LON和LonWorks技术PPT课件

1、 LON(Local Operating Network)总线是美国Echelon(埃施朗）公司1991年推出的局部操作网络，最初主要用于楼宇自动化，很快广泛应用在工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域。 LONLON是开放的总线平台技术，给各种控制网络应用提供端到端的解决方案。是开放的总线平台技术，给各种控制网络应用提供端到端的解决方案。第1页/共57页8.1 8.1 总体概述总体概述1.LonWorks1.LonWorks技术特点（1 1）支持）支持OSIOSI七层模型的七层模型的LonTalkLonTalk通信协议通信协议（2 2）神经元芯片）神经元芯片（3 3）基于）基于LNSLNS（Lo

2、nWorks Network Operating SystemLonWorks Network Operating System）的软件工具）的软件工具（4 4）开放性）开放性第2页/共57页（1 1）支持OSIOSI七层模型的LonTalkLonTalk通信协议 LonTalkLonTalk通信协议支持通信协议支持OSIOSI的所有七层模型，是直接面向对象的网络协议。的所有七层模型，是直接面向对象的网络协议。 LonTalkLonTalk协议通过神经元芯片实现，不仅提供介质存取、事务确认和点对点通信服协议通过神经元芯片实现，不仅提供介质存取、事务确认和点对点通信服务；还提供一些如认证、优先级

3、传输、广播组播消息等高级服务。务；还提供一些如认证、优先级传输、广播组播消息等高级服务。第3页/共57页（2 2）神经元芯片 神经元芯片是LonWorks技术的核心， 功能：总线通信处理器、I/O控制处理器。 神经元芯片提供LonTalk协议的第1-6层，采用Neuron C语言开发。 神经元芯片：3个8位CPU、RAM、ROM、通信接口和I/O接口。ROM中存储操作系统、LonTalk协议和I/O函数库；RAM用于存储从网络上下载的配置数据和应用程序。第4页/共57页神经元节点结构框图电源神经元芯片3150/3120ROM(3150,1658K)I/O调理电路晶振收发器传感与执行第5页/共5

4、7页带神经元芯片主节点结构框图EPROM神经元芯片收发器复位电路接口单元主处理器第6页/共57页路由器模块框图电源安装按钮RTR-10路由器核心模块A边收发器B边收发器第7页/共57页（3）基于LNS（LonWorks Network Operating System）的软件工具 有多种LNS的网络维护和组态工具。 LonMaker for Windows、LNS Plug-in、LNS DDE Server以及嵌入式设备管理器等网络集成工具。 LonMaker是图形化工具，用于图形绘制、系统调试和网络的维修保养； 节点开发工具NodeBuilder； 节点和网络安装工具LonBilder；

5、网络管理工具LonManage以及客户服务器网络构架LNS技术。第8页/共57页（4 4）开放性LonWorksLonWorks技术提供了开放系统设计平技术提供了开放系统设计平台，使不同公司生产的同类台，使不同公司生产的同类LonWorksLonWorks产品可以互操互换（产品可以互操互换（OEMOEM产品）。产品）。LonWorksLonWorks产品的互操作标准由产品的互操作标准由LonMarkLonMark协会制定。协会制定。第9页/共57页2. LON总线系统的开发 基于开发工具LonBuilderLonBuilder或NodeBuilder3.1NodeBuilder3.1，使用Ne

6、uron CNeuron C语言编程，针对控制系统要求编写应用代码，然后经过编译与通信协议代码连接生成总的目标代码，再烧录到节点存储器中； 基于图形方式的软件开发工具Visual ControlVisual Control，通过组态构成控制系统，自动编译生成总的目标代码，直接下载到节点的Flash ROMFlash ROM中。对复杂系统，需编制自定义模块。第10页/共57页8.28.2 LonTalkLonTalk协议协议1. LonTalk七层协议 LonTalkLonTalk协议为OSIOSI模型七层结构，含物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。 LonTalkLonTa

