第三章建筑电气总线技术及其应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第章 建筑电气总线技术及其应用,1,第章 建筑电气总线技术及其应用1,3.1,现场总线技术的技术特点,3.2 建筑电气总线技术,3.3 现场总线技术的应用,3.4 LonWorks技术及其应用,*3.5 BACnet总线技术的应用,*3.6 DeviceNet现场总线技术的应用,*3.7 CAN总线的应用,*3.8,自动化网络结构,本章主要内容,2,3.1 现场总线技术的技术特点本章主要内容2,现场总线技术(fieldbus)是一种,开放式,、,新型全分布控制,系统。,通常将用于楼宇自动化领域的现场总线，如,LonWorks,、,EIB,、,CAN,、,BACnet,、,DeviceNet,、,Modbus,等总线，称之为建筑电气总线。,3.1 概述,3,现场总线技术(fieldbus)是一种开放式、新,3.1.1 现场总线的演变过程,20世纪70年代以前，控制系统中多采用,模拟量,对传输及控制信号进行转换、传递。,特点：精度差、受干扰信号影响大，整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。,70年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。,4,3.1.1 现场总线的演变过程 20世纪70年代以前，,20世纪80年代初期，计算机和微处理器有了突破性的发展，产生了,直接数字,（Direct Digital Control，,DDC,）技术。随后产生了各种以DDC技术为基础的,集散控制,系统（Distributed Control System，,DCS,）。,数字化,作为一种趋势从工业生产的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统,现场总线控制,系统（Fieldbus Control System,FCS),。,5,20世纪80年代初期，计算机和微处理器有了突破性的发,3.1.2 现场总线技术的技术特点,1. 现场总线是开放互连网络,2. 现场总线是现场通信网络,3. 现场总线是数字通信网络,4. 现场总线是现场设备互连网络,5. 现场设备的互操作性与互用性,6. 现场总线是结构和功能高度分散的系统,7. 对现场环境的适应性,6,3.1.2 现场总线技术的技术特点1. 现场总线是开放互连网,3.1.3 现场总线技术的优点,1.节省硬件数量与投资,2.节省安装维护费用,.系统具有远程监控功能和故障诊断功能,.用户具有高度的系统集成主动权,现场设备更换和系统扩展更为方便,系统的准确性与可靠性高,易于系统调整,为企业信息系统的构建创造了重要条件,7,3.1.3 现场总线技术的优点 1.节省硬件数量与投资7,3.1.4 现场总线技术的网络结构,现场总线是,控制,(Control)技术、,计算机,(Computer)与,通信,(Communication)（即3C技术）发展汇聚的结果。,IEC 对现场总线一词的定义为:现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术.,8,3.1.4 现场总线技术的网络结构 现场总线是控制(Con,传感器,变送器,控制单元,温度, 压力,流量,屏蔽抗干扰传输技术,直流到几百赫低频范围,0 5 V电压,4 20 mA 电流,短距离范围(几十米),传感器,变送器,温度, 压力,流量,控制单元,A/D,现场仪表,距离范围大(1000米),模拟控制信号传输特征,数字化,现场总线,数字方式传输,Sensor, Transmitter,9,传感器控制单元温度, 压力流量屏蔽抗干扰传输技术直流到几百,现场总线的网络拓扑结构有,点对点,方式、,树型,方式、,带桥,方式3种。,其结构如图3-1所示。,10,现场总线的网络拓扑结构有点对点方式、树型方式、带桥方式3种。,图3-1 现场总线的几种连接方式,11,图3-1 现场总线的几种连接方式 11,点对点方式,：每个现场仪表都单独接到低速(31.25kbps)现场总线H1上，用于现场仪表比较分散或传输信息量大的场合，接法与4,20mA接线方式相似。,树形方式,：几个现场仪表，一般按地理区域进行集中，接到一根“局部运行” 的现场总线上，再引到控制室中去。,带桥方式,：接到低速总线H1上的现场设备，通过“桥”和多路转换器合并接到高速总线H2上，然后再接到控制室中去。,12,点对点方式：每个现场仪表都单独接到低速(31.25kbps,3.1.5 现场总线的通信模型,现场总线网络互连模型既参照ISOOSI (International Organization for Standardization/ Open System Interconnection )模型（如图3-2所示），又具有自己的特点。协议是分层的，但层次之间的调用关系不一定象OSI那样严格，层次也可简化，以提高协议的工作效率；既要,遵循OSI模型,体系结构原则，又要,考虑FCS的特点,，满足FCS的特殊要求；在现场总线参数模型中，既遵循开放系统集成的原则，又充分体现FCS的特点和特殊要求。