现场总线控制系统

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

2. 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

3. LonWorks技术概述 （1）是通用测控总线网 （2）同时应用在Sensor Bus、Device Bus、Field Bus 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。

4. 控制类型 Field Bus 过程控制 Device Bus Sensor Bus 逻辑控制 设备类型 简单设备 bit 中级设备 Byte 复杂设备 Frame

5. 三个层次的现场总线示例 Sesor bus (Bit-level) Device bus (Byte-level) Field bus(Block-level) CA CA IEC/SP50 Seriplex Deviceet Fieldbus Foudation ASI Profibus DP Profibus PA LonWorks LonWorks LonWorks FIPIO WorldFIP SDS Iterbus S

6. 典型LonWorks节点基本组成 收发器 传感器和 控制设备 I/O口 网络通信端口 网络 Neuron芯片 晶振 电 源

7. LonTalk协议 LON 智能控制器（节点） 节点 传感器 执行器 显示 操作接口 LON网采用分布式控制技术

8. 开放式控制网络

9. 1 LonWorks技术概述 1.1 Neuron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。

10. 1.2 LonTalk协议 LonTalk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(Host Processor)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）

11. OSI层 目的 提供的服务 7 应用层 应用 兼容性 LonMark对象，配置特性标准网络变量类型，文件传输 6 表示层 数据翻译 网络变量，应用消息，外来帧传输 5 会话层 远程操作 请求／响应，鉴别，网络管理，网络接口 4 传输层 端端的可靠传输 应答消息，非应答消息，双重检查，通用排序 3 网络层 传输分组 点对点寻址，多点之间广播式寻址，路由消息 2 链路层 LLC子层 帧结构 帧结构，数据解码，CRC错误检查 MAC子层 介质访问 P-坚持CSMA，冲突避免，优先级，冲突检测 1 物理层 电气连接 介质，电气接口。与介质有关的接口和调制方案（双绞线、电力线、无线射频、同轴电缆、红外线、光缆等）

12. LonTalk寻址体系 域 子网1 子网255 ………. 节点1 节点127 节点1 节点127 …. …. 节点2 节点2 三层：域、子网、节点

13. 网络地址可以有3层结构： 域（Domain）、子网（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。

14. 1.3 LonWorks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。

15. 收发器类型 收发器类型 数据速率 EIA-232型 39kbps 自由或总线拓扑的双绞线型 78kbps 带变压器的双绞线型 78kbps 带变压器的双绞线型 1.25Mbps 电力线型 2kbps 电力线型 5kbps 电力线型 10kbps 射频型300MHz 1.2kbps 射频型300MHz 4.8kbps 射频型300MHz 9.6kbps 红外型 78kbps 光纤型 1.25Mbps 同轴电缆型 1.25kbps

16. （2）LonWorks设备组成

17. （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）

18. （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。

19. （5）网络接口、WEB服务器 （1）独立的PC机：PCLTA-20 PC LonTalk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：PCC 10 PC卡提供了一个简洁的PCMCIA PC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.LONTM 1000IP服务器支持同Internet、Intranet，或VPN的远程连接。

20. 用Web浏览器访Lon网 LON网 LON收发器 Http服务器 IP Web服务器

21. i.Lon100 Echelon公司通过与Cisco Systems公司、Microsoft公司和Sun Microsystems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。

22. 提供LonWorks信道与IP信道的连接，实现远程组网配置，远程监控。提供LonWorks信道与IP信道的连接，实现远程组网配置，远程监控。

23. （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。

24. 2 神经元芯片硬件结构 2.1 Neuron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Neuron ID。

26. 2.1.1 Neuron芯片内部结构 Neuron 芯片包括3个8位的CPU。

27. CPU-1: 是媒体访问CPU，主要处理LonTalk 7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。

28. CPU-3: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Neuron C。 （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。

29. 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。

30. 3120芯片引脚

31. 3150芯片引脚

32. Neuron 芯片比较

34. 芯片引脚

35. 芯片引脚

36. 2.2 主要性能特点 （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：610b/s ----1.25Mb/s

37. 2.3 存储器 2.3.1 E2PROM 内部E2PROM包括： （1）网络配置和地址信息 （2）独一无二的48位Neuron ID （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。

38. E2PROM 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。

39. 2.3.2 RAM 3120和3120E1包含1K片内RAM， 3150和3120E2包含2K片内RAM。 RAM 用来存储： （1）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。

40. 2.3.3 ROM 所有3120xx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

41. 2.3.4 External Memory 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RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存组成，以256字节递增。存储映像图如图：

42. Neuron芯片内部存储器配置

43. 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 。

44. 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。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。

45. Neuron 3150 与EPROM 的连接

46. 2.4 附加功能 2.4.1服务引脚（Service Pin） 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Neuron ID的网络管理消息。

47. 服务引脚电路

48. 节点状态 状态代码 服务管脚电路LED 非应用或未配置 3 亮 未配置（有应用） 2 闪烁 已配置，硬件脱机 6 关闭 已配置 4 关闭

49. 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

50. 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（0xFFFF），关闭所有外部设备。数据总线处在输出状态。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（0xFFFF），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。