1测控总线技术读书报告模板2014

《测控总线技术》读书报告题目Lonworks技术原理及应用学号912101170137姓名任晓军成绩评语Lonworks现场总线原理开发及应用摘要：（小四，150-300字）Lonworks是由美国Echelon公司研发、于1990年正式公布的现场总线网络。最初主要用于楼宇自动化,但很快发展到工业现场网。LonWorks技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。Lonworks的核心技术是具有3个8位的CPU神经元芯片,同时具备通信与控制功能，并且完全的支持ISO/OSI全部7层协议，以及34种常见的I/O控制对象。LonWorks技术可以应用于工业控制、交通控制、楼宇自动化等领域。Lonworks还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！这样不但节省了工作量，同时增加了通信的可靠性。Lonworks总线技术的应用前景十分的广阔。1Lonworks现场总线原理1.1概况LonWorks的功能十分的强大历经了20多年的发展，全球的楼宇工业运输自动化大量采用此技术。灵活多变的系统使其具有了相当大的发展前景，其主要的技术核心有3个：1.LonTalk通信协议2.具有3个微处理器(CPU)的神经元芯片3.完善的开发平台1.1.1LonTalk通信协议LonTalk通信协议是LonWorks技术的核心。Lontalk是面向对象的网络通信协议，他固化在神经元芯片中。它具体实现了即采用网络变量的形式，又有过硬的芯片支持，是他实现了实时性和接口的直观、简洁等现场总线的应用要求。协议提供一套通信服务，使装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文而无需知道网络的拓扑、名称、地址或其他装置的功能。LonTalk介质访问控制（MAC）子层是OSI参考模型数据链路层的一部分。LonTalk采用了CSMA（载波信号多路侦听）协议，此协议在节点发送信号前回先监听网络是否空闲，使用时间片规则来访问介质，使节点在限制的时间片访问介质，这样可以大大减少两个数据包碰撞的可能。LonTalk使用的CSMA是预测的P-坚持CSMA，在保留了CSMA协议的优良性的基础上，在总线重负载时也有十分优良的表现。根据预测网络业务量发送优先级报文，和动态调整时间槽的数目，避免了频繁碰撞。该协议算法可在极高业务量出现时继续运行，在业务量小时不降低网络速度。通常的CSMA算法在轻负载的情况下有很好的性能，但当负载较重时，一个数据包在传送的同时，可能有许多网络节点在等待网络空闲，一旦这个数据包传送完毕，网络空闲，这些待发送节点就会马上发送报文，而同时发送必然产生碰撞。产生碰撞后，由避让算法使之等待一段时间再发，又有可能在等待同样的时间后再次发生碰撞，使得网络效率大大降低。而可预测的P-坚持CSMA算法保留了CSMA协议的优点，并克服了它在控制网络中的不足。所有的节点根据网络积压参数BL(BackLog)等待随机时间片来调整P值来访问介质，这有效避免了网络的频繁碰撞。BL是对当前发送周期内有多少个节焦需要发送报文的估计。每个节点发送前随机地插入1~16个很小的随机时间片，而具体的时间片则根据BL的变化进行调整。当然，使用P_坚持CSMA算法不能完全避免冲突，只能降低冲突至最小，对照试验表明在总线处于重负载时次算法可以有效的降低碰撞的概率。在正常的工作条件下我们的事件不可能所有的都是一样的重要，换句话说，事件总有轻重缓急，有的终端的数据很重要，而有的则没有那么紧急，所以，在MAC层中，为了提高紧急事件的响应时间，提供了一个可选择优先级的机制，非优先级的节点必须等待优先级时间片都完成后才可以进行。LonWorks网络中应用了一种可选择的优先级机制。