工业网络第四章

工业网络第四章第1页，共60页，2023年，2月20日，星期一引言（1）

LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国Echelon公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO之OSI模型的全部七层通讯协议（最大特点），采用了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，其通讯速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m（78kbps，双绞线），支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。第2页，共60页，2023年，2月20日，星期一引言（2）

LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为

Neuron（神经元）的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU；一个用于完成开放互连系统参考模型中第1～2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。第3页，共60页，2023年，2月20日，星期一第二部分

LonWorks技术二、通信控制处理器三、LonWorks通信四、通信协议LonTalk本章小结一、LonWorks技术概要五、面向对象的编程语言技术概要第4页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonWorks

技术概要基于LonWorks技术的现场控制系统由LonWorks节点，、路由器、LonTalk协议、LonWorks收发器和LonWorks网络管理五大部分构成，下图为LON总线构成的一个现场网络。LonWorks节点LonWorks路由器LonTalk协议LonWorks收发器LonWorks网络管理第5页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonWorks

节点

LonWorks节点可以采用以神经元芯片为核心的方式,即神经元芯片加上收发器构成一个现场控制节点。由于神经元芯片功能有限，也可以采用神经元芯片加主处理器的方式，把神经元芯片作为通信协议处理器，用高性能的主处理器完成复杂的测控功能。第6页，共60页，2023年，2月20日，星期一RTR-10路由器核心模块电源安装按钮B口收发器A口收发器LonWorks

路由器

LonWorks路由器是LON总线中一个重要的组成部分，也是其他总线所不具备的。它使现场总线不再受通信介质通信距离和通信速率的限制。在LonWorks技术中，路由器包括以下几种：中继器、桥接器、路由器。右图为采用RTR-10路由器核心模块构成的路由器框图。第7页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk

协议

LonTalk是ISO组织制定的OSI开放系统互连参考模型的七层协议的一个子集。

LonTalk协议提供四种报文服务：确认服务、请求/应答方式、非确认重发方式和非确认方式。第8页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonWorks收发器

LON总线的一个重要特点就是它对多通信介质的支持，可以根据不同的现场环境选择不同收发器和介质。第9页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonWorks网络管理在LON总线中，需要一个网络管理工具，这也是LON总线与其他总线所不同的地方。

网络安装网络维护网络监控当单个节点建成以后，节点之间需要互相通信，这就需要一个网络工具为网络上的节点分配逻辑地址，同时也需要将每个节点的网络变量和显示报文连接起来；一旦网络系统建成正常运行以后，还需要对其进行维护；对一个网络系统还需要有上位机能够随时了解该网络的所有节点网络变量和显示报文的变化情况。第10页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonWorks开发工具

开发工具通常包括一个在多个节点上开发和调试应用程序的环境，一个安装和配置这些节点的网络管理器和一个检测网络业务量以保证合适的网络容量和检出错误的协议分析器。埃施朗的LonBuilder工具能组合各种配置，具有一系列的待选工具。开发工具使制造商能方便、经济地为基于LonWorks的控制网设计和测试各个节点。

现在有几家公司供应开发、测试LonWorks装置并为其编程的工具。此外，好多公司为网络设计和系统管理供应软件工具，例如埃施朗的LonMakerforWindows，以及HMI工具，例如Wonderware的Intouch。第11页，共60页，2023年，2月20日，星期一LON总线的性能特点具有三个CPU的神经元芯片-链路（MAC）CPU-网络（NET）CPU-应用（APP）CPU支持多种通信介质支持OSI全部七层协议，提供一个固化的网络操作系统提供完整的开发平台支持面向对象的编程，易实现网络的互操作性第12页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonWorks的优点

LonWorks技术的基本元件（Neuron芯片），同时具备了通讯与控制功能；改善了CSMA，使网络在负载很重时不会导致网络瘫痪；网络通信采用了面向对象的设计方法，使网络通信的设计简化成为参数设置，不仅节省大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性；

