LonWorks技术和LON总线PPT课件.ppt
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1、LonWorks技术和技术和LON总线总线LonTalk协议网络变量神经元芯片180 年代后期,美国埃施朗(Echelon)公司开发出这一平台技术以来,到目前为止,已有约4 千万基于LonWorks 的设备安装在世界各地。这些产品广泛地应用在智能楼宇、工业控制、家庭智能化和交通等领域。LonWorks 技术的核心是LonTalk 协议,该协议现在已成为很多组织的标准,包括ANSI/EIA/CEA-709.1-A-1999(最新的版本是:ANSI/EIA/CEA-709.1-B-2002)、ANSI/CEA/EIA 852、CEN TC 247、IEEE 1473L 等。2LonWorks 是一
2、个开放的标准,它使得原始设备制造(OEM)厂商生产出更好的产品,系统集成商可以籍此来创建基于多厂商产品的系统,最终为规范制定人员和业主提供了选择性的可能。LonWorks 网络系统地规模,可以从有几个节点构成的系统到涵盖全球的网络体系。在全世界,目前有4500 多家厂商生产开发基于LonWorks 技术的产品,在中国从事LonWorks 技术研发、集成的公司也有上百家。在LonWorks 网络中,一个具有网络逻辑地址的智能设备称为一个节点。节点的构成,一般可以用神经元芯片、收发器和应用电路组成。3Echelon 公司提供一整套的产品,来帮助客户开发基于LonWorks 的产品和集成基于LonW
3、orks 的系统。它们包括开发工具、收发器和智能收发器模块、网卡、路由器、互联网服务器、LNS 软件和企业级的平台软件Panoramix等等。自从LonTalkLonTalk协议协议成为美国国家控制网络标准后,其它公司也开发出了基于 ANSI 709.1 的芯片。在Echelon 公司,ANSI 709.1 协议称为LonTalk LonTalk 协议协议。运行LonTalk 协议的芯片称为神经元芯片(Neuron Chip)。4引 言LonWorks 网络采用LonTalk 通信协议,其通过神经元芯片(Neuron Chip)上的硬件和固件(firmware)实现,支持OSI 的所有七层模型
4、。网络拓扑结构可以是总线型、星型、环型和混合型,可实现真正的自由拓扑。它采用面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信的设计简化为参数设置,通信速率从300bps 到1.25Mbps,直接通信距离可达2700m(78Kbps,双绞线)。通信介质支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线及电力线等。编址方法提供了巨大的网络寻址能力。高可靠性、易于实现和互操作性,使得LonWorks 产品应用非常广泛。为促进LonWorks设备的互操作,Echelon 公司和一些LonWorks 用户成立了LonMark 互操作协会。我国也非常重视LonWorks 的引入和应用。5LonWorks 的智能控制网络组
5、成LonWorks 控制网在某些方面相似于被称为局域网或LAN 的数据网。数据网由各种通信介质及路由器连接的计算机组成,而LonWorks 控制网通过通讯介质连接基于微处理器的各种智能节点。LonWorks 由于是无主结构,其网络拓扑结构突破了树型、总线型、环型等限制,并且大大拓宽可以使用的通信媒介。LonWorks 技术可以实现真正意义上的分布式控制网络。任意分布在现场的智能节点或处理器之间都可相互通信。67控制系统利用TCP/IP 之类的标准数据传输技术,就能为LonWorks 报文提供高速干线。如图1 所示,系统在信道段之间使用“隧道路由器”而不是网关。LonWorks报文“穿通”TCP
