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(海思技術(shù)部LonWorks技術(shù)粉絲提供)

1 概述

    LONWORKS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制系統(tǒng)中引入了網(wǎng)絡(luò)的概念，基于該技術(shù)，可以方便的構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并使得系統(tǒng)更高效、更靈活、更易于維護和擴展。LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有以下特點：

（1）開放性和互操作性：LonTalk協(xié)議是開放的，而且對任何用戶都是對等的。LonTalk協(xié)議完整到任何制造商的產(chǎn)品都可以實現(xiàn)互操作。該技術(shù)提供的MIP（微處理器接口程序）軟件允許開發(fā)各種低成本網(wǎng)關(guān)，方便了不同系統(tǒng)的互聯(lián)，也使得系統(tǒng)具有高的可靠性。

（2）通信媒介：可采用包括雙絞線、電力線、無線、紅外、光纜等多種介質(zhì)進行通信，且多種介質(zhì)可以在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用。這一特性使得不同工業(yè)現(xiàn)場的不同設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)，增強了網(wǎng)絡(luò)的兼容性。

（3）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：能夠使用所有現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如主從式、對等式以及客戶/服務(wù)式(Client/Server)。

（4）網(wǎng)絡(luò)拓撲：可以自由組合，支持總線型、星形、環(huán)型、自由拓撲型等網(wǎng)絡(luò)拓撲形式。尤其是自由拓撲形式使得網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建更為方便靈活。

（5）分布式處理：網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點都不依賴于其它設(shè)備獨立地接收、發(fā)送和處理網(wǎng)絡(luò)信息。這意味著LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點都可以進行決策和信息處理，而不依賴于計算機、PLC或其它形式的中央處理器。由于個別設(shè)備的故障并不會影響網(wǎng)絡(luò)中其它部分的工作，也使得LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)更加可靠。而如果是PLC或中央處理器出現(xiàn)故障就造成控制網(wǎng)絡(luò)的其它部分不能正常工作。

   除上述特點外，LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)在功能上就具備了網(wǎng)絡(luò)的基本功能，它本身就是一個局域網(wǎng)，和LAN具有很好的互補性，又可方便的實現(xiàn)互聯(lián)，易于實現(xiàn)更加強大的功能。LONWORKS以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)融為一體，實現(xiàn)了測控和組網(wǎng)的統(tǒng)一，而其在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的LONWORKS/IP功能將進一步使得LONWORKS網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)更為方便的互聯(lián)。

2、LONTALK協(xié)議

2.1概述

   LONWORKS技術(shù)所使用的通信協(xié)議稱為LonTalk協(xié)議。LonTalk協(xié)議遵循由國際標準化組織（ISO）定義的開放系統(tǒng)互連（OSI）模型。它提供了OSI參考模型所定義的全部七層服務(wù)，支持靈活尋址。表2.1給出了對應(yīng)七層OSI參考模型的LonTalk協(xié)議為每層提供的服務(wù)。

表2.1 LonTalk協(xié)議層

2.2物理信道

   LonTalk協(xié)議支持以不同通信介質(zhì)分段的網(wǎng)絡(luò)，它支持的介質(zhì)包括雙絞線、電力線、無線、紅外、同軸電纜和光纖。每個LONWORKS節(jié)點都需要物理地連接到信道（Channel）上，信道是數(shù)據(jù)包的物理傳輸介質(zhì)；LONWORKS網(wǎng)絡(luò)由一個或多個信道組成。

不同信道通過路由器相互連接

   由網(wǎng)橋或重復器連接的信道的集合稱為段（Segment）。節(jié)點可以看見相同段上的其它節(jié)點發(fā)送的包。而智能路由器則根據(jù)設(shè)置決定是否將數(shù)據(jù)包繼續(xù)向前傳送。故可用來分離段中的網(wǎng)絡(luò)交通，從而增加整個相同的容量和可靠性。

2.3 LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)

   LonTalk地址唯一地確定了LonTalk數(shù)據(jù)包的源節(jié)點和目的節(jié)點（可以是一個或幾個節(jié)點），路由器也使用這些地址來選擇如何在兩個信道之間傳送數(shù)據(jù)包。