LonWorks技术通信的速率可达1.25Mbps；

LonWorks技术一个监控网络上的节点数可达32000个；

LonWorks技术的直接通信距离可达2700米。第13页，共60页，2023年，2月20日，星期一第二部分

LonWorks技术二、通信控制处理器三、LonWorks通信四、通信协议LonTalk本章小结一、LonWorks技术概要五、面向对象的编程语言通信芯片第14页，共60页，2023年，2月20日，星期一神经元芯片名称的由来

为了经济、标准化设计，埃施朗公司采用了神经元芯片。选择神经元这一名称是为了指出正确的网络控制机制和人脑的相似性。人脑中没有控制中心，几百万个神经元联网，每个神经元通过为数众多的路径向其它神经元发送信息。每个神经元通常都奉献于某一专门功能，但失去任何一个不一定影响网络的整体性能。

就开发者和集成人员来说，神经元芯片之优越在于它的完整性。内装协议和处理器免除了在这些方面的任何开发和编程。开发者和集成人员只需要提供应用层编程和配置就能运行。这样就使协议的实施标准化，并使开发和配置较为容易。第15页，共60页，2023年，2月20日，星期一神经元芯片简介（1）

大部分LonWorks装置利用神经元芯片的功能，并将其用作控制处理器。神经元芯片是一种半导体装置，专门设计用于为低价控制装置提供智能的联网能力。神经元芯片包括使用用户编码和开发装置的通信和应用处理能力。埃施朗公司设计了最初的神经元，但神经元派生产品现在通常都由埃施朗的合作伙伴设计和制造。Cypress半导体公司、摩托罗拉、东芝等是那些芯片的当前生产者。众多供应商为神经元芯片造成一个竞争环境，有助于使价格下降。

神经元基本上是一个“芯片上的系统”，由多个微处理器，读写存储器和只读存储器、通信和I/O接口组成。只读存储器包含操作系统、LonTalk通信协议和I/O功能数据库系统。芯片有用于装置数据和应用程序的非易失性RAM，两者都可从通信网络上下载。在制造时，每个神经元芯片被赋予一个永久的全世界唯一的名为神经元ID的48位码。现在有不同速度、存储器类型和容量、接口的许多系列的神经元芯片。至1999年初就发运了超过7百万的神经元芯片，某些种类的价格低于$3。第16页，共60页，2023年，2月20日，星期一神经元芯片简介（2）

一个全面实施LonTalk协议的称为LonTalk固件的程序包含在每个神经元芯片的ROM中。这使得神经元能保证在每个装置中公共协议的应用以完全相同的方式实施。大部分LonWorks装置包括一个具有完全相同的嵌入式LonTalk协议实施工具的神经元芯片。这个方法解决了“99%兼容性”问题，并保证LonWorks装置在同一网络上的连接只需要很少甚至于不需要额外的硬件。神经元芯片实际上是结合成一体的3个8位微处理器，其中2个优化以执行协议，第3个供节点应用。所以，神经元芯片既是网络通信控制器，又是应用处理器。这保证了不论控制装置/网络来自哪个制造商，使这些装置能相互通信的内在协议是相同的。

每个神经元芯片都有一个被保证是唯一的48位的ID。但是，这个ID通常只用于初始安装和诊断。为了简化正常的网络运行，在网络管理中使用了逻辑寻址方法。。第17页，共60页，2023年，2月20日，星期一神经元芯片结构第18页，共60页，2023年，2月20日，星期一神经元芯片外型第19页，共60页，2023年，2月20日，星期一通信接口I/O接口网络处理器应用处理器网络缓冲器应用缓冲器共享存储器MAC处理器处理器单元

MAC处理器：完成介质访问控制，即OSI模型中的第1-2层，包括碰撞回避算法；网络处理器：完成OSI模型中的第3-6层协议，处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时、网络管理和路由等进程；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20页，共60页，2023年，2月20日，星期一存储器分配

EEPROM：（512Byte）网络配置和地址表，48位ID号，用户应用程序代码和一般只读数据。RAM：（2kB）堆栈段、应用程序和系统程序的数据区，协议应用缓冲区和网络缓冲区。64kB存储器空间：用户最多能用58kB，剩余6kB用于系统内部映射。