6、/IP数据包,在TCP/IP 网上发送。把LonWorks 数据包想象成信封(数据包寻址信息)内的信(数据),借助LonWorks 网发送给收信人;一个隧道路由器就把这个“LonWorks 信封”包进一个更大的信封,广域网使用不同的寻址方法把这个大包发送到已编址的远地LonWorks网络段,在那里拆去外封。因为系统已经成为一个整体,连接在任何地方的工具能和任何段上的任何节点相互作用,网络将更易安装、监控和维护。LonWorks 到TCP/IP 的路由器提供从LonWorks 网段到以太网或广域干线网的无缝、透明连接。最终形成一个协调而强大的自动化系统,从传感器到设备管理软件都以LonWorks
7、为基础。这种体系结构能显著降低系统的成本,并能利用Web 和因特网等技术加入新功能。8LonWorks协议LONWORKS协议,也称为LonTalkLonTalk协议和ANSI/EIA 709.1ANSI/EIA 709.1控制联网标准,是LONWORKS系统的核心。协议提供一系列通信服务,使设备中的应用程序能在网上对其他设备收发报文而无需知道网络拓扑结构、名称、地址或其他设备的功能。LONWORKS协议也可以提供端到端的报文确认、报文鉴别,网络地址和参数的重新配置、应用程序的下载、报告网络问题以及设备应用程序的起始/停止/复位等。LonTalk协议分为七层。每一层都是面向控制网络的,并和OS
8、I参考模型一致。LonTalk协议是嵌入Neuron芯片内部固件中的,它是使用LonWorks技术组网的基础。Echelon公司提供的开发系统可以帮助我们利用各种基于Neuron芯片的智能节点很容易地使用LonTalk协议组成一个智能分布式控制网络。9LonTalk协议提供各种服务以加强可靠性。如16位CRC,对接收方端到端的应答,Watchdog定时器,片内E2PROM内容的校验和保护、失败报文的通告以及每个节点分组错误的记录等。另外协议还提供鉴别服务以满足发送者的有效识别。在鉴别服务中,通过由收发方使用的传输关键字来实现数据的保护。由于LonTalk协议是在芯片内部的,所以用户不必担心它的
9、一致性。这样用户可以不必花费大量的时间,来建立其内部的标准。正是由于它的这一特性,使得它可以以很小的代价,适应于各种不同的应用场合。在LonTalk协议中网络流量的预测和避免拥塞的方法,使得在最坏情况下的响应时间得到了控制。为报文提供优先级的方式,可以大大提高高优先级报文的响应时间,其支持高达125Mbps的传输速率,并可支持各种实时的应用。10111、物理层定义在通信信道上原始数据的传输。物理层确保由源设备发送的1比特被所有的目的设备以1比特接收。LONWORKS协议不依赖于介质,所以有多个物理层协议受到支持,随通信介质而定。2、数据链路层定义介质访问和数据编码方法以确保有效使用单一的通信信
10、道。物理层的原始比特分解为数据帧。物理层定义何时源设备可以发送一个数据帧,目的设备怎样接收该数据帧并检测传输误差。还定义了确保重要报文发送的优先级机制。3、网络层定义报文数据包怎样选择从源设备到一个或多个目的设备的路由。此层定义设备的命名和寻址以确保数据包的正确发送。还定义了设备在不同的通信信道时,怎样在源设备和目的设备间选择路由。4、传输层确保报文数据包的可靠发送。报文可以使用确认服务来交换。发送设备等待来自接收设备的确认,假如确认未能收到就重发报文。传输层还定义了重复报文怎样检测,假如一个报文由于确认丢失而重发,则将其拒绝。125、会话层在较低层交换的数据上增加控制。它支持远程操作,使用户
11、可以向远地服务器提出请求并获得对此请求的响应。它还定义了一个鉴别协议,使报文接收者能确定发送者是否有权发送该报文。6、表示层通过定义报文数据的编码,在较低层交换的数据上增加结构。报文可以象网络变量,应用报文或外部幀那样编码。网络变量的互可操作编码由标准网络变量类型(SNVT)提供。7、应用层在较低层交换的数据上增加应用程序兼容性。标准对象确保应用软件对在较低层交换的数据使用共同的语义解释,从而促进互可操作性。共同语义解释确保不同的应用软件对网络变量的更新显示共同的行为。13所有通信都由1个或多个在设备间交换的数据包组成。每个数据包的长度由不同数量的字节组成,包含对7层中每一层所要求的数据的压缩