   另外，每一個Neuron芯片有一個獨一無二的48位ID地址，這個ID地址是在Neuron芯片出廠時由廠方規(guī)定的。一般只在網(wǎng)絡(luò)安裝和配置時使用，可作為產(chǎn)品的序列號。

2.4 通信服務(wù)

2.4.1消息服務(wù)類型

   網(wǎng)絡(luò)通過的通信服務(wù)要使網(wǎng)絡(luò)同時實現(xiàn)高的有效性、快的響應(yīng)時間、好的安全性以及高的可靠性是不可能的，實際網(wǎng)絡(luò)提供的通信服務(wù)只能是在這幾個方面折衷的結(jié)果。LonTalk協(xié)議提供了4種基本類型的報文服務(wù)：確認（Acknowledged）、請求/響應(yīng)（Request/Response）、非確認重復（Unacknowledged Repeated）以及非確認（Unacknowledged）。使用確認服務(wù)是最可靠的，但是對于較大的組來說，卻比非確認或非確認重復服務(wù)需要使用更大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。具有優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包將能夠保證這些數(shù)據(jù)包被及時的傳送，但是卻損害了其它較大的傳送。對一個對象增加證實（Authenticated）服務(wù)雖然增加了安全性，但完成一個證實卻比完成一個非證實事務(wù)所需的數(shù)據(jù)包數(shù)多了兩倍。

   2.4.2 沖突

   LonTalk協(xié)議使用其獨有的沖突避免算法，該算法具有在過載的情況下信道仍然能負載接近最大能力的通過量，而不是由于過多的沖突而使通過量降低。

   LonTalk協(xié)議通過提供優(yōu)先服務(wù)機制以改善對重要消息包的響應(yīng)時間。協(xié)議允許用戶在信道上分配優(yōu)先級時隙（Priority time Slots），它專門用于具有優(yōu)先級的節(jié)點。信道上的每個優(yōu)先級時隙對每個消息的發(fā)出額外附加有一定的時間（最小為2比特時間），從而換取一定的帶寬供信道上實現(xiàn)無競爭的優(yōu)先訪問。附加的時間值大小與比特速率、振蕩器的精度以及收發(fā)器的需求有關(guān)。由于不存在競爭，配置優(yōu)先級的節(jié)點相對于無優(yōu)先級的節(jié)點的響應(yīng)時間要好得多。優(yōu)先級與沖突檢測的結(jié)合將獲得更優(yōu)的響應(yīng)時間。為每個節(jié)點分配優(yōu)先級時隙的網(wǎng)絡(luò)管理工具可以保證節(jié)點在信道上被賦予一個特定的優(yōu)先級時隙。節(jié)點只能在分配給它的優(yōu)先級時隙發(fā)送它的所有賦予優(yōu)先級的消息包。

2.4.4證實

   LonTalk協(xié)議支持消息的證實服務(wù)。它允許消息的接收者確定發(fā)送者是否有權(quán)發(fā)送該消息。 

2.5 LonTalk MAC子層

   LonTalk協(xié)議的MAC子層是OSI參考模型鏈路層的一部分。其所采用的算法是屬于CSMA（載波監(jiān)聽多路訪問）家族的。CSMA算法要求網(wǎng)絡(luò)上的每一個節(jié)點在傳送報文之前,必須先偵聽信道,確認信道是空閑的。然而，一旦檢測到信道的空閑狀態(tài)，CSMA家族的每種算法的行為是不同的，按占用信道的方式，分以下三種：

（1）非堅持CSMA：一旦偵聽到信道空閑，立即發(fā)送；一旦發(fā)現(xiàn)信道忙，不再堅持偵聽，延時一段時間后再偵聽。缺點是不能將信道剛一變成空閑的時刻找出。

（2）l一堅持CSMA：偵聽到信道閑，立即發(fā)送；偵聽到信道忙，繼續(xù)偵聽，直至出現(xiàn)信道空閑。缺點是，若有兩個或更多的節(jié)點同時在偵聽信道，則發(fā)送的幀相互沖突，反而不利于吞吐量的提高。

（3）P一堅持CSMA：當偵聽到信道閑時，就以概率P發(fā)送數(shù)據(jù)，而以概率（1-P）延遲一段時間（端到端的傳播時延），重新偵聽信道。缺點是，即使有幾個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)，因為P值小于1，信道仍然有可能處于空閑狀態(tài)。

