LON和LonWorks技術(shù)

1、第九章LON 和 LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)第9章 LON和LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)lLON（Local Operating Networks）是Echelon公司開發(fā)的現(xiàn)場總線，并開發(fā)了配套的LonWorks技術(shù)。l開放的總線平臺技術(shù)，該技術(shù)給各種控制網(wǎng)絡應用提供端到端的解決方案。lLON和LonWorks技術(shù)可以應用于工業(yè)控制、交通控制、樓宇自動化等領(lǐng)域。第9章 LON和LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)l9.1 總體概述 l9.2 LonTalk協(xié)議9.1 總體概述l1.LonWorks1.LonWorks技術(shù)特點技術(shù)特點l（1）支持OSI七層模型的LonTalk通信協(xié)議l（2）神經(jīng)元芯

2、片l（3）基于LNS（LonWorks Network Operating System）的軟件工具l（4）開放性l（1 1）支持）支持OSIOSI七層模型的七層模型的LonTalkLonTalk通信協(xié)議通信協(xié)議lLonTalk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。lLonTalk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。l（2 2）神經(jīng)元芯片）神經(jīng)元芯片l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和控制的通用處理器。神經(jīng)元芯片已提供了LonT

3、alk協(xié)議的第1-6層，開發(fā)者只需用Neuron C語言開發(fā)。l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。l（3）基于LNS（LonWorks Network Operating System）的軟件工具lLonWorks技術(shù)有多種基于LNS的工具，用于LON網(wǎng)絡的維護和組態(tài)。lLonMaker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)；l節(jié)點開發(fā)工具NodeBuilder；l節(jié)點和網(wǎng)絡安裝工具LonBuilder；l網(wǎng)絡管理工具LonManage以及客戶

4、服務器網(wǎng)絡構(gòu)架LNS技術(shù)。l（4 4）開放性）開放性lLonWorks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。l2.LON總線系統(tǒng)的開發(fā)總線系統(tǒng)的開發(fā)l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；l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

5、雜系統(tǒng)，需編制自定義模塊。9.2 LonTalk協(xié)議l1.LonTalk七層協(xié)議七層協(xié)議lLonTalk協(xié)議是LON總線的專用協(xié)議，是LonWorks技術(shù)的核心。它符合ISO/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。lLonTalk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。l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。l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

6、以可靠地通信。l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)絡工作，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。l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。l（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。l（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。l（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。l（4）傳輸層：確?？煽康膱笪膫鬏敗（5）會話層：對較低層數(shù)據(jù)交換加以控制。l（6）表示層：定義報文

7、數(shù)據(jù)的編碼。l（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。l2.LonTalk2.LonTalk各層協(xié)議及功能各層協(xié)議及功能 l（1 1）物理層）物理層lLonTalk協(xié)議支持一種或多種不同傳輸介質(zhì)構(gòu)成的網(wǎng)絡l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)和光纖(fiber)，甚至是用戶自定義的通信介質(zhì)。

8、l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)議支持多種通信協(xié)議。l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)。l（2）鏈路層l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）和介質(zhì)訪問控制MAC。lLLC與介質(zhì)無關(guān)，MAC則依賴于介質(zhì)。1 1）MACMAC子層子層lMAC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。lMAC協(xié)議是CSMA（載波信號多路偵聽

9、）協(xié)議的改進：l帶預測的P堅持CSMA (Predictive Ppresistent CSMA)。l優(yōu)先級帶預測的P堅持CSMALonWorks的MAC子層的優(yōu)點：l支持多介質(zhì)的通信，支持低速率的網(wǎng)絡，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。l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。l2 2）鏈路層（邏輯鏈路控制）鏈路層（邏輯鏈路控制）l鏈路層確保鏈路層數(shù)據(jù)單元（Link Protocol Data Unit，LPDU）的數(shù)

10、據(jù)在子網(wǎng)內(nèi)順序無響應傳輸。l提供錯誤檢測，但不提供錯誤恢復，當一幀數(shù)據(jù)CRC校驗錯，該幀被丟掉。l（3）網(wǎng)絡層）網(wǎng)絡層l在網(wǎng)絡層，LonTalk協(xié)議提供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。l1）LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu)協(xié)議的網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu)l2）尋址格式）尋址格式l1 1）LonTalkLonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu)協(xié)議的網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu) lLonTalkLonTalk地址地址唯一地確定一個唯一地確定一個LonTalkLonTalk數(shù)據(jù)包的源數(shù)據(jù)包的源節(jié)點節(jié)點或或目標節(jié)點目標節(jié)點，路由器則利用這些地址在