16kB外部存储器空间：用于存储LON的操作系统。

剩余存储器空间：可作为用户编写的应用代码以及应用程序所需的额外读写数据区。第21页，共60页，2023年，2月20日，星期一输入输出端口神经元芯片与其它设备的互连是通过其上的11个I/O引脚——IO0–IO10。这些引脚可根据不同外设I/O的要求，灵活配置I/O方式：

IO4–IO7：可以通过编程设置成上拉；IO0–IO3：带有大电流接收（20mA）；IO0–IO10：带有TTL标准的迟滞输入；

IO0–IO7：带有低电平检测锁存。神经元芯片的I/O引脚不仅可自由配置其输入输出功能，而且还可与定时器、UART模块等配合完成相应功能。第22页，共60页，2023年，2月20日，星期一定时器

神经元芯片内有两个定时/计数器：T1为多路选择T/C：其输入可通过一个多路选择开关，从IO4–IO7四个I/O中选择一个，输出可连至IO0。T2为专用T/C：其输入是IO4，输出为IO1。每个定时/计数器内包括：可以由CPU写入的16位装入寄存器、16位计数器，可以由CPU读出的16位锁存器。第23页，共60页，2023年，2月20日，星期一通信端口（1）神经元芯片支持多种通信介质，其通信端口为适应不同的通信介质，可将5个通信管脚配置成3种不同的接口模式，已适应不同的编码方案和不同的波特率。单端模式：此模式在LON系统中应用最多（无线、红外、光纤和同轴）。数据通信通过单端输入脚CP0和输出脚CP1，采用差分曼彻斯特编码。开始发送数据报文前，神经元芯片发送端初始化输出数据（CP1）为低，然后发出允许发送信号（CP2），这样确保数据发送的开始时电平是从低到高。正式发送报文前，先发送一个同步头，确保接收节点接收时钟同步。该同步头包括一个位同步域（一串差分曼彻斯特编码的“1”）和字节同步域（1位差分曼彻斯特编码的“0”，表示同步头结束）。接着就是正式报文的第1个字节。报文结束时，通信端口强制差分曼彻斯特编码为一个线路空码，并保持到接收端确认发送的报文结束。作为选项，神经元芯片支持一个低有效的收发器碰撞检测信号。差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码CP0CP1NRZ数据NRZ数据CP2CP3CP4发送允许允许睡眠发送碰撞检测第24页，共60页，2023年，2月20日，星期一差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码CP0CP1NRZ数据NRZ数据CP2CP3CP4发送允许发送碰撞检测通信端口（2）差分模式：此模式下，神经元芯片支持内部的差分驱动。采用差分方式类似于单端方式，区别是差分方式时具有一个内部差分驱动，同时不再包括睡眠输出。差分方式也是采用差分曼彻斯特编码，数据格式完全和单端模式相同。第25页，共60页，2023年，2月20日，星期一通信端口（3）专用模式：在一些专用场合，需要神经元芯片直接提供没有编码和不加同步头的原始报文。在这种情况下，需要一个智能的收发器处理从网络上或从神经元芯片上来的数据。发送的过程是：从神经元芯片接收到这种原始报文，重新编码，并插入同步头；接收的过程是：从网络上收到数据，去掉同步头，重新编码，然后送入神经元芯片。第26页，共60页，2023年，2月20日，星期一时钟系统与睡眠-唤醒机制时钟系统：在神经元芯片中包括一个分频器，通过外部的一个输入晶振来输入时钟。神经元芯片正常工作频率可从10M–625kHz（625kHz是对于低电压神经元芯片来说的）。睡眠–唤醒机制：神经元芯片可通过软件设置进入低功耗的睡眠状态。此时，系统时钟、使用的程序时钟和计数器均关闭，但使用的状态信息（包括神经元芯片的内部RAM）被保留。当有如下的输入转换时，正常的系统操作被恢复（唤醒）。I/O管脚的输入（可屏蔽）IO4–IO7ServicePin信号通信端口（可屏蔽）差分模式CP0或CP1单端模式CP0专用模式CP3第27页，共60页，2023年，2月20日，星期一Service引脚输出时ServicePin通过一个低电平来点亮外部的LED，LED保持为亮表示该节点没有应用代码或芯片已坏；LED以0.5Hz的频率闪烁表示该节点处于未配置状态。输入时，一个逻辑低电平使神经元芯片传送一个包括该节点48位的ID网络管理信息。为完成输入输出功能，该管脚的输入输出以76Hz的频率、50%的占空比复用。当ServicePin没有连接外部LED和上拉电阻时，ServicePin有一个片内可选（通过软件设置）的上拉以保证输入是无效的状态。