7、lk协议提供一系列通信服务，可使一台设备的应用程序不了解网络拓扑、名称、地址或其它设备功能时发送和接收报文。 提供端到端的报文确认，报文认证、打包业务和优先传送服务，支持网络管理服务，允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。第11页/共57页 采用神经元芯片的网络节点含有LonTalkLonTalk协议固件，使网络节点可以可靠地通信。 网络节点相互独立，任一节点发生故障时，不影响整个网络工作，提高了系统的可靠性和可维护性。 各节点具有本地存储和处理能力，系统的安全性很高，能在系统规模大时避免网络通信的冲突和网络速度的局限性。第12页/共57页（1 1）物理层：定义通信信道上位流的传输，它确保源

8、设备发送的位流准确地被目的设备接收。（2 2）数据链路层：定义介质访问方法和单一信道的数据编码。（3 3）网络层：定义设备名称和地址，源设备的报文如何选择路由到达一台或多台目的设备，以及当源设备和目的设备不在同一信道上时，如何确定报文路由。第13页/共57页（4）传输层：确保可靠的报文传输。（5 5）会话层：对较低层数据交换加以控制。（6 6）表示层：定义报文数据的编码。（7 7）应用层：定义一种低层交换数据的公共语义解释，使不同应用程序中的网络变量改变时，均能自动将更新的网络变量值下传( (发送) )或上传( (接收) )。应用层还定义了一个文件传输协议，用来传输应用程序间的传输流。第14页

9、/共57页表81 LonTalk的七层协议OSI层次层次标准服务标准服务LonTalk服务服务处理器处理器7应用层应用层网络应用网络应用 标准网络变量类型标准网络变量类型 应用处理器应用处理器 6表示层表示层数据表示数据表示 网络变量，外部帧传送网络变量，外部帧传送 网络处理器网络处理器 5会话层会话层 远程遥控动作远程遥控动作 请求响应请求响应,认证认证,网络管理网络管理 网络处理器网络处理器 4传输层传输层端对端可靠传输端对端可靠传输 应答，非应答，点对点，广应答，非应答，点对点，广播，认证等播，认证等 网络处理器网络处理器 3网络层网络层传输分组传输分组 地址，路由地址，路由 网络处理器

10、网络处理器 2链路层链路层帧结构帧结构 帧结构，数据解码，帧结构，数据解码，CRC错错误检查误检查 网络处理器网络处理器 介质访问介质访问 P坚持坚持CSMA，避免碰撞，避免碰撞，优先级优先级 MAC处理器处理器 1物理层物理层电路连接电路连接 介质，电气接口介质，电气接口 MAC处理器处理器 第15页/共57页2.LonTalk2.LonTalk各层协议及功能 （1 1）物理层 LonTalkLonTalk协议支持多种不同传输介质分别采用不同的收发器。传输介质：双绞线(twisted-(twisted-pair)pair)、电力线、电源线(powerline)(powerline)、无线射频

11、(radio-frequency)(radio-frequency)、红外线（infraredinfrared）、同轴电缆(coaxial cable)(coaxial cable)和光纤(fiber)(fiber)，甚至是用户自定义的通信介质。第16页/共57页采用Lon总线构成的现场总线网络MIP节点计算机网络管理工具路由器神经元节点神经元节点1250kbps双绞线到电力线路由器神经元节点神经元节点1250kbps双绞线到78kbps双绞线路由器神经元节点神经元节点1250kbps双绞线到电源线1.25M双绞线双绞线电力线电源线第17页/共57页 不同介质的传输距离、传输速率、网络拓扑结构

12、以及所使用的收发器均不相同，为支持各种传输介质，物理层协议支持多种通信协议。 收发器是神经元芯片与信道的接口，LonTalkLonTalk协议支持在通信介质上的硬件碰撞检测，可自动地将正在发生碰撞的报文取消，重新再发。第18页/共57页（2 2）链路层 数据帧传输独立于物理介质和介质访问的控制方法，数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制LLCLLC（Logical Link ControlLogical Link Control）和介质访问控制MACMAC。 LLCLLC与介质无关，MACMAC则依赖于介质。1 1）MACMAC子层 MACMAC协议：可靠传送数据包，减少冲突的控制算法。 MAC

