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1、现场总线控制系统 第2讲LonWorks技术与Neuron芯片 信息学院自动化系凌志浩 本讲内容提要 1LonWorks技术概述2神经元芯片硬件结构 1 Neuron芯片内部结构及管脚配置 2 主要性能特点 3 存储器 4 附加功能3控制网络组成 LonWorks技术概述 1 是通用测控总线网 2 同时应用在SensorBus DeviceBus FieldBus等任何一层总线中 3 ISO的OSI七层协议上实现 4 神经元芯片 Neuron 和LonTalk协议是LonWorks技术的核心 5 LON网中可有3 30000个节点或更多 三个层次的现场总线示例 典型LonWorks节点基本组成
2、 传感器和控制设备 收发器 I O口 网络通信端口 Neuron芯片 电源 网络 晶振 LonTalk协议 智能控制器 节点 传感器执行器显示操作接口 节点 LON LON网采用分布式控制技术 开放式控制网络 1LonWorks技术概述 1 1Neuron芯片 1 Echelon公司设计了Neuron芯片 2 Neuron芯片其实是一种嵌入式系统 3 Neuron芯片魄力 完整性 内置通讯协议与处理器 4 提供最初的6个协议层 只有应用层的编程和配置需要给定 简化了开发 5 Cypress Motorola Toshiba都生产Neruon芯片 价格很低 1 2LonTalk协议 LonTal
3、k协议遵循ISO定义 OSI 模型 并提供了OSI所定义的全部7层服务 它的特点 1 支持双绞线 电力线 无线 红外线 同轴电缆和光纤在内的多种传输介质 2 可以运行在任何主处理器 HostProcessor 上 3 LonTalk协议使用网络变量与其它节点通信 网络变量可以是任何单个数据项也可以是结构体 4 LonTalk协议支持总线型 星型 自由拓朴等多种拓朴结构类型 5 LonTalk寻址体系 分级 域 子网 节点 LonTalk寻址体系 域 子网1 子网255 节点1 节点2 节点127 节点1 节点2 节点127 三层 域 子网 节点 网络地址可以有3层结构 域 Domain 子网
4、Subnet 和节点 Node 第1层结构是域 域是一个或多个信道上节点的逻辑集合 通信只能在配置为相同域的节点之间进行 因此一个域便形成一个虚拟网络 第2层结构是子网 每一个域最多有255个子网 一个子网是一个域内节点的逻辑集合 一个子网最多可以包括127个节点 第3层结构是节点 子网内每一个节点被赋予一个在该子网内惟一的节点号 该节点号为7位 因此 一个域内最多可有 255 127 32385个节点 1 3LonWorks产品 1 收发器每一个网络设备都有一个收发器 收发器在一个LonWorks设备与LonWorks网络之间提供了一个物理通讯接口 不同通信媒介之间用路由器相连 收发器类型
5、2 LonWorks设备组成 3 路由器 LonWorks是唯一支持多种传输介质的系统 它允许开发者选择那些最能满足他们的要求的传输介质和通讯方法 介质转换 路由器是一个特殊的节点 由两个Neuron芯片组成 用来连接不同通讯媒介的LON网络 路由器能够控制网络流量 增加网络的吞吐量和网络速度 交通控制 4 开发工具 LonBuilder和NodeBuilder用于开发基于Neuron芯片的应用 具有高度可配置性 是开发和调试应用程序 安装和配置节点以及分析网络通讯的集成工具 开发工具通常包括一个可以在多个设备上开发及调试程序的环境 一个安装和配置这些设备的网络管理器 以及一个协议分析器用来检
