Lonworks技术原理与应用(第一章)

第二节 Lonworks的技术核心
9.复位 复位引脚是漏极开路、双向且低电平有效的引脚，内 部有一个电源充当上拉电阻。 Lonworks技术主要由以下三个核心部分组成： 1)MC143150或MC14312NEURON(神经元)芯片。
2)LonTalk协议，执行ISO/OSI参考模型提供全部七层服务。 3)节点开发工具(NODEBUILDER)和网络开发工具 (LONBUILD)。
第二节 Lonworks的技术核心
Lonworks的核心技术是具有3个8位的CPU神经元芯片 （Neuron Chip),同时具备通信与控制功能，并且固化了 Lontalk协议，以及34种常见的I/O控制对象。它采用了 ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了面向对象的 设计方法，Lonworks技术将其称之为“网络变量”，使 网络通信的设计简化成为参数设置。这样，不但节省了大 量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。 其通信的最高速率为1.25Mbit/s(有效距离为130m)，最 远通信距离为2700m(双绞线，通信速率为78kbit/s)， 节点总数可达32000个。网络的传输媒体可以是双绞线、 同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等，针对不同的 通信媒体有不同的收发器和路由器。
第二节 Lonworks的技术核心
3.I/O口 神经元芯片通过它的11个I/O口(IO0~IO10)与其他设备 互联。这些引脚可以根据不同的外部设备I/O的要求，灵活 配置输入输出方式，如图3所示。
图4 神经元芯片定时器结构框图
第二节 Lonworks的技术核心
4.通信接口 神经元芯片通过5只(CP0~CP4)与各种通信媒体接口 即网络收发器连接。为适合不同的通信媒体，可将5个管脚 配置为3种不同的接口模式：单端(Single-ended)、差分 (Differential)和专用模式。在单端模式和差分模式工作室， 通信端口使用曼彻斯特差分编码技术对发送和接收的数据 进行编码和解码。
第三节 Lonworks技术与BAS
1.基于LonWorks标准的自控系统 LonWorks技术实际上是一种测控网技术，确切的说 是一种工控网技术，也叫现场总线技术。它可以方便地实 现现场传感器、执行器、仪表等的联网。这种网络不同于 局域网，而是一种工控网，因为它传输数据量小的监测信 息、状态信息和控制信息。
第三节 Lonworks技术与BAS
90年代中期，BAS系统向系统集成方向发展，开始考 虑上层控制总线与其他子系统联网，BAS的信号传输和数据 通信网有了统一的通信协议，对多个供应商不同系统之间的 集成，常采用Bacnet(Building Automation Control Network) 互连标准，而现在LonWorks技术已开始从工业自控发展至 智能建筑BAS自控系统，它的开放性、互操作性、高可靠性、 无中心控制等优点已被世人所公认。 目前BAS的主流技术是：在现场总线采用Lonworks 技术，而在管理层采用Bacnet标准。
第二节 Lonworks的技术核心
单端模式：主要用于光缆、铜轴电缆、或无线射频收发器。 差分模式：主要用于连接带隔离变压器的双绞线网络收发器。 专用模式：CP2和CP4分别输出位和帧的同步信号，可用于 和用户设计的智能型网络收发器连接，便于用户任意构成自 己所需要的方式，这样就大大提高了神经元芯片在通信方式 上的灵活性。
第二节 Lonworks的技术核心
7.睡眠/唤醒机制 神经元芯片可在软件控制下进入低功耗睡眠模式，此 时关闭系统时钟和所有的定时器/计数器，但仍保留系统所 有的状态信息(包括片内RAM的内容)。当一下任一输入跳 变出现即可恢复正常操作：IO4~IO7管脚中的任一个，服务 功能管脚；通信端口。 8.服务引脚 服务引脚是神经元芯片里的一个非常重要的管脚， 在节点的配置、安装和维护的时候都需要使用该管脚。
第二节 Lonworks的技术核心
5.时钟系统
在神经元芯片中包括一个分频器，通过外部的晶振 输入时钟，神经元芯片的正常工作频率可以从10MHz 到625kHz(625kHz是对于低压神经元芯片来说的) 6.Watchdog定时器 神经元芯片为防止软件失效和存储器错误，包含三个 Watchdog定时器(每个CPU一个)如果应用软件和系统没有 定时地刷新这些Watchdog定时器，整个神经元芯片将自动 复位。当神经元芯片处于睡眠状态时，所有的Watchdog定 时器被禁止。
第二节 Lonworks的技术核心
图2 神经元芯片内部微处理器结构框图
第二节 Lonworks的技术核心
2.存储器 3150片内没有ROM，寻址空间为64KB，其中包括58KB 的片内存储器。其存储器映像如图2所示。外部存储器可以扩 展FLASH、ROM、E2PROM、RAM以及它们的组合。
图3 神经元芯片内部存储器映像
第三节 Lonworks技术与BAS
Bacnet比LonWorks有更为量大的数据通信能力，是可 以实现不同厂家的楼宇自动化系统互联的通信技术。
例如：利用Bacnet 技术可以使Honey Well或Johnson等 公司的一套BA系统与其他公共安全及消防系统连成一个整体， 并在一个工作站点上可以实现对这些系统的全部监控。
第一节 Lonworks技术的形成和发展
一、现场总线的形成 现场总线(Field Bus)是20世纪90年代在国际上发展形成 的，是用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的 现场智能设备互联通信网络，被誉为自动化领域的计算机局 域网。
第一节 Lonworks技术的形成和发展
一、现场总线的形成
5.HART(是Highway Addressable Remote Transducer的缩写)， 这种被称为可寻址的远程传感器高速通信开放协议，其特点是 在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向 数字系统转变的过渡产品。 6.CC-Link(是Control&Cmmunication Link控制与通信链路的缩 写)，1996年11月，有三菱带电机为主导的多家公司推出， 2005年7月CC—Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标 准指导性技术文件。
