智能建筑测控网络lonworks

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1、 主要内容LonWorks技术基础LonWorks通信协议与编程语言 LonWorks控制网络的应用开发 建筑物自动化总线BACnet其他常用的楼宇测控总线随着网络技术的发展，集散控制系统结构模式 的建筑物自动化系统正在向现场总线控制系统结构 模式转化。现场总线控制系统（FCS）是一种用于 现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散， 全数字化的，智能、双向、多变量、多点、多站的 分布式测控系统。FCS模式简化了网络结构，用一 条总线就可将系统所有监控模块连接起来，使整个 系统的可靠性大大提高，同时通过在总线上增减节 点就能随意增加或减少监控模块，系统的扩展能力 强。自上世纪80年代末以来，有

2、几种现场总线技术已 逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示出其 优势。下面是有代表性的几种。（1）CAN CAN是控制局域网络的简称，主要 用于过程监测及控制。其总线规范现已被ISO国际 标准组织制订为国际标准。（2）Profibus Profibus是德国国家标准 DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。（3）FF（基金会现场总线） 基金会现场总线是 在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前 景的技术。（4）HART HART最早由Rosemount公司开 发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于1993年 成立了HART通信基金会。（5）LonWorks技术 LonWo

3、rks是由美国 Echelon公司推出并由它与Motorola、Toshiba 倡导于1990年正式公布形成的局部操作网络技术 ，它采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，面 向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设 计简化为参数设置。在现场总线控制系统中，LonWorks技术和 BACnet 技术是目前智能建筑发展中用于楼宇设 备控制中的较多选择。除此以外，CAN、EIB、 KNX、X-10和CEBus也有应用。1.1 LonWorks技术基础 1.1.1 LonWorks概述LonWorks是由美国Echelon公司推出并与 Motorola、Toshiba倡导于1990年正式公布形

4、成的局 部操作网络（LON）技术，它采用了ISO/OSI模型的 全部七层通信协议，面向对象的设计方法，通过网 络变量把网络通信设计简化为参数设置，被誉为通 用控制网络。LonWorks的最大优点是其完全的开放性。它采 用分布式的智能设备组建控制网络，同时也支持主 从式网络结构。LonWorks支持多种传输介质，如双 绞线、电力线、同轴电缆、光缆及无线电波、红外 等。Nenron芯片是LonWorks技术的核心，它同时具 备了通信与控制功能，并能完成LonWorks技术中所 有关于网络的操作。LonWorks技术的另一个重要特 点是它的互操作性。1.1.2 LonWorks控制网络的结构从产品和

5、功能上划分，LonWorks控制网络的结构由网 络协议、网络传输介质、网络设备、执行机构和管理软件 五个部分构成。其中，网络设备包括LonWorks节点、路由 器和网关等。在LonTalk协议的协调下，分散在现场的众 多设备融为一体，形成一个包含多介质的、完整的控制网 络。LonWorks控制网络的结构框图如图6-1所示。图6-1 LonWorks控制网络的结构框图一、LonWorks节点LonWorks网络的基本单元是节点。一个典型的现场控 制节点主要包括Neuron芯片、电源、一个收发器和有监控 设备接口的I/O电路。LonWorks节点按其结构可以分为两种类型，一是以神 经芯片元为核心的

6、智能节点，一是采用MIP结构的智能节 点。1.以Neuron芯片为核心的控制节点Neuron芯片是一个复杂的超大规模集成电路元件，可 以实现网络功能和执行节点中特定的应用程序。该芯片通 过独特的硬件、固件相结合的技术，集应用CPU、I/O处理 单元和通信处理器于一体，使其外加一个收发器即构成一 个典型的现场控制节点。图6-2为一个典型节点的结构框 图。图6-2 典型节点的框图2.采用MIP结构的控制节点所谓的MIP（微处理器接口程序）结构即是将 Neuron芯片作为其他微处理 器的通信协处理器，用高性 能的主机资源来完成复杂的 测控功能。因此该种结构也 称为基于主机（host base ）的结

7、构。其典型结构图如 图6-3所示。图6-3 基于主机结构的节点结构图二、网络协议LonWorks技术采用LonTalk协议。LonTalk协议提 供了一整套通信服务，使网络上的节点应用程序对其 他节点发送和接收报文时，无需知道网络的拓扑、名 称、地址或其他节点的功能。通常，LonTalk协议的 内容都固化在Neuron芯片中，而不需开发人员了解其 细节。三、传输介质传输介质是网络中的物理通路，也是通信中传递 信息的实际载体。LonWorks网络中常用的传输介质有 双绞线、电力线、同轴电缆、光缆、无线与卫星通信 。四、网络管理在LonWorks网络中，需要一个网络管理工具，用 于网络的安装、维护

8、和监控。Echelon公司提供了 LonMaker for Windows软件用于实现这些功能。网络 管理主要有以下三个方面的功能，即网络安装、网络 维护和网络监控。1.1.3 Neuron(神经元)芯片 一、 Neuron芯片Neuron芯片是LonWorks技术的核心器件。该 芯片是一个超大规模集成电路元件，可以实现网 络功能和执行节点中的特定应用程序。神经元芯 片是通过独具特色的硬件、固件相结合的技术， 使一个神经元芯片几乎包含一个现场节点的大部 功能。Neuron芯片主要有MC143150和MC143120两大 系列，MC143150支持外部存储器，适合更为复杂 的应用；MC14312