13、MAC协议是CSMACSMA（载波信号多路侦听）协议的改进： P P坚持CSMA (Predictive PCSMA (Predictive Ppresistent CSMA)presistent CSMA)。 优先级带预测的PP坚持CSMACSMA第19页/共57页LonWorks的MAC子层的优点： 支持多介质、低速率的网络通信，重负载和过载时不会因为冲突而降低吞吐量。 当使用支持硬件冲突检测的传输介质(如双绞线)时，一旦收发器检测到冲突，LonTalk协议就可以有选择地取消报文的发送，这使节点可以马上重新发送并使冲突不再重发，有效地避免了碰撞。第20页/共57页2 2）链路层（逻辑链路控

14、制） 链路层确保链路层数据单元（链路层确保链路层数据单元（Link Protocol Data UnitLink Protocol Data Unit，LPDULPDU）的数据在子）的数据在子网内顺序无响应传输。网内顺序无响应传输。 提供错误检测，但不提供错误恢复，当一帧数据提供错误检测，但不提供错误恢复，当一帧数据CRCCRC效验错，该帧被丢掉。效验错，该帧被丢掉。第21页/共57页（3）网络层 LonTalkLonTalk协议提供给用户简单的网络层通信接口，定义接收、发送、响应等，协议提供给用户简单的网络层通信接口，定义接收、发送、响应等，在网络管理上有网络地址分配、出错处理、网络认证、流

15、量控制、路由器机制。在网络管理上有网络地址分配、出错处理、网络认证、流量控制、路由器机制。1）LonTalk协议的网络地址结构2）寻址格式第22页/共57页1 1）LonTalkLonTalk协议的网络地址结构 LonTalkLonTalk地址唯一地确定一个LonTalkLonTalk数据包的源节点或目标节点，路由器则利用这些地址在信道之间选择数据包的传输路径。为了简化路由选择，LonTalkLonTalk协议定义了分级的网络地址形式： 域(Domain)(Domain) 子网(Subnet)(Subnet) 节点(Node)(Node)地址 组地址 芯片地址(Neuron ID)(Neuro

16、n ID)第23页/共57页域地址(domain)(domain)： 域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合。一个域就是一个实际意义上的网络，通信只能在同一域中配置的节点之间进行。 多个域可以占用同一个信道，所以，域地址可以用来隔离不同网络上的节点。域的结构可以保证在不同的域中通信是彼此独立的。 域标识符是唯一的。第24页/共57页子网地址(Subnet)(Subnet)： 子网是在同一域中节点的逻辑集合，是一个或多个通道的逻辑分组。一个子网最多可有127127个节点，一个域最多可有255255个子网。一种子网层的智能路由器产品可以实现子网间的数据交换。子网中的所有节点必须在同一信道上，如果

17、一个节点属于两个域，该节点必须属于每个域中的一个子网。第25页/共57页节点地址（NodeNode）： 节点地址是节点被赋予的所属子网内的唯一的节点标识码。节点的标识码为7 7位，所以每个子网最多可以有127127个节点。一个域中最多可以有3238532385个节点（255255127127）。任一节点可以分属一个或两个域，容许一个节点作为两个域之间的网关(gateway)(gateway)，也容许一个节点将采集来的数据分别发向两个不同的域。第26页/共57页 地址(Group)(Group)： 组是一个域内节点的逻辑集合。与子网不同，组不需要考虑节点的物理位置。组可以包括路由器，一个组可在一

18、个域中跨越几个子网，或几个通道。每一个组对于需应答服务的节点最多可包含6464个，而对无应答服务的节点个数不限，一个节点最多可以属于1515个组，一个域最多可以有256256个组。组地址的长度为1 1个字节。分组结构可以使一个报文同时为多个节点所接收。第27页/共57页芯片地址芯片地址(Neuron ID)(Neuron ID)： 每一个神经元芯片有一个独一无二的4848位IDID地址，这个IDID地址是在神经元芯片出厂时由厂方规定的，这个IDID码是唯一的。一般只在网络安装和配置时使用，可以作为产品的序列号。节点也可以用Neuron IDNeuron ID寻址。第28页/共57页表8.2 L