6、查网络流量以保证有足够的网络容量 同时也包括检查错误 5 网络接口 WEB服务器 1 独立的PC机 PCLTA 20PCLonTalk适配器 是一个封装在标准的PC机PCI适配卡上的网络接口设备 通过它可以使用网络工具 如LonMaker工具 2 笔记本电脑 PCC10PC卡提供了一个简洁的PCMCIAPC卡式的网络接口 3 Echelon公司的SLTA 10系列LonTalk适配器可与一个调制解调器相连以实现拨号上网 4 i LONTM1000IP服务器支持同Internet Intranet 或VPN的远程连接 用Web浏览器访Lon网 LON收发器 LON网 Http服务器 IP Web
7、服务器 i Lon100 Echelon公司通过与CiscoSystems公司 Microsoft公司和SunMicrosystems公司等合作 开发出i Lon100 它既是路由器 又是符合工业标准的Web网络服务器 i Lon100将LonWorks收发的数据进行IP数据包处理后 利用IP网络传输 通过i Lon100 可更方便地将LonWorks和Internet连接起来 使用户能够在Internet上访问到LonWorks控制网上的设备 由于Echelon公司推出了i Lon100 使得LonWorks现场总线技术的应用领域也越来越广 提供LonWorks信道与IP信道的连接 实现远程
8、组网配置 远程监控 6 网络工具 网络工具用于设计 安装 配置 诊断 维护以及监控LON网 LON节点的寻址 构造 连接的建立可在安装阶段完成 这是由固化在Neuron芯片里的网络管理服务的集合来支持的 全部或部分的网络安装可能在生产的最初就开始了 也有可能要在现场进行 无论安装工作是在生产的开始还是在现场 系统都需要修改错误节点或重构网络 2神经元芯片硬件结构 2 1Neuron芯片内部结构及管脚配置Neuron芯片在一个芯片上集成了多个处理器 并有RAM ROM 通讯和输入输出设备 在只读存储器里储存了操作系统 LonTalk协议以及输入输出工作方式库 这一芯片对于从LonWorks网络上
9、下载的应用程序和配置数据来说是一个不可变的存储器 每一个Neuron芯片都被赋予了一个独一无二的48位代码 称作NeuronID 2 1 1Neuron芯片内部结构 Neuron芯片包括3个8位的CPU CPU 1 是媒体访问CPU 主要处理LonTalk7层协议栈中第一和第二层 包括驱动通信子系统硬件以及执行MAC算法 CPU 1和CPU 2通过共享内存中网络缓冲区通信 CPU 2 网络处理CPU 实现LonTalk协议栈的3 6层 处理网络变量 寻址 事务处理 权限认证 背景诊断 软件定时器和网络管理 CPU 2用网络缓冲区和CPU 1通信 CPU 2用应用缓冲区和CPU3通信 CPU 3
10、 是应用CPU 它运行用户编写的代码和应用代码调用的操作系统命令 编程语言是NeuronC 1 每个CPU有各自的寄存器设置 但它们可共享数据 ALU的地址以及存储区访问电路 2 三个CPU的最小周期分别间隔一个系统周期 以便在每个最小周期 各个CPU可以访问存储器和ALU各一次 3 系统对三个CPU采用了管道技术 在不影响性能的情况下 大大减少了硬件的需求 三个CPU可并行工作 而不会造成耗时的中断和上下文交换 2 1 2管脚配置 Neuron芯片家族中的成员是Neuron3120和3150芯片 3120芯片中包括E2PROM ROM RAM存储器 3150中无内部ROM 但拥有访问外部存储
11、器的接口 寻址空间可达64KB 可用于开发更为复杂的应用系统 3120芯片引脚 3150芯片引脚 Neuron芯片比较 芯片引脚 芯片引脚 1 高度集成 所需外部器件较少 2 三个8位CPU 输入时钟范围 625kHz 10MHz 3 11条可编程I O引脚 有34种工作方式 4 两个16位的定时器 计数器 15个软定时器 5 网络通信端口 工作方式单端 差分和专用 6 固件包括 LonTalk协议 I O驱动程序 事件驱动多任务调度程序 7 服务引脚 用于远程识别和诊断 8 每个Neuron芯片有唯一的48位的内部ID号 9 内置低压保护以加强对片内E2PROM的保护 10 通讯速率 610