第一节 Lonworks技术的形成和发展
7.WorldFIP总线，WorldFIP的北美部分与ISP合并为FF以 后， WorldFIP 的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。 8.INTERBUS 是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线。 2000年2月成为国际标准IEC61158。其被广泛应用于汽车、 烟草、仓储、造纸、包装食品等工业领域。 9.Lonworks是由美国Echelon公司研发、于1990年正式公布 的现场总线网络。Lonworks的核心技术是具有3个8位的CPU 神经元芯片（Neuron Chip),同时具备通信与控制功能，并且 固化了Lontalk协议，以及34种常见的I/O控制对象。
第二节 Lonworks的技术核心
Lonworks技术的主要特特点：
开放性和互操作性。 分布式无主站控制。 系统结构灵活。 成本低，维护容易。
第二节 Lonworks的技术核心
1.神经元芯片 3150支持外部存储器，适合更为复杂的应用，而3120 则不支持外部存储器，适于简单的应用，大多数应用比 较复杂的场合均使用3150系列。 神经元芯片内部3个微处理器(CPU)分别是：1号媒体访 问控制(MAC)处理器、2号网络(Nentwork)处理器和3 号应用(Application)处理器，其结构如图1所示。
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第三节 Lonworks技术与BAS
3.LonWorks网与工业以太网
1)基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式的网络，非常适 合解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。 2)以太网能便捷地访问远程系统，实现远程诊断和远程维护， 共享/访问多数据库。 3)以太网使以万维网为基础的所有手段可以毫不费力地移植 到管控一体化系统中来。 4)能降低成本，包括技术人员的培训费用、系统维护费用及 初期投资。
第三节 Lonworks技术与BAS
2.Lonworks网络与Bacnet网络 Bacnet网络通信协议是由ASHRAE(美国暖通空调制冷工 程学会)发起制定并得到美国国家标准局(ANSI)认可的标准。
由于业主对集成技术不断提出更高的要求，要求建筑物 楼宇系统与高一级的企业管理系统加强联系，提高管理效率。 这就是在信息管理网一级上互联，解决不同厂商的自动化系 统集成。因此厂家可以按照Bacnet标准开发与Bacnet兼容的 控制器或接口，以在这一标准协议下实现相互交换数据的目 的。
第一代：PCS气动信号控制系统 第二 代：模拟信号信号控制系统 第三代：数字计算机集中式控制系统 第四代：DCS集散式分布控制系统 第五代：FCS现场总线控制系统（全分布式结构） 开放性，分散式与数字通信是现场总线最显著的特征。
第一节 Lonworks技术的形成和发展
二、几种主流现场总线简介 1.基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）（美国 1994年9月）是目前国际公认的不附属于任何企业的、公正的、 非商业化的国际标准。分为低速的H1和高速的H2两种通讯速 率。 2.CAN总线（ControllerAreaNetwork控制局域网）（德国） BOSCH公司与1993年推出，主要用于汽车内部的测量与执行 部件之间的通讯。
第三节 Lonworks技术与BAS
LonWorks网的主要特点：
1)网络拓扑结构灵活多变，可根据被控对象的结构特点采 用不同的网络连接方式。可以最大限度地降低布线系统 的复杂程度和工作量，提高系统可靠性和可维护性。
2)Lonworks网络是无主站点对点网络，其任一点的故障 不会造成系统瘫痪。 3)Neuron芯片内装有现成的I/O对象，固化了LonTalk协 议，并使用高级语言编程，大大缩短了开发周期，提高 了开发质量，能在短时间内开发出稳定可靠的系统。
第一节 Lonworks技术的形成和发展
Lonworks技术发展经历的几个重要阶段如下：
1990年，发明Lonworks技术、LonTalk协议。 1993年，LonMark互操作协会成立。 1997年，LNS网络操作系统体系结构。 1999年，协议成为ANSI/EIA-709.1 标准。 2001/2002年，LonWorks/IP路由技术PLT-22电力线以及双绞 线成为ANSI/EIA-709.2/3标准。 2002年，第3代工具——NodeBuilder3问世。 2006年Lonworks技术成为中国国家标准化指导性技术文件 GB/Z20177——2006。
3.DeviceNet总线（DeviceNet ）DeviceNet 局域CAN技术， 每个网络的最大节点数64个，其通讯模式为“生产者/消费者 （Producer/Consumer)，采用多信道广播信息发送方式。
第一节 Lonworks技术的形成和发展
4.PROFIBUS过程现场总线(Process Field Bus), PROFIBUS 是由德国13家公司和5家科研机构在联合开发项目中制定的规 范，是德国标准和欧洲标准。
第二节 Lonworks的技术核心
图1 神经元芯片3150内部结构框图
第二节 Lonworks的技术核心
1号媒体访问控制处理器：媒体访问控制处理器完成媒 体访问控制，也就是控制LonTalk七层协议中的第1层 物理层和第二层数据链路层，并可以驱动通信子系统的 硬件来完成冲突避免算法。 2号网络处理器：它控制网络协议中的第3层到第6层 (网络层、传输层、会话层和表示层)，可以完成网络变 量进程、编址、处理事务进程、报文鉴别、软件定时器、 网络管理和路由寻址等功能。 3号应用处理器：它实现网络协议的第7层应用层，执 行用户代码和用户代码调用的操作系统来进行工作，大 部分应用程序的编程语言为NeuronC。