由以上可見，由于隨機時隙數(shù)目的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)了概率P值的動態(tài)調(diào)整。

Service Pin是Neuron芯片中的一個非常重要的管腳，在節(jié)點的配置、安裝和維護時均需使用。該管腳既能輸入也能輸出。輸出時它通過一個低電平來點亮外部的LED，LED的不同點亮方式代表了不同Neuron芯片不同的工作狀態(tài)。輸入時，一個邏輯低電平使Neuron芯片傳送一個包括該節(jié)點48bit的Neuron ID的網(wǎng)絡(luò)管理信息。

3.5 通信端口

Neuron芯片通信端口為5個管腳，為適合不同的通信介質(zhì)可將5個管腳配置為3種不同的接口模式：單端（Single-ended）、差分（Differential）和專用模式（Special Purpose Mode）。對應(yīng)于雙絞線介質(zhì)則采用差分模式，編碼采用差分曼徹斯特編碼。

Neuron芯片可支持多種通信介質(zhì)。如雙絞線、無線、紅外、光纖、同軸電纜等。所支持的網(wǎng)絡(luò)拓撲也各有不同。

在各種通信介質(zhì)中，雙絞線以其高的性能價格比而應(yīng)用最為普遍。Echelon公司提供的FTT-10A雙絞線變壓器耦合收發(fā)器支持總線型和自由拓撲型拓撲。其抗干擾能力強，可承受持續(xù)時間為60s的1000Vrms電壓，采用總線拓撲的網(wǎng)絡(luò)最長可達2000m，采用自由拓撲的網(wǎng)絡(luò)最長可達500m，滿足一般的工業(yè)應(yīng)用，而且組網(wǎng)靈活。

4 Neuron C

   Neuron C是以ANSI C為基礎(chǔ)，專門為Neuron芯片設(shè)計的編程語言。其中加入了通信、事件調(diào)度、分布數(shù)據(jù)對象和I/O功能，是編寫Neuron芯片應(yīng)用程序的最為重要的工具。

4.1 網(wǎng)絡(luò)變量

   應(yīng)用程序可以定義一個特殊的靜態(tài)對象類——網(wǎng)絡(luò)變量，它可以是整型、字符型或結(jié)構(gòu)等類型。一個網(wǎng)絡(luò)變量NV(Network Variable)是節(jié)點的一個對象，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點之間的互連。它可被定義為輸入也可被定義為輸出網(wǎng)絡(luò)變量每個節(jié)點最多可以定義62個（Neuron節(jié)點）到4096個（主機節(jié)點）網(wǎng)絡(luò)變量。網(wǎng)絡(luò)變量所產(chǎn)生報文的發(fā)送和接收不需要應(yīng)用程序的干預，故又稱為隱式報文（Implicit Message）。

4.2 顯式報文（Explicit Message）

   由于網(wǎng)絡(luò)變量的長度最多為31個字節(jié)，使得其應(yīng)用受到限制，故此，Neuron C中又提供了顯式報文這一數(shù)據(jù)類型。顯式報文最長為228個字節(jié)。提供有請求/響應(yīng)機制。某個節(jié)點發(fā)出請求消息能調(diào)動另一個節(jié)點做出相應(yīng)的響應(yīng)。從而實現(xiàn)遠程過程調(diào)用。顯式報文是實現(xiàn)節(jié)點之間交換信息的更為復雜的方法，編程人員必須在應(yīng)用程序中生成、發(fā)送和接收顯式報文。

節(jié)點使用報文標簽（Message Tags）發(fā)送和接收報文。每個節(jié)點有一個默認的輸入報文標簽，同網(wǎng)絡(luò)變量一樣，必須在網(wǎng)絡(luò)安裝時建立輸入和輸出報文標簽之間的綁定。

4.3 定時器

   在一個應(yīng)用程序最多可定義15個軟件定時器對象，在這些定時器中可以分為兩類：毫秒定時器和秒定時器。毫秒定時器提供一個計數(shù)范圍為1～,<,/FONT>64,000ms的定時器，秒定時器則提供一個計數(shù)范圍為1～65535s的定時器。這些軟件定時器在網(wǎng)絡(luò)CPU上運行，和Neuron芯片的硬件定時器是分離的。