ServicePin是神经元芯片中的一个非常重要的管脚，在节点的配置、安装和维护的时候都需要使用该管脚。该管脚既能输入也能输出。第28页，共60页，2023年，2月20日，星期一Watchdog定时器神经元芯片为防止软件失效和存储器错误，包含三个Watchdog定时器（每个CPU一个）。如果应用软件和系统没有定时地刷新这些Watchdog定时器，整个神经元芯片将自动复位。

Watchdog定时器的复位依赖于神经元芯片输入时钟的频率，例如在输入时钟频率为10MHz时，Watchdog定时器周期是0.84s。当神经元芯片处于睡眠状态时，所有的Watchdog定时器被禁止。第29页，共60页，2023年，2月20日，星期一第二部分

LonWorks技术二、通信控制处理器三、LonWorks通信四、通信协议LonTalk本章小结一、LonWorks技术概要五、面向对象的编程语言通信第30页，共60页，2023年，2月20日，星期一概述

LON总线的一个非常重要的特点是它对多种通信介质的支持。由于突破了通信介质的限制，LON总线可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和传输介质。第31页，共60页，2023年，2月20日，星期一双绞线收发器（1）直接驱动型：直接驱动型使用芯片通信端口直接作为收发器，同时在外围加入电阻和瞬态抑制器作为电流限制和ESD保护。直接驱动型适合网络上的所有节点在同一个大设备中，使用同一个电源。直接驱动下最高传输速率为1.25Mbps（30米，使用UL级VI类线），此时，一条通道最多可挂64个节点。双绞线收发器是LON总线最常用的装置，主要支持的方式有：直接驱动方式、EIA-485方式和变压器耦合方式三种。第32页，共60页，2023年，2月20日，星期一双绞线收发器（2）EIA-485型：

EIA-485接口也是现场总线中经常使用的电气接口，LON总线同样也支持。此方式下，最高传输速率可达1.25Mbps，但LonMark建议使用39kbps，在此速率下的典型电路如右图所示，此时，一条通道上最多可挂32个节点，最大传输距离为660米。第33页，共60页，2023年，2月20日，星期一双绞线收发器（3）变压器耦合型：

此方式可满足系统的高性能、高共模隔离以及同时具有噪声隔离的作用。此时，波特率可达1.25Mbps，最大传输距离2700米。

FTT-10收发器是使用最多的。FTT-10收发器包括一个隔离变压器，一个曼彻斯特编码器，采用厚膜电路集成在一个模块中。第34页，共60页，2023年，2月20日，星期一电源线收发器

所谓电源线方式，就是指通信线和电源线共用一对双绞线。使用电源线方式的意义在于，所有节点通过一个48VDC的中央电源供电，这对于一些电力资源匮乏的地区具有非常重要的意义；另一方面，通信线与电源线共用一对双绞线，可以节约一对双绞线。

电源线收发器由于采用的是直流供电，所以它可以和变压器耦合的双绞线直接互连。第35页，共60页，2023年，2月20日，星期一电力线收发器

电力线收发器，是将通信数据调制成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到220VAC或其它交直流电力线上，甚至是没有电力的双绞线。这样做的好处是利用已有的电力线进行数据通信，大大减少通信中遇到的繁琐的步线。

电力线（特别是我国）的固有缺陷是：间歇性噪声较大；信号衰减很快；线路阻抗波动频繁。埃施朗的改进：每个芯片含一DSP，完成数据收发；短报文头纠错技术，自动纠错；动态调整收发器灵敏度算法；三态电源放大/过滤合成器。第36页，共60页，2023年，2月20日，星期一其它类型收发器