19、onTalk协议的五种地址格式地址格式目 标地址长度(字节数) 域(子网0)域内所有节点3域、子网子网内所有节点3域、子网、节点子网内的特定节点4域、组组内所有节点3域、Nueron ID特定节点9第29页/共57页2 2）寻址格式 一个通道是指在物理上能独立发送报文( (不需要转发) )的一段介质。LonTalkLonTalk规定一个通道至多有3238532385个节点。通道并不影响网络的地址结构，域、子网和分组都可以跨越多个通道，一个网络可以由一个或多个通道组成。通道之间是通过桥接器(bridge)(bridge)来连接的。这样做不仅可以实现多介质在同一网络上的连接，而且可以使一个通道的网

20、络信道不致过于拥挤。第30页/共57页（4 4） LonTalkLonTalk协议的传输层和会话层 LonTalkLonTalk协议核心：传输层和会话层。一个传输控制子层管理报文执行的顺序和二次检测。传输层是无连接的，它提供1 1对1 1节点、1 1对多节点的可靠传输、信息认证(authentication)(authentication) 。 会话层：主要提供了请求/ /响应的机制，它通过节点的连接，来进行远程数据服务(remote (remote servers)servers)，因此使用该机制可以遥控实现远端节点的过程建立。LonTalkLonTalk协议的网络功能虽然在应用层完成，但实

21、际上是由提供会话层的请求应答机制完成的。第31页/共57页LonTalkLonTalk协议提供四种类型的报文服务：1.1.应答方式(acknowledge)(acknowledge)2.2.请求响应方式(request/response)(request/response)3.3.非应答重发方式(unacknowledged repeated)(unacknowledged repeated)4.4.非应答方式(unacknowledged)(unacknowledged) 这些报文服务除请求响应是在会话层实现外，其他三种都在传输层实现。第32页/共57页（5） LonTalk协议的表示层和应

22、用层 LonTalkLonTalk协议采用面向数据的应用协议。在这种方式下，节点间以标准工程单位或其它预定义的单位交换诸如温度、压力、状态和文字串等应用数据，而命令语句封装在接收节点的应用程序中且不是将命令在网上传送。以这种方式，同一工程量可送到多个节点，然而每个节点对该数据有不同的应用程序。第33页/共57页LonTalkLonTalk协议的表示层和应用层提供五类服务：1)网络变量的服务网络变量的服务2)2)显示报文的服务显示报文的服务3)3)网络管理的服务网络管理的服务4)4)网络跟踪的服务网络跟踪的服务5)5)外来帧传输的服务外来帧传输的服务第34页/共57页3. LonTalk协议使用

23、中注意的问题（1）LonTalkLonTalk协议的网络认证协议的网络认证（2 2） LonTalkLonTalk协议的网络接口协议协议的网络接口协议（3 3） LonTalkLonTalk协议中的定时器协议中的定时器（4 4）网络效率）网络效率第35页/共57页（1 1）LonTalkLonTalk协议的网络认证 LonTalkLonTalk协议支持报文认证，即允许报文的接收者确定报文的发送方是否有权发送。它用于防止未授权节点介入应用。（2 2） LonTalkLonTalk协议的网络接口协议 LonTalk LonTalk协议包含一个可选择的网络接口协议，该协议支持在任一主处理器上运行的L

24、onWorksLonWorks应用程序。主处理器可以是微处理器、微控制器或PCPC机。主处理器管理LonTalkLonTalk协议的第6 6和7 7层，并且使用LonTalkLonTalk网络接口管理协议的1 15 5层。LonTalkLonTalk网络接口定义网络接口和主处理器之间的数据交换格式。第36页/共57页（3） LonTalk协议中的定时器 在使用LonTalkLonTalk协议服务之前，需正确设置以下几个定时器： 事务定时器(Tramsaction Timer)(Tramsaction Timer) 重发定时器(Repeat Timer)(Repeat Timer) 组接收定时器