,13,3.1.5 现场总线的通信模型 现场总线网络互连模型既,Application Layer,Presentation Layer,Session Layer,Transport Layer,Network Layer,Data Link Layer,Physical Layer,7,6,5,4,3,2,1,图3.2,ISO/OSI模型,14,Application LayerPresentation,Layer 1: Physical Layer: The Physical layer defines the type of electrical signal, and type of connectors (such as RS 232 or RJ 45) to be used for the Network Interface Card (NIC).,15,Layer 1: Physical,Layer 2: Data Link Layer: The Data Link layer defines the frame format, such as start of fame, end of frame, size of frame, and type of transmission.,16,Layer 2: Data Link Laye,Layer 3: Network Layer:,The function of the Network layer is to perform routing. Routing determines the route or pathway for moving information.,17,Layer 3: Network Layer:,The Network layer checks the logical address of each frame and forwards the frame to the next router based on a lookup table. The network layer is responsible for translating each logical address to a physical address.,18,The Network layer,Layer 4: The Transport layer provides for the reliable transmission of data in order to ensure that each frame reaches its destination.,19,Layer 4: The Transpor,If, after a certain period of time, the Transport layer does not receive an acknowledgment from the destination, it retransmits the frame and again waits for acknowledgment from the destination.,20,If, after a certain per,Layer 5: The Session layer establishes a logical connection between the applications of two computers that are communicating with each other. It allows two application on two different computers to establish and terminate a session.,21,Layer 5: The Session layer,When a workstation connects to a server, the server performs the login process, requesting a username and password. This is an example of establishing a session.,22,When a workstation connec,Layer 6: The Presentation layer receives information from the Application layer and converts it to a form acceptable by the destination.,23,Layer 6: The Presentation,Layer 7: The Application layer enables users to access the network with applications such e - mail, and Telnet.,24,Layer 7: The Application lay,应用层,表达层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,7,6,5,4,3,2,1,7,1,3,6,5,4,2,总线访问子层,物理层,应用层,数据链路层,图3.3,典型的现场总线协议模型,图3.2,ISO/OSI模型,25,应用层表达层会话层传输层网络层数据链路层物理层7654321,典型的现场总线协议模型（见图3-3）采用四层结构：,物理层,、,数据链路层,、,总线访问子层,和,应用层,。