该机制允许用户为每个需要优先级的节点分配一个优先级时间片,并保证有且只有一个节点拥有这样的优先级时间片。在发送过程中,优先级数据报将在该时间片内把数据报发送出去。优先级时间片为0～127,0是不需等待立即发送,1是等待1个时间片,2是等待2个时间片,依此类推。低优先级的节点需等待较多的时间片,而高优先级的节点需等待较少的时间片,这个时间片加在P-概率时间片之前。非优先级的节点必须等待优先级时间片都完成后,再等待P-概率时间片后发送。因此,加入优先级的节点总比非优先级的节点有更快的响应时间。目前,在现场总线中还有一种十分流行的网络——CANbus。它采用无主结构,这一点大大优于Bitbus。其MAC层上的管理很有特色。它也采用CSMA方式，但将网络上的节点分成不同的优先级,采用支配位(0)和避让位(1)、以及总线回读的方法实现非破坏性总线仲裁。即当两个节点同时向网络传递信息时,优先级低的节点主动停止发送,而优先级高的节点可不受影响地继续传输,这可以有效地避免总线碰撞。但是CONTROLENGINEERINGChina版权所有,这要求网络一定要同步,这对多介质的情况显然不适用。另外,对各节点不太需要优先级的网络,由于不得不定义一个优先级,因而当网络通信较繁忙时，有些优先级低的节点可能很长时间不能发送信息。因此,Canbus较适合介质单一、节点数目较少的小网络。综上所述,LonWorks的MAC子层具有以下优点:支持多介质的通信,支持低速率的网络,可在重负载情况下保持网络性能。[1]1.1.2LonWorks的神经元芯片LonWorks神经元芯片是一个带有3个处理器、读写/只读存储器（RAM和ROM）以及通信和I/O接口的单芯片系统。只读存储器包含一个操作系统、LonTalk协议和I/O功能库。芯片有用于存储数据和应用程序编程的存储器，并且两者都可以通过网络下载。在制造过程中，每个神经元芯片都被赋予一个永久的、全世界唯一的一个48位码，我们称之为神经元ID号（NeuronID）。现在，你可以选择不同速度、不同存储器类型和容量以及不同接口的许多系列的神经元芯片。截止2002年中旬，大约有两千四百万个神经元芯片被运往世界各地。神经元芯片内部3个微处理器(CPU)分别是：1号媒体访问控制处理器、2号网络处理器和3号应用处理器。其芯片结构如下图LonWorks神经元芯片结构框图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，大部分应用程序是可以编程的。因为在神经元芯片的控制单元中需要采集和控制功能,为此,神经元芯片特设置11个I/O口。这些I/O口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口.神经元芯片还有一个时间计数器,从而能完成多任务调度和定时功能。神经元芯片支持节电方式,在节电方式下系统时钟和计数器关闭,但状态信息(包括RAM中的信息)不会改变。一旦I/O状态变化或网线上信息有变,系统便会激活。其内部还有一个最高1.25Mbps、独立于介质的收发器。由此可见,一个小小的神经元芯片不仅具有强大的通信功能更集采集、控制于一体。在理想情况下,一个神经元芯片加上几个分离元件便可成为DCS系统中一个独立的控制单元。[2]1.1.3完善的开发平台LonWorks提供了一套完整的开发平台。工业现场中的通信不仅要将数据实时发送、接收,更多的是数据的打包、拆包、流量处理、出错处理。这使控制工程师不得不在数据通信上投入大量精力。LonWorks在这方面提供了非常友好的服务,提供了一套完整的建网工具——LonBuild。首先,它提供了一套C语言的编译器,从而大大减少了开发时间。在这个编译器中,提供了对11个I/O非常详尽的库函数。在通信方面它也提出了一个全新的概念——网络变量。通过网络变量网络上的通信只需将相关节点上的网络变量连接一下即可。