11、信道，路由器則利用這些地址在信道之間之間選擇數(shù)據(jù)包的傳輸路徑選擇數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。l為了簡化路由選擇，為了簡化路由選擇，LonTalkLonTalk協(xié)議定義了分級的網(wǎng)協(xié)議定義了分級的網(wǎng)絡地址形式：絡地址形式：l 域域(Domain)(Domain)l 子網(wǎng)子網(wǎng)(Subnet)(Subnet)l 節(jié)點節(jié)點(Node)(Node)地址地址l 組地址組地址l域地址域地址(domain)(domain)：域是一個信道或多個信域是一個信道或多個信道上的節(jié)點的邏輯集合道上的節(jié)點的邏輯集合。一個域就是一個實一個域就是一個實際意義上的網(wǎng)絡際意義上的網(wǎng)絡，通信只能在同一域中配置通信只能在同一域中配置的節(jié)點之間進

12、行的節(jié)點之間進行。l多個域可以占用同一個信道，所以，多個域可以占用同一個信道，所以，域地址域地址可以用來隔離不同網(wǎng)絡上的節(jié)點可以用來隔離不同網(wǎng)絡上的節(jié)點。域的結(jié)構(gòu)。域的結(jié)構(gòu)可以可以保證在不同的域中通信是彼此獨立保證在不同的域中通信是彼此獨立。l域標識符是唯一的。域標識符是唯一的。l子網(wǎng)地址子網(wǎng)地址(Subnet)(Subnet)：一個子網(wǎng)是在同一域一個子網(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中節(jié)點的邏輯集合，是一個或多個通道的邏輯分組。輯分組。一個子網(wǎng)最多可有一個子網(wǎng)最多可有127127個節(jié)點個節(jié)點，一個一個域最多可有域最多可有255255個子網(wǎng)個子網(wǎng)。一種子網(wǎng)層的智能路。一種子網(wǎng)

13、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)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)。的一個子網(wǎng)。l節(jié)點地址（節(jié)點地址（NodeNode）：節(jié)點地址節(jié)點地址是是節(jié)點被賦節(jié)點被賦予的所屬子網(wǎng)內(nèi)的唯一的節(jié)點標識碼予的所屬子網(wǎng)內(nèi)的唯一的節(jié)點標識碼。節(jié)點。節(jié)點的標識碼為的標識碼為7 7位，所以每個子網(wǎng)最多可以有位，所以每個子網(wǎng)最多可以有127127個節(jié)點個節(jié)點。一個域中最多可以有。一個域中最多可以有3238532385個節(jié)個節(jié)點（點（255

14、255127127）。任一節(jié)點可以分屬一個或）。任一節(jié)點可以分屬一個或兩個域，兩個域，容許一個節(jié)點作為兩個域之間的網(wǎng)容許一個節(jié)點作為兩個域之間的網(wǎng)關(guān)關(guān)(gateway)(gateway)，也，也容許一個節(jié)點將采集來的數(shù)容許一個節(jié)點將采集來的數(shù)據(jù)分別發(fā)向兩個不同的域據(jù)分別發(fā)向兩個不同的域。l組地址組地址(Group)(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

15、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。l芯片地址芯片地址(Neuron ID)(Neuron ID)：每一個神經(jīng)元：每一個神經(jīng)元芯片有一個芯片有一個獨一無二的獨一無二的4848位位IDID地址地址，這個，這個IDID地址是在神經(jīng)元芯片出廠時由廠方規(guī)定地址是在神經(jīng)元芯片出廠時由廠方規(guī)定的，這個的，這個IDID碼是唯一碼是唯一的。一般只在網(wǎng)絡安的。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。裝和配置時使用，可以作為產(chǎn)品的序列號。節(jié)點也可以用節(jié)點也可以用Neuron IDNeuron ID尋址尋址。l2 2）尋址格式）尋址格式l一個通道是指在物理上能獨立發(fā)送報文一個

16、通道是指在物理上能獨立發(fā)送報文( (不需不需要轉(zhuǎn)發(fā)要轉(zhuǎn)發(fā)) )的一段介質(zhì)。的一段介質(zhì)。LonTalkLonTalk規(guī)定一個通道規(guī)定一個通道至多有至多有3238532385個節(jié)點個節(jié)點。通道并不影響網(wǎng)絡的地。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。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通道之間是通過橋接器(bridge)(bridge)來連接的來連接的。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)絡信道不致連接，而且可以使一

17、個通道的網(wǎng)絡信道不致過于擁擠。過于擁擠。l（4 4） LonTalkLonTalk協(xié)議的傳輸層和會話層協(xié)議的傳輸層和會話層lLonTalkLonTalk協(xié)議的核心部分是協(xié)議的核心部分是傳輸層和會話層傳輸層和會話層。一個傳輸控制子層一個傳輸控制子層管理報文執(zhí)行的順序、報管理報文執(zhí)行的順序、報文的二次檢測文的二次檢測。傳輸層是無連接的，它提供。傳輸層是無連接的，它提供1 1對對1 1節(jié)點節(jié)點、1 1對多節(jié)點對多節(jié)點的可靠傳輸。的可靠傳輸。信息認證信息認證(authentication)(authentication)也是在這一層實現(xiàn)的。也是在這一層實現(xiàn)的。l會話層會話層主要主要提供了請求提供了請求