12、b s 1 25Mb s 2 2主要性能特点 2 3存储器 2 3 1E2PROM内部E2PROM包括 1 网络配置和地址信息 2 独一无二的48位NeuronID 3 用户写的应用代码和大部分的只读数据3120其内部E2PROM也存由LonBuilder或NodeBuilder开发工具产生的应用程序 3150应用代码可写在片内E2PORM中或片外扩展存储器中 或两者兼而有之 E2PROM包含固定数量的系统开销 用来存放网络映象 配置信息 用户代码和用户数据 E2PROM 2 3 2RAM 3120和3120E1包含1K片内RAM 3150和3120E2包含2K片内RAM RAM用来存储 1
13、堆栈 应用和系统数据 2 LonTalk协议的网络和应用缓冲区即使在睡眠模式下 RAM的状态保持着 当节点复位时 RAM中的数据将被清除 2 3 3ROM 所有3120 xx芯片都包括10K字节的ROM ROM用来存储Neuron芯片固件 包括 1 LonTalk协议代码 2 事件驱动和任务调度 3 应用函数库 2 3 4ExternalMemory 3150片内不包括任何ROM 允许外扩58K的外接存储器 外接存储器用来存储 1 应用程序和数据 最多42K 2 Neuron芯片固件以及保留空间 16K 应用程序和数据可用的42K的存储空间也包括附加的网络缓冲区和应用缓冲区 外接的存储空间可由
14、RAM ROM PROM EPROM EEPROM或闪存组成 以256字节递增 存储映像图如图 Neuron芯片内部存储器配置 3150外接存储器 3150芯片的外接存储器总线有8条双向数据线 16条地址线以及2条由Neuron芯片驱动的控制输出线 时钟使能 E 以系统时钟速率运行 是输入时钟速率的一半 当数据在Neuron芯片与外接存储器之间传输时 时钟使能始终为低 三个CPU中的任何一个都可以在指令周期的合适阶段访问所有的存储器 无论是片内的还是片外的 因为三个CPU的指令周期互相偏离一个系统周期 所以在一个时刻只有一个CPU可以使用存储器总线 Neuron3150与EPROM的连接 2
15、4附加功能 2 4 1服务引脚 ServicePin 服务引脚用于配置 安装和维护LonWorks节点 服务引脚既可作输入也可作输出 作输出时 服务引脚通过一个低电平 来点亮一个外接的LED 当节点没有有效的应用代码或芯片已坏时 LED保持为亮 当节点还没有被配置网络地址信息时 LED以0 5Hz的速率闪烁 作输入时 当给服务引脚输入低电平时 将引起Neuron芯片在网上发送一个包含48位NeuronID的网络管理消息 服务引脚电路 2 4 2睡眠 唤醒电路 Neuron芯片在软件控制下 可以进入低电压睡眠模式 在这种模式下 晶振 系统时钟 通信端口和所有的定时器 计数器都被关闭 但仍然保持着
16、所有的状态信息 包括Neuron芯片片内RAM中的内容 当一个输入跳变发生在下列任何一个管脚上时 正常的操作恢复服务引脚 不可屏蔽的 I O引脚 可屏蔽的 通信端口 可屏蔽的 单端模式 CP0差分模式 CP0或CP1专用模式 CP3 在睡眠期间 E引脚保持为高 非使能 使存储器操作无效 地址总线被置为高 0 xFFFF 关闭所有外部设备 数据总线处在输出状态 当检测到唤醒事件 Neuron芯片将允许振荡器起振并等待进入稳定状态 完成内部维护后恢复操作 2 4 3看门狗定时器 Neuron芯片为防止软件错误或存储器出错 包含三个看门狗定时器 每个CPU一个 如果应用或系统软件没有周期的刷新这些定时器 整个Neuron芯片将自动复位 在输入时钟速率为10MHz时 看门狗的复位周期大约是0 84秒 与输入时钟速率成反比 当Neuron芯片进入睡眠模式时 看门狗定时器挂起 2 4 4复位 复位引脚是漏极开路 双向且低有效的I O引脚 内部有一个电流源充当上拉电阻 使复位引脚有效的方法有两种 1 外部信号驱动产生低电平输入 2 内部控制产生低电平输出引起复位引脚复位的内部控制有以下几种 1 软件