网络变量是应用程序定义的一个特殊静态变量,可以是ANSIC所定义的各种类型,也可以是自定义类型,还可以规定优先级、响应方式等。网络变量被定义为输入或输出。当定义为输出的网络变量被赋予新值时,与该输出变量相连的输入网络变量就会被立刻赋予同样的新值。另外,LonBuild还集成开发环境和编译于一体,具备C调试器,可在多个仿真器上调试应用程序,并具备网络协议分析和通信分析的功能。2Lonworks现场总线应用LonWorks技术的大规模使用与它在生活智能化中的广泛存在是分不开的，现在的生活智能化趋势日益明显，而LonWorks技术的开放性使其在全世界范围内被欣然接受，是日常设备智能化并通过Internet进行访问。2.1.1智能小区系统智能小区顾名思义就是将小区内的设备都连接到已有的LonWorks总线上，借助LonWorks技术，通过我们已有的终端设备来控制或了解住宅小区的状况。是日常生活更加的方便，舒适。小区智能化发展的原则与功能目标，主要体现在小区智能化建设的三个方面：1.小区物业管理2.小区信息服务与通信网络3.小区住宅智能化小区网络系统结构家庭智能化系统既可完成电表、煤气表、冷热水表等数据的采集、传输，又可通过红外、气漏等传感器进行安全报警。通过Lonworks节点的I/O口，还可以实现对家电、照明等设备的控制，对室内的温度、湿度进行检测。LonWorks智能家庭控制网络基于LonWorks的控制网络实现真正的多网合一，物理上只有一条通道，大大简化了线路；LonWorks网络控制系统可实现分布式无中心控制，每个节点都能完控制和通信功能，部分节点出现问题不会影响系统稳定；LonWorks在网络结构上的自由拓扑特性及软件设计上的完全面向对象使其易扩充、易组态；产品开发方便、有效。在传统控制方式的基础上，针对现代控制系统的发展需求，家庭智能化系统借鉴LAN局域网的优点。它继承了LAN局域网的许多优点，如多厂商之间的互操作性、技术标准的开放性、系统的可构造性、性能的可预测性以及系统的可靠性等；同时又具有它自身的特点：分布性、实时性、可靠性、灵活性、简便性和廉价性；网络结构的动态性、可变性和重构性；面向对象的程序设计方法等。网络的系统软件具有丰富的功能子程序，用户无需关心网络通信、内存分布等系统问题，只需根据系统需求直接编程控制节点I/O端口，实现对测控对象的访问；各网络节点相互之间以网络变量的形式进行互访，实现点对点、点对多点的信息交换，大大减化了系统设计的工作量和软件编程的工作量。3结论LonWorks技术的优点：①网络结构灵活、组网方便。它支持多种网络拓扑形式，包括总线型、星型、树型、自由拓扑型等，这样可适应复杂的现场环境，方便现场布线；②支持多种传输介质。包括双绞线、同轴电缆、电力线、光纤、无线射频等；两种传输速率：78bps和1.25Mbps，最大传输距离由网络拓扑形式和传输介质决定，一般可从500m到2700m；③完善的开发工具。提供完善的系统开发环境，采用开放的NEURONC语言，它是ANSIC语言的扩展；④无主的网络系统。LonWorks网络中各节点的地位相同，网络管理可设在任一节点处，并可安装多个网络管理器；⑤开发LonWorks网络节点的时间较短，也易于维护。LonWorks采用的Lonalk协议固化在Echelon公司的神经元芯片中，这样可以节省开发LonWorks网络节点的时间，也方便维护。LonWorks也有自身的缺点：首先，LonWorks的实时性、处理大量数据的能力还是有些欠缺；其次，由于LonWorks依赖于Echelon公司的神经元芯片芯片，所以它的完全开放性也受到一些质疑。尽管LonWorks存在一些不足，但是LonWorks还在楼宇自动化领域获得了广泛的应用。终上所述，LonWorks技术采用了比较先进的通信协议，使其在总线重负载时具有较低的冲突率，还有其先进的开发平台，使我们的复杂通信设计变成了简单的参数设计