9、0则不支持外部存储器。图6-4示 出了Neuron芯片的内部结构。图6-5示出了Neuron 芯片的引脚配置图。图6-4 Neuron芯片结构图 图6-5 Neuron芯片的引脚配置图二、处理器单元一个Neuron芯片中包含三个8位微处理器，分 别是介质访问控制（MAC）处理器、网络处理器（ NET）和应用处理器（APP）。图6-6为三个处理器 和存储器结构框图。其中，MAC处理器用于完成开 放式系统互连参考模型中的第一层和第二层的功 能，实现介质访问的控制与处理；NET用于完成第 三层至第六层的功能，包括处理网络变量、事务 处理、背景诊断、软件定时器、路由、权限证实 和网络管理等，并负责网络

10、通信控制、发送和接 受数据包等。图6-6 Neuron芯片中三个微处理器结构框图三、存储器3120仅含有内部存储器，3150除含有内部存储器外，还可外接存储器。（一）内部存储器Neuron芯片的内部存储器有三种，即EEPROM、静态RAM和ROM。 1.EEPROM 所有的Neuron芯片内部至少都有512B的EEPROM存储器，用来存储：网络配置和寻址信息；由芯片 制造商写入的唯一的48b Neuron芯片ID码；可选的 用户写入的应用代码和数据表。在EEPROM中，有8个字节是在制造芯片时写入的， 其中包括6个字节的ID码和2个字节的设备代码。其余 内容可在程序控制下写入。2.静态RAM

11、3120和3120E1芯片中有1024B的静态RAM，3150和3120E2芯片中有2 048B的静态RAM。静态RAM可以用作 ：堆栈段，存储应用和系统数据；LonTalk协议 的网络缓冲区和应用缓冲区。 3.ROM 所有的3120芯片上都有10 240B的ROM，用于存储LonTalk协议代码、实时任务调动程序和应用函数 库。 （二）外部存储器3150可寻址的总地址空间为64kB。其中内部存储器 占用6kB空间，因此允许寻址的外接存储器空间为58kB。 在外部地址空间中，有16kB 用来存储Neuron芯片固件、 LonBuilder开发调试器及预留区。其余42kB用来存储用 户的应用程序

12、和数据，也可用作LonTalk协议需额外添加 的网络缓存器和应用缓存器。外部存储器空间可由RAM、ROM、PROM、EPROM、 EEPROM或闪存组合占用。（三）MC143150存储器分布512B的可编程EEPROM，用于存储：i)网络配置和 寻址信息；ii) 由制造商写入的唯一的48位Neuron芯片 ID码；)用户写入的应用代码和只读数据。2048B的静态RAM，用于:i)堆栈段，存储应用和系 统数据；)LonTalk协议的网络缓冲区和应用缓冲区。最高为65536B的存储器地址空间，可为ROM、 EPROM、EEPROM或RAM。处理器通过外部存储器接口可访 问其中的59393B; 另外

13、的6144B为内部映射。需要16384B 的外部存储器来存储LonWorks操作系统，它包含有MAC和 网络处理器执行的系统固件以及支持应用程序的执行部 分。余下的外部存储器可用于：i）存储用户写入的应用 程序代码；ii）存储附加的应用程序读/写数据；）附 加的网络缓冲区和应用程序缓冲区。 （四）MC143120存储器分布512B的可编程EEPROM（MC143120E2为 2048B），用于存储：i)网络配置和寻址信息；ii) 由制造商写入的唯一的48位Neuron芯片ID码；) 用户写入的应用代码和只读数据。 1024B的静态RAM（MC143120E2为2048B） ，用于：i)堆栈段，

14、存储应用和系统数据；ii） LonTalk协议的网络缓冲区和应用缓冲区。除掉电 情况外，RAM的状态一直保持不变。 10240B的可屏蔽ROM，用于存储：i）MAC和 网络处理器执行的系统固件；）支持应用程序 的操作系统。 图6-7 MC143150芯片 图6-8 MC143120DW/BIDW芯片 存储器分配 存储器分配 MC143150的外接存储器总线有8根双向数据线 ，16根地址线和2根由Neuron芯片驱动的控制输 出线（R/W和E）。表6-1列出了MC143150的外部 存储器接口引脚。 表6-1 MC143150的外部存储器接口引脚。引脚 方向 功能A0-A15 D0-D7 E R

15、/W输出 输入/输出 输出 输出地址引脚 数据引脚 使能钟信号 读/写选择四、输入/输出 11根双向I/O管脚 Neuron芯片具有11管脚 （IO_0IO_10）的I/O口，这11个 I/O口可应用于 不同的配置，为外部硬件提供灵活的接口。IO_4 IO_7管脚有可编程的上拉电阻，IO_0IO_3管脚有 高电流吸收能力（20mA，0.8V），其他具有标准吸 收能力（1.4mA，0.4V）。所有管脚均有滞后的TTL 电平输入。IO_0IO_7还带有低电平检测锁存。定时/计数器 Neuron芯片带有两个片内定 时/计数器。定时/计数器1称为多路选择定时/计数 器，它的输入可通过一个多路选择开关，

16、从IO_4 IO_7中选择一个，输出可连至IO_0。定时/计数器2 称为专用定时/计数器，其输出为IO_4，输出为IO_1 。每个定时/计数器包括：可以被CPU写入的16bit装 入寄存器；16位计数器；可以被CPU读出的16bit锁 存器。但要注意，前述管脚并不是固定的分配给定 时/计数器。 图6-11 定时/计数器外部连接图专用编程语言Neuron C 可以将11个应用I/O配置成34种不同的I/O对象。通过函数io_in( )和io_out( )可对所定义的I/O进行输入输出操作 ，有效地实现这11个I/O的测量、计时和控制等功 能。上述34种I/O对象中，按其输入/输出方向来 分，有输入、输出和双向三大类；按对象的类型 来分，可分为直接I/O对象、并行I/O对象、串行 I/O对象和定时/计数器I/O对象。 五、通信端口1 通信及通信端口Neuron芯片可支持多种通信