除了前面讨论的收发器，LON总线还支持其他一些收发器，这包括无线收发器、光纤收发器、红外收发器，甚至是用户自定义的收发器。无线收发器：

LON总线可以使用很宽的频率范围。对于低成本的无线收发器，典型的频率是350MHz。使用无线收发器同时还需要一个大功率的发射机。当使用无线收发器时神经元芯片的通信接口要配置成单端模式，速率为4800bps。光纤收发器：

目前常用的LON总线光纤收发器是美国Raytheon公司开发的系列产品，包括光纤和双绞线的路由器。通信速率1.25Mbps，最长距离3.5公里，每一个收发器包含两路独立的光纤端口。第37页，共60页，2023年，2月20日，星期一智能收发器

在LON总线中，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。如果神经元芯片不能满足数据处理的要求，可以采用主处理器加神经元芯片的方式，此时，神经元芯片作为通信协议处理器使用。主处理器和神经元芯片之间可以通过并口、SPI或SCI串口、双端口RAM等方式实现彼此间数据的交换。埃施朗公司的智能双绞线收发器和智能电力线收发器就是这样的产品。第38页，共60页，2023年，2月20日，星期一路由器

对多种介质的透明支持是LON总线的独特能力，它使开发者能选择最适合他们需要的介质和通信方法。对多种介质的支持需通过路由器才可能。路由器也能用于控制网络业务量，将网络分段，抑止从其它部分来的数据流量，从而增加网络总通过量和容量。

路由器装置使单一的对等网络能跨接许多类型传输介质，支持成千上万的装置。路由器通常有2个互连的神经元芯片，每个神经元芯片有一个适用于2个信道的收发器，路由器就连接在这2个信道上。路由器对网络的操作是完全透明的，但是它们并不一定传输所有的数据包。智能路由器充分了解系统配置，能将没有远程地址的包闭塞。在使用了另一类称为穿越路由器的路由器，LON总线系统就能在像因特网这样的广域网上跨接巨大的距离。

路由器一般用来：（1）扩展通道的数量；（2）连接不同的通信介质；（3）提高LON总线的可靠性；（4）全面提高网络性能。第39页，共60页，2023年，2月20日，星期一第二部分

LonWorks技术二、通信控制处理器三、LonWorks通信四、通信协议LonTalk本章小结一、LonWorks技术概要五、面向对象的编程语言通信协议第40页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk协议概述（1）

LonTalk协议是LonWorks技术的核心。该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它装置发送和接收报文而无需知道网络拓扑、名称、地址或其它装置的功能。

LonTalk协议能有选择地提供端到端的报文确认、报文证实和优先级发送以便设定有界事务处理时间。对网络管理业务的支持使远程网络管理工具能通过网络和其它装置相互作用，包括网络地址和参数的重新配置、下载应用程序、报告网络问题和节点应用程序的起始、终止、复位。第41页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk协议概述（2）为了处理网络上报文冲突，LonTalk协议使用类似以太网所用的“载波侦听多路访问”（CSMA）算法。LonTalk协议建立在CSMA基础上，提供介质访问协议，使得可根据预测网络业务量发送优先级报文和动态调整时间片的数目。通过动态调整网络带宽（称为预测性p坚持CSMA协议）的算法来使网络在极高网络业务量出现时能继续运行，而在业务量较小时又不降低网络速度。第42页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk协议概述（3）

LonTalk协议是一个分层的以数据包为基础的对等的通信协议，设计用于控制系统而不是数据处理系统的特定的要求。每个包由可变数目的字节构成，长度不定，并且包含应用层的信息以及寻址和其它信息。信道上的每个装置监视在信道上传输的每个包以确定自己是否是收信人。假如是，则处理该包以判明它是包含节点应用程序所需的信息或者它是否是网络管理包。在应用包中的数据是提供给应用程序的，如果合适，要发一个确认内报文给发送装置。第43页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk协议的特点发送的报文都是很短的数据（通常几个到几十个字节）；通信带宽不高（几kbps–2Mbps）；网络上的节点往往是低成本、低维护的单片机；多节点、多通信介质；可靠性高；实时性高。第44页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk协议的物理层

LonTalk协议支持多种通信协议，以适应不同的通信介质：双绞线——差分曼彻斯特编码电力线——载波或扩频无线电——频移键控FSK第45页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk的MAC子层