25、(Group Receive Timer)(Group Receive Timer) 非组接收定时器（Non-Group Receive TimerNon-Group Receive Timer） 缓冲器释放定时器(Free Buffer Wait Timer)(Free Buffer Wait Timer)第37页/共57页（4）网络效率 网络响应时间、安全性和可靠性是相互关联的。 例如，应答服务方式是最可靠的，但它与非应答方式和非应答重发方式相比需要较大的网络带宽；对具有优先权的报文实时发送，对其它报文的发送是不利的；使用报文认证服务可使安全性增加，但要传送的报文数量将是无报文认证服务的两

26、倍。第38页/共57页8.3 8.3 神经元芯片神经元芯片 神经元芯片包括三个内部处理器、存储器、输入输出、通信端口和定时计数器等一、概述 神经元芯片是LonWorks技术的核心。神经元芯片使用CMOS VLSI技术，主要包含MCl43150（无内部ROM ）和 MCl43120 (不支持外存储器 )两大系列 二、神经元芯片的结构 1神经元芯片的硬件结构 神经元芯片作为LonWorks技术的核心，在内部结构上具有许多优点，它提供通信、控制、介质访问、I/O接口等功能 。 第39页/共57页2、神经元芯片的三个处理器 MAC通信处理器、网络处理器和应用处理器。 MAC通信处理器完成介质访问控制（

27、media access control），也就是ISO的OSI七层协议的1和2层，这其中包括碰撞回避算法。它和网络CPU间通过使用网络缓冲区达到数据的传递。 网络处理器完成OSI的36层网络协议，它处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等进程。网络处理器使用网络缓冲区与MAC处理器进行通信，使用应用缓冲区与应用处理器进行通信。 应用处理器完成用户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用。 第40页/共57页神经元芯片内部结构示意图MAC通信CPU网络CPU应用CPUE2PROMRAMROM(3120)控制时钟与计数器I/O模块（包括16位寄存器、脉冲计数器、20m

28、A环电流等）网络通信口16位地址线8位数据线时序与控制 IO0 IO7CP0 CP4IO8 IO9 IO10Reset Service CLK1 CLK2Vss Vdd外部存储器(3150)第41页/共57页2神经元芯片的处理单元 神经元芯片内部装有三个微处理器：MAC通信处理器、网络处理器和应用处理器。右图为三个处理器和存储器结构的框图。MAC通信处理器网络处理器应用处理器通信接口I/O接口网络缓冲器应用缓冲器共享存储器图8.6 芯片内三个处理器和存储器结构框图第42页/共57页3通信端口 神经元芯片通信端口为适合不同的通信介质，可以将五个通信引脚配置成三种不同的接口模式，以适合不同的编码方

29、案和不同的波特率，如表8.5所示。这三种模式是：单端模式（single-ended- mode）、差分模式（differential mode）和专用模式（special purpose mode）。第43页/共57页表8.5 通信管脚的不同配置管脚驱动电流（mA）差 分单 端专用模式CP01.4RX +(in)RX （in）RX （in）CP11.4RX(in） TX （out） TX （out） CP240TX+(out) TX Enable (out)Bit Clock （out ）CP340TX(out) Sleep (out） Sleep （out） or Wake Up（in） C

30、P41.4Cdet (in） Cdet （in） Frame Clock（out） 第44页/共57页（1）单端模式 该模式在LON总线中应用广泛，无线、红外、光纤和同轴电缆都使用该模式。通信口配置如图8.10。数据通信通过CP0和CP1。该模式还包含低有效的睡眠输出（CP3），可使收发器进入掉电状态。 数据编、解码为差分曼彻斯特编码（differential Manchester encoding)。在发送报文前，神经元芯片发送端初始化输出数据（CPl）管脚为低，然后发出发送允许信号（CP2），这样确保数据发送的开始是从低到高。第45页/共57页图8.10单端模式的通信口配置框图差 分 曼 彻斯特编码差 分 曼 彻斯特编码NRZ数据NRZ数据发送允许睡眠碰撞检测允许CP0CP1CP2CP3CP4第46页/共57页（2）差分模式 在差分模式下，神经元芯片支持内部的差分驱动。差分模式的通信口配置如图8.11所示。差分方式类似于单端方式。区别是差分模式包括一个内部差分驱动，