12、表示。压缩表示使LONWORKS数据包非常短,最大限度降低了每LONWORKS设备的实施成本。信道上的每个设备侦察在信道上传输的每个数据包以决定它是否是接收者,假如是,它就处理该包以确定该包是否包含设备应用程序所需的数据,或者是否是网络管理数据包。应用数据包中的数据提供给应用程序,假如合适,一个确认、响应或鉴别报文就会发给发送设备。14信道类型 LONWORKS协议不依赖介质,所以LONWORKS设备能在任何物理传输介质上通信。这使得网络设计者能够充分利用控制网上各种可用的信道。协议还提供一些可修改的配置参数,以便为某一特殊的应用在性能、安全和可靠性等各方面取得折衷。信道是特定的物理通信介质,
13、LONWORKS设备通过专用于该信道的收发器与其连接。每种信道在所连接设备的最大数量、通信比特率和物理距离限值等各方面有不同的特点。表2是几个广泛应用的信道类型的特点的小结。特别提出的是自由拓扑双绞线信道(TP/FT-10),它允许设备能够用双绞线线缆连接,不论其配置如何没有对短截线长度、设备间距、分支长度等的限制,只是每个网段的电缆最大长度有限制。1516LonWorks 的介质存取协议LonWorks 网络采用的介质存取协议称为可预测P坚持载波监听多路访问冲突检测(Predictive P-Persistence CSMA/CD)协议。CSMA 协议要求一个节点在发送报文之前进行网络监听,
14、当信道空闲时发送数据,否则延长一个时隙再监听发送。时隙的选择必须综合考虑传输媒体的利用率和网络冲突的概率。一般的LAN 网采用P 坚持CSMA 协议;由于P 固定而不能调整,若P 值选择较大,则网络忙时冲突不可避免;P 选择太小,必然会带来较大的延时,这都不能满足控制网络的特殊要求。17LonWorks 采用可变的P 来加入时隙。LonWorks 网络上节点的发送时间均被随机分配到16 个时隙上。网络空闲时,节点被分配到这16 个随机时隙上发送消息;当网络负荷增加时,节点会自动增加发送时隙,从而降低冲突概率。P 值的动态调整取决于随机时隙数目,随机时隙的数目取决于网络负荷的预测。网络负荷即网络
15、上此时即将发送消息的数目(用D 表示),随机时隙的数目为16*D,D 的取值范围是1 到63,此时的等价P 值为1/(16*D)。发送节点在其发送的消息报文中插入将要应答此消息的接收节点的数目,也就是发送消息包应得的应答报文数目,所有接收到该消息包的节点的D 值都会加上该应答数目得到新的D 值。此种调整P 值的算法建立在应答消息服务的基础上。在LonWorks 网中的默认消息服务即是应答服务,因此,这种预测的P 值比较准确。实验证明,在网络通信量较小和较大的情况下,MAC 协议保证了网络的运行高效可靠。18寻 址寻址算法定义数据包怎样通过路由选择从源设备传输到一个或多个目的设备。数据包可以发送
16、到单一设备,到任何一组设备,或到所有设备。为了支持从两个设备到成千上万设备组成的网络,LONWORKS协议支持几种类型的地址,从简单的物理地址到指定许多设备集合的地址。下面列举LONWORKS地址类型:19物理地址物理地址。每个LONWORKS设备包括一个叫做Neuron IDNeuron ID(神经元ID)的唯一的48位标识符。神经元ID通常在设备制造时分配,在设备整个工作生命周期不会不改变。设备地址设备地址。LONWORKS设备安装到某个网络中时,就会分配到一个地址。设备地址用来代替物理地址,因为它们支持效率更高的报文路由选择;简化失效设备的更换。为网络维持设备地址数据库的网络安装工具负责
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