,物理层,：该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、每条线路可接仪表数量、最大传输距离、电源、连接方式及信号类型等。,26,典型的现场总线协议模型（见图3-3）采用四层结构：物理层、,数据链路层,：,该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包括：数据结构、传输差错控制、多主站使用的规范化等。该层将通过帧数据检验保证信息传输的正确性及完整性。,总线访问子层,：,该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括现场总线内部信息的存取方法及信息在网内同一节点或不同节点的其它设备间的传送方法。,27,27,应用层,：,它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解释或执行一个信息或一条命令的方法。其中很大部分是定义信息的语法。此外，应用层还定义了信息传输的方式：周期式、立即响应式、一次性方式及使用者请求方式等。,现场总线的通信模型特点：,结构简单、执行协议直观、价格低廉等，且能满足工业现场应用的性能要求。,28,应用层：它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解,3.2 建筑电气总线技术,自80年代以来，有几种类型的现场总线技术,已经发展成熟并且在一些特定的应用领域显示了 其自身的优势。这些现场总线具有各自的特点， 有的已经逐渐形成自己的产品系列，占有相当大 的市场分额，显示了较强的生命力。对现场总线 技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大的作用。,目前几种主要的建筑电气总线：,29,3.2 建筑电气总线技术 自80年代以来，有几种类型的现,3.2.1 LonWorks总线,LonWorks是,局域操作网络,（Local Operating Network）的简称,是又一具有强劲实力的现场总线技术。,它采用了,ISOOSI,模型的,全部7层通讯协议,，采用,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,1.5M bps,不等，最远通信距离可达,2700m,，节点总数可达,32000,个。,30,3.2.1 LonWorks总线 LonWorks是局,支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等,多种通信介质,，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为,通用控制网络,。,LonWorks技术自1991年推出后，发展很快，到1996年已有2600家生产商，使用并且安装了200多万个节点，其应用范围包括工业控制，楼宇自动化，航空/航天等,31,支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多,3.2.2 EIB总线,1990年，以ABB、SIEMENS、MERTEN、GIRA、JUNG等共七家欧洲著名的电气产品制造商为核心组成联盟，制定了EIB技术标准并成立了中立的非商业性组织EIBA（EIB Associate，,欧洲安装总线协会,)。,该协会的成立极大的推动了EIB标准的发展，迄今为止，已有一百多家制造商成为了EIBA的会员，按照开放的EIB标准生产能够相互兼容和交互操作的各种元器件，几乎覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要。,( Europe Install Bus ,EIB ),( Electrical Install Bus ,EIB ( 形象 ),32,3.2.2 EIB总线 1990年，以ABB、S,EIB总线采用的是,串行异步的传输方式,，为了提高可靠性和达到最大传输速率，EIB应用了,CSMA/CA( Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoid ),（具有避免冲突的载波侦听多路访问），通过这种总线访问技术，使得在多个总线元件同时发送信号时就不会发生信号丢失现象。,EIB总线目前可支持,双绞线,（Twist Pair）、,电力线,（Power Line）、,无线电,（Radio）和,红外线,（Infrared ）,四种,传输介质。,目前在市场上提供的,主要以双绞线系统,为主。,33,EIB总线采用的是串行异步的传输方式，为了提高可靠性,EIB总线的主要适用范围：,住房建筑尤其是独立型住宅如别墅等,公用建筑中的部分单体建筑如报告厅、会议室、大堂等,大空间的单体建筑如影剧院、体育场馆等,大范围公共区域的电气控制如住宅小区、广场等,桥梁、道路等远距离照明控制,34,EIB总线的主要适用范围： 34,3.2.3 CAN总线,CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称，它最早是由德国的Bosch公司及几个半导体生产商开发出来的，起初它是,为汽车的检测和控制,而设计的，后来逐步发展到用于其它工业部门，值得指出的是，CAN是,目前唯一,被批准为,国际标准的现场总线,，得到了Motorola、Intel、Philip、NEC等公司的支持，并广泛应用在,离散控制,领域。