第二章认识LON和LonWorks现场网络控制技术

LON和LonWorks技术

●LON（Local Operating Networks）是Echelon公司开发的现场总线，并开

发了配套的LonWorks技术。

●开放的总线平台技术，该技术给各种控制网络应用提供端到端的解决方

案。

●LON和LonWorks技术可以应用于工业控制、交通控制、楼宇自动化等领

域。

第一节总体概述

一、LonWorks技术特点

1、支持OSI七层模型的LonTalk通信协议

●LonTalk通信协议支持OSI／RM的所有七层模型，是直接面向对象的网

络协议。

●LonTalk协议通过神经元芯片实现，不仅提供介质存取、事务确认和点对

点通信服务；还提供一些如认证、优先级传输、广播／组播消息等高级服

务。

2、神经元芯片

●神经元芯片是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，

而且是具有I/O和控制的通用处理器。神经元芯片已提供了LonTalk协议

的第1-6层，开发者只需用Neuron C语言开发。

●神经元芯片包括3个8位CPU、RAM、ROM、通信接口和I/O接口。ROM

中存储操作系统、LonTalk协议和I/O函数库；RAM用于存储从网络上下载的配置数据和应用程序。

3、基于LNS(LonWorks Network Operating System)的软件工具

●LonWorks技术有多种基于LNS的工具，用于LON网络的维护和组态。

●LonMaker是图形化工具，用于图形绘制、系统调试和网络的维修保养；

●节点开发工具NodeBuilder；

●节点和网络安装工具LonBilder；

●网络管理工具LonManage以及客户／服务器网络构架——LNS技术。

4、开放性

●LonWorks技术提供了开放系统设计平台，使不同公司生产的同类

LonWorks产品可以互操互换。LonWorks产品的互操作标准由LonMark 协会制定。

LON总线系统的开发有两种途径：

a.基于开发工具LonBuilder或NodeBuilder，使用Neuron C语言编程，即针

对具体控制系统的要求编写应用代码，然后经过编译与通信协议代码连接

生成总的目标代码，一起烧录到节点的存储器中；

b.基于图形方式的软件开发工具Visual Control，通过组态构成控制系统，自

动编译生成总的目标代码，直接下载到节点的Flash ROM中。对复杂系统，需编制自定义模块。

c.一、LonTalk协议简介

d.LonTalk协议是LON总线的专用协议，是LonWorks技术的核心。它符合

1SO/OSI参考模型的七层体系结构，即含有物理层、链路层、网络层、传

输层、会话层、表示层和应用层。

e.LonTalk协议提供一系列通信服务，可使一台设备的应用程序可以在不了

解网络拓扑、名称、地址或其他设备功能的情况下发送和接收网络上其他设备的报文。还提供端到端的报文确认、报文认证、打包业务和优先传送服务，支持网络管理服务，允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。

f.采用神经元芯片的网络节点含有LonTalk协议固件，使网络节点可以可靠

地通信。

g.网络节点是相互独立的，任一节点发生故障时，不影响整个网络工作，提

高了系统的可靠性和可维护性。

h.各节点具有本地存储和处理能力，系统的安全性很高，能在系统规模大时

避免网络通信的冲突和网络速度的局限性。

1.LonTalk协议特点

①采用分级编制方式，即域、子网和节点地址。

②支持多种通信介质，如双绞线、电力线、同轴电缆、无线电和红外线、光

纤传输介质等。

③支持多点通信，互操作性强，网络上任一节点可对其他节点进行操作，传

输控制信息。

④发生报文是很短的数据（通常几个到几十个字节），通信带宽不高（几kbit/s

到2Mbit/s），响应时间快，通信安全可靠。

⑤网络节点是低成本、低维护的单片机。

●物理层：定义通信信道上位流的传输，它确保源设备发送的位流准确地被

目的设备接收。

●数据链路层：定义介质访问方法和单一信道的数据编码。

●网络层：定义设备名称和地址，源设备的报文如何选择路由到达一台或多

台目的设备，以及当源设备和目的设备不在同一信道上时，如何确定报文路由。

●传输层：确保可靠的报文传输。

●会话层：对较低层数据交换加以控制。

●表示层：定义报文数据的编码。

●应用层：定义一种低层交换数据的公共语义解释，使不同应用程序中的网

络变量改变时，均能自动将更新的网络变量值下传(发送)或上传(接收)。

应用层还定义了一个文件传输协议，用来传输应用程序间的传输流。

1.物理层

●LonTalk协议支持一种或多种不同传输介质构成的网络

●传输介质：双绞线(twisted-pair)、电力线(powerline)、无线射频

(radio-frequency)、红外线（infrared）、同轴电缆(coaxial cable)和光纤(fiber)，甚至是用户自定义的通信介质。

●不同介质的传输距离、传输速率、网络拓扑结构以及所使用的收发器均不

相同，为支持各种传输介质，物理层协议支持多种通信协议。

●收发器是神经元芯片与信道的接口，LonTalk协议支持在通信介质上的硬

件碰撞检测，可自动地将正在发生碰撞的报文取消，重新再发。

2.链路层

（1）MAC子层

●介质访问控制（MAC，Media Access Control)层是数据链路层的一部分。

为使数据帧传输独立于所采用的物理介质和介质访问的控制方法，将数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control）和介质访问控制（MAC）。

●LLC与介质无关，MAC则依赖于介质。MAC协议是确定设备安全地传

送数据包，减少冲突的控制算法。它使用OSI标准接口和链路层的其他部分进行通信，如图9-1所示。

LonTalk的MAC协议是CSMA（载波信号多路侦听）协议的一种改进：带预测的P-坚持CSMA (Predictive P-presistent CSMA)。

●在MAC层中，为提高紧急事件的响应时间，提供了一个可选择的优先级

的机制。

LonWorks的MAC子层的优点：

●支持多介质的通信，支持低速率的网络，可以在重负载的情况下保持网络

性能，保证在过载情况下不会因为冲突而降低吞吐量。当使用支持硬件冲突检测的传输介质(如双绞线)时，一旦收发器检测到冲突，LonTalk协议就可以有选择地取消报文的发送，这使节点可以马上重新发送并使冲突不再重发，有效地避免了碰撞。

（2）链路层（逻辑链路控制）

●链路层确保链路层数据单元（Link Protocol Data Unit，LPDU）的数据在

子网内顺序无响应传输。它提供错误检测，但不提供错误恢复，当一帧数据CRC效验错，该帧被丢掉。

●在直接互连模式下，物理层和链路层接口的编码是曼侧斯特编码。在专用

模式下根据不同的电气接口采用不同的编码方案。CRC效验码加在网络层数据单元（NPDU，Network Protocol Data Unit）帧的最后。

3.网络层

●在网络层，LonTalk协议提供给用户一个简单的通信接口，定义了如何接

收、发送、响应等，在网络管理上有网络地址分配、出错处理、网络认证、流量控制、路由器机制。

（1）LonTalk协议的网络地址结构

●LonTalk地址唯一地确定一个LonTalk数据包的源节点或目标节点，路由

器则利用这些地址在信道之间选择数据包的传输路径。为了简化路由选择，LonTalk协议定义了分级的网络地址形式：域(Domain)、子网(Subnet)、节点(Node)地址、组地址。

1）域（domain）地址