18、/ /響應的機制響應的機制，它，它通過通過節(jié)點的連接節(jié)點的連接，來進行，來進行遠程數(shù)據(jù)服務遠程數(shù)據(jù)服務(remote (remote servers)servers)，因此使用該機制，因此使用該機制可以遙控實現(xiàn)遠可以遙控實現(xiàn)遠端節(jié)點的過程建立端節(jié)點的過程建立。LonTalkLonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡功能協(xié)議的網(wǎng)絡功能雖然是在應用層來完成的雖然是在應用層來完成的，但實際上也是由，但實際上也是由提供會話層的請求應答機制來完成提供會話層的請求應答機制來完成的。的。lLonTalkLonTalk協(xié)議提供四種類型的報文服務：協(xié)議提供四種類型的報文服務：l應答方式應答方式(acknowledge)(ackn

19、owledge)l請求響應方式請求響應方式(request/response)(request/response)l非應答重發(fā)方式非應答重發(fā)方式(unacknowledged repeated)(unacknowledged repeated)l非應答方式非應答方式(unacknowledged)(unacknowledged) l這些報文服務除這些報文服務除請求響應是在會話層實現(xiàn)請求響應是在會話層實現(xiàn)外，其他三種都在外，其他三種都在傳輸層傳輸層實現(xiàn)。實現(xiàn)。l（5 5） LonTalkLonTalk協(xié)議的表示層和應用層協(xié)議的表示層和應用層lLonTalkLonTalk協(xié)議采用協(xié)議采用面向數(shù)據(jù)的

20、應用協(xié)議面向數(shù)據(jù)的應用協(xié)議。在這。在這種方式下，節(jié)點間以種方式下，節(jié)點間以標準工程單位標準工程單位或其它或其它預預定義的單位定義的單位交換諸如溫度、壓力、狀態(tài)和文交換諸如溫度、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)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。點的應用程序中且不是將命令在網(wǎng)上傳送。以這種方式，以這種方式，同一工程量可送到多個節(jié)點同一工程量可送到多個節(jié)點，然而然而每個節(jié)點對該數(shù)據(jù)有不同的應用程序每個節(jié)點對該數(shù)據(jù)有不同的應用程序。lLonTalkLonTalk協(xié)議的表示層和應用層提供五協(xié)議的表示層和應用層提供五類服務：類服務：l1)1)網(wǎng)

21、絡變量網(wǎng)絡變量的服務的服務l2)2)顯示報文顯示報文的服務的服務l3)3)網(wǎng)絡管理網(wǎng)絡管理的服務的服務l4)4)網(wǎng)絡跟蹤網(wǎng)絡跟蹤的服務的服務l5)5)外來幀傳輸外來幀傳輸?shù)姆盏姆誰3. LonTalk協(xié)議使用中注意的問題協(xié)議使用中注意的問題l（1 1） LonTalkLonTalk協(xié)議的協(xié)議的網(wǎng)絡認證網(wǎng)絡認證l（2 2） LonTalkLonTalk協(xié)議的協(xié)議的網(wǎng)絡接口協(xié)議網(wǎng)絡接口協(xié)議l（3 3） LonTalkLonTalk協(xié)議中的協(xié)議中的定時器定時器l（4 4）網(wǎng)絡效率網(wǎng)絡效率l（1 1）LonTalkLonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡認證協(xié)議的網(wǎng)絡認證lLonTalkLonTalk協(xié)議協(xié)議支持

22、報文認證支持報文認證，即，即允許報文的接收者確定報允許報文的接收者確定報文的發(fā)送方是否有權(quán)發(fā)送文的發(fā)送方是否有權(quán)發(fā)送。它用于。它用于防止未授權(quán)節(jié)點介入防止未授權(quán)節(jié)點介入應用應用。l（2 2） LonTalkLonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡接口協(xié)議協(xié)議的網(wǎng)絡接口協(xié)議lLonTalkLonTalk協(xié)議包含一個協(xié)議包含一個可選擇的網(wǎng)絡接口協(xié)議可選擇的網(wǎng)絡接口協(xié)議，該協(xié)議，該協(xié)議支支持在任一主處理器上運行的持在任一主處理器上運行的LonWorksLonWorks應用程序應用程序。主處理。主處理器可以是微處理器、微控制器或器可以是微處理器、微控制器或PCPC機。機。主處理器管理主處理器管理LonTalkLonTalk協(xié)議的第協(xié)議的第6 6和和7 7層層，并且，并且使用使用LonTalkLonTalk網(wǎng)絡接口管網(wǎng)絡接口管理協(xié)議的理協(xié)議的1 15 5層層。LonTalkLonTalk網(wǎng)絡接口定義網(wǎng)絡接口和主處網(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。理器之間的數(shù)據(jù)交換格式。l（3） LonTalk協(xié)議中的定時器協(xié)議中