LonWorks的介质存取控制采用带预测的P-坚持CSMA方式，CSMA／CD方式具有算法简单、可靠性高、存取对各节点平等，低中负荷时实时性较好等优点。其缺点是实现冲突检测比较复杂，重负荷下一个节点可能很长时间无法发送。LonWorks采用了一种称为带预测的P-坚持退避算法，较好地解决了CSMA在重负荷时的性能。另外还有一种总线仲裁协议的介质存取控制方式，它类似于多机系统中并行总线的管理机制。上述MAC方式在现场总线中均有采用，有的还得到了较广泛的应用，经受了工业现场的考验。第46页，共60页，2023年，2月20日，星期一带预测的

P坚持CSMA（1）

LonTalk协议采用带预测P坚持CSMA，CSMA是载波侦听多路访问的英文缩写，是一种随机访问方法。其含义是：任何结点要访问传输介质发送消息时，首先要侦听介质上是否有其它结点正在传送信息（即有无载波，如果介质无载波，未被占用，则可以利用信道进行信息传送，如果其它结点正在利用传输介质进行通信，则必须等待信道空闲之后才能进行传送。

CSMA方案有许多处理方法，主要区别在于检测出信道上的情况之后，发送时间的确定。

所谓带预测P坚持CSMA的意思是：要求发送数据的节点监听信道，若信道闲，则以概率P发送信息包，并以1—P的概率延迟一个时隙重新监听信道，若信道仍然闲，则重复上述过程。若发送节点一开始就监听到信道忙，则继续监听，直到信道由忙变闲后以概率P发送信息包，以1—P的概率延迟一个时隙再监听。第47页，共60页，2023年，2月20日，星期一带预测的

P坚持CSMA（2）

LonTalk协议采用带预测P坚持CSMA。它在保留CSMA协议的优点的同时，注意克服CSMA

协议在控制系统中的不足。带预测P坚持CSMA

中，所有的节点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，这就有效地避免了网络的频繁碰撞。每个节点发送前随机的插入0～W个很小的随机时间片，因此网络中任一节点在发送普通报文前平均插入W/2个随机时间片，而W则根据网络积压参数（Backlog）变化进行动态调整，其公式是W=BL*Wbase，其中Wbase=16，BL为网络积压的估计值，它是对当前发送周期有多少个节点需要发送报文的估计。当一个节点有信息需要发送而试图占用信道时，首先在Beta1周期检测信道有没有信息发送，以确定网络是否空闲。随后节点产生一个随机等待T，T为0～W时间片Beta2中的一个，如图所示。当延时结束时，网络仍为空闲，节点发送报文；否则节点检测有信息发送，接收信息，然后再重复上述MAC算法。报文周期平均等待时间报文报文Beta1Beta2Beta1：空闲时间Beta1>1bit+物理延时+MAC响应时间Beta2：随机时间片Beta2>2╳物理延时+MAC响应时间第48页，共60页，2023年，2月20日，星期一带预测的

P坚持CSMA（3）BL值是对当前网络繁忙程度的估计。每个节点都有一个BL值，当侦测到一个MPDU时或发送一个MPDU时BL加1；同时再每隔一个固定报文周期BL减1。把BL值加入到MPDU/LPDU的头中。当BL值减到1时，就不再减，总是保持BL≧1。可以看出采用带预测P坚持CSMA

允许网络在轻负载情况下，插入的随机时间片较少，节点发送速度快，而在重负载情况下，随着BL值增加，插入的随机时间片较多，又能有效避免碰撞。对照实验表明：36个LonWorks节点互联，采用一般P坚持算法，当每秒要传输的报文达500～1000包时，碰撞率从10%上升到54%，而采用带预测P坚持

的算法时在500包以下时碰撞率相当低，而在500～1000包时，稳定在10%。综上所述，LonWorks的MAC子层具有一下优点：支持多介质的通信，支持低速率的网络，可以在重负载下保持网络性能，支持大型网络。第49页，共60页，2023年，2月20日，星期一报文周期平均等待时间报文报文Beta1Beta2优先级时间片带预测的

