個(gè)隔離變壓器，一個(gè)曼切斯特編碼器，采用厚膜電路集成在一個(gè)芯片中。表3.8是FTT-10收發(fā)器的管腳及功能。 3.4.2 電源線收發(fā)器 這里的所謂電源線，指的是通信線和電源線共用一對(duì)雙絞線。使用電源線的意義在于，所有節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)48VDC中央電源供電，這對(duì)于一些電力資源匱乏的地區(qū)(例如，長距離的輸油管線的監(jiān)測(cè)，每隔一段距離就設(shè)置一個(gè)電源對(duì)節(jié)點(diǎn)供電，顯然是不經(jīng)濟(jì)的；使用電池也有經(jīng)常替換的問題)具有非常重要的意義；另一方面，通信線和電源線共用一對(duì)雙絞線，可以節(jié)約一對(duì)雙絞線。 電源線收發(fā)器由于采用的是直流供電，所以它可以和變壓器耦合的雙絞線直接互連。3.4.3 電力線收發(fā)器 電力線收發(fā)器，是將通信數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號(hào)或擴(kuò)頻信號(hào)，然后通過耦合器耦合到220V或其他交直流電力線上，甚至是沒有電力的雙絞線。這樣做的好處是利用已有的電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，大大減少了通信中遇到的繁瑣的布線。LonWorks電力線收發(fā)器提供