P坚持CSMA（4）在MAC层中，为提高紧急事件的响应时间，提供一个可选择的优先级的机制。该机制允许用户为每一个需要优先级的节点分配一个特定的优先级时间片，在发送过程中，优先级数据报文将在那个时间片里将数据报文发送出去，优先级时间片是从0～127，0表示不需要等待立即发送，1表示等待一个时间片，2表示等待两个时间片，……，127表示等待127个时间片，低优先级的节点需要等待较多的时间片，而高优先级的节点需要等待较少的时间片。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，才再等待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节点具有更快的响应时间。下图为优先级带预测p-坚持CSMA的概念。第50页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk网络变量（1）

LonTalk协议体现网络变量（NV）的革新观念。NV大大简化LonWorks应用程序的设计工作，并方便了以信息为基础而不是以指令为基础的控制系统的设计。所谓网络变量就是任何数据项（温度、开关值或执行器位置设定），它们是一个特定装置应用程序期望从网上其它装置得到的（输入NV）或期望提供给网上其它装置的（输出NV）。

装置中的应用程序根本不需要知道输入NV来自何处或输出NV走向何方。应用程序的输出NV的值变化时，它就只是把这个新值写入一个特定的存储单元。在网络设计和安装期间会发生一个叫“捆绑”的过程，通过这个过程配置LonTalk固件，以确定网上要求NV的装置组或其他装置的逻辑地址，汇集和发送适当的包到这些装置。类似地，当LonTalk固件收到它的应用程序所需的输入NV的更新数值时，就把它放在一个特定的存储单元。应用程序知道在这个单元总是能找到最新数据。这样，捆绑过程就在一个装置中的输出NV和另一个装置或装置组的输入NV之间建立了逻辑连接。这个连接可想象为“虚拟线路”。假如一个节点有一个物理开关和相应的称为“开关on/off”的输出NV，而另一个节点驱动有称为“灯on/off”输入节点的一个灯泡，连接这两个NV建立一个逻辑连接，其功能效应就如同从开关到灯泡连接一条物理线路。第51页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk网络变量（2）第52页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk报文类型

LonTalk协议提供三种基本报文服务并且支持鉴别的报文。最优化的网络会经常使用这些业务。第1类报文服务提供端到端的确认，称为确认的报文发送。在使用确认的报文发送时，一个报文发送给一个节点或节点组，并期望从每个接收者得到个别的确认。假如未收到确认，发送者做超时安排并重试事务处理。重试和超时安排的次数都是可选择的。第2类报文是不确认的重复报文。使用这类报文可把一个报文发送到节点或节点组许多次。这个业务通常在向一个大的节点组广播信息时使用，因为确认报文会造成所有的接收节点同时尝试发出一个响应。第3类报文简单地就是不确认报文，发送节点或节点组一次，并且不期望响应。报文鉴别服务使报文接收者能确定发送者是否有权发送这个报文。这样，鉴别就能防止对节点的未经授权的访问。鉴别功能是在安装时分布48位密钥到节点而设立的。第53页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk信道类型

LonTalk协议在设计上是独立于介质的，这使LonWorks系统可以在任何物理传输介质上通信。这点使网络设计者能充分利用提供给控制网的各种信道。协议还提供可改变的配置参数，以便折衷某一特殊应用的饿性能、安全和可靠性。信道是个特殊的物理通信介质（如双绞线或电力线）。LonWorks装置通过专用于此信道的收发器与其连接。每类信道在最多可连接的节点数、通信位速率和物理距离限值方面都有不同的特征。下表总结几类广泛应用的信道的特征。特别重要的是灵活拓扑双绞线信道TP/FT10，它使装置可用单双绞线的线段在任何配置中连接。没有对短截线长度、装置间距或分线的限制。第54页，共60页，2023年，2月20日，星期一LonTalk标准直到几年前，LonTalk协议还只嵌在神经元芯片内。这保证了所有制造商的一致应用。现在已安装了大量遵守LonTalk协议的装置，埃施郎公布了LonTalk协议并使其成为EIA709.1控制联网标准下的一个公开标准。所以该协议现在可以自由提供给任何人。取得该协议复制件的简捷方法是访问因特