,35,3.2.3 CAN总线 CAN是控制器局域网络(Co,1.CAN总线网络的主要特点, CAN协议采用了ISO/OSI模型中的,物理层,，,链路层,与,应用层,三层结构。, CAN的最高通信速率为,1Mbps/s,（通信距离为40m），其最远通信距离可达,10km,（通信速率为5kbps），最多可挂接设备数达,110,个。传输介质可以是双绞线，光纤等。, CAN的信号传输采用,短帧,结构，每一帧,有效字节,数为,8个,，这样传输时间短，受干扰的概率低，每帧信息均有CRC效验和其他检错措施，通信误码率极低。,36,1.CAN总线网络的主要特点 CAN协议采用了ISO/, CAN采用,点对点,，,一点对多点,及,全局广播,几种发送和接收数据方式，可实现全分布式多机系统，且无主从之分。, CAN总线可以工作在,多主方式,，网络上任一节点均可以在任意时刻向其他节点发送信息，从不分主从，通信方式灵活。, CAN采用,非破坏性的总线仲裁,技术。, CAN,不能支持防爆区,。,37, CAN采用点对点，一点对多点及全局广播几种发送和接收数据,2. CAN总线的控制方式,CAN总线作为一种建筑电气总线在智能楼宇中的控制方式见图3-4。由于其独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性越来越受到工业界的青睐。,38,2. CAN总线的控制方式38,图3-4 CAN总线控制方式,39,图3-4 CAN总线控制方式39,3.2.4 BACNET总线,BACnet是 A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network的简称，是一种为楼宇自控网络制定的数据通讯协议。,美国暖通空调工程师协会组织（ASHARE），正式通过,全球首个楼宇自控行业通讯标准,BACnet 。,BACnet标准的目的是为计算机控制暖通空调和制冷系统及其他系统规定通信服务和协议，从而使不同厂家的产品可以在同一个系统内协调工作。,40,3.2.4 BACNET总线 BACnet是 A,BACnet是一个,开放,的建筑电气总线，其标准遵从和参照OSI/ISO模型，采用了其中,4层,结构：即,应用层,、,网络层,、,数据链路层,和,物理层,。,BACnet标准体系结构与OSI/ISO的参照图，见图3-5。,41,BACnet是一个开放的建筑电气总线，其标准遵从和参照O,图3-5 BACnet体系结构与OSI/ISO的参照图,42,图3-5 BACnet体系结构与OSI/ISO的参照图 4,ARCnet ( Attached Resource Computer Network),附上资源计算机网络,MS/TP ( Master Slave/Token Passing ),主从/令牌传递,PTP ( Point To Point ) 点到点,PTP ( Peer To Peer ) 对等体到对等体,43,ARCnet ( Attached Resource Com,1. BACnet的基本内容,楼宇设备的表示模型,对象 ( Object ),用来表示楼宇设备（如输入/输出，控制环等）和与控制过程有关的逻辑实体（如数据文件、应用程序等）。它的成功之处就在于采用了面向对象的技术,定义了一组具有属性的对象.,功能有两个: 一是定义楼宇自控设备的信息模型 - BACnet对象模型, 二是定义面向应用的通信服务.,44,1. BACnet的基本内容 楼宇设备的表示模型对象 (,对象名称 应用实例,模拟输入 Analog Input 传感器输入,模拟输出 Analog Output 控制输出,模拟值 Analog Value 设定值,控制参数,数字输入 Binary Input 开关输入,数字输出 Binary Output 继电器输出,数字值 Binary Value 数字控制系统参数,时序表 Calendar,程序定义的事件执行日期列表,命令 Command,向多设备多对象写多值( 如日期),设备 Device,其属性标示设备支持的对,象和服务以及设备商,固件,版本等信息,45,对象名称 应,事件登记 Event Enrollment 描述可能处于错误状,态的事件,或其他设备,需要的报警,文件 File 允许访问( 读/写) 设备,支持的数据文件,组 Group 提供单一操作下访问,多对象多属性,控制环 Loop 提供访问一个 “控制,环”的标准化操作,多态输入 Multi State Input 表述多状态处理程序,的状况如制冷设备开,关和除霜循环等,46,事件登记 Event Enrollment,多态输出 Multi State Output 表述多状态处理程序的,期望状态,如制冷设备开,始冷却,除霜 的时间,通知类 Notification Class 包含一个设备列表, 配,合 “事件登记”对象将,报警报文发送给多个设备,程序 Program 允许设备应用程序开始,装载和卸载,并报告程序,的当前状态,时间表 Schedule 按周期的操作时间表,47,多态输出 Multi State Output,智能温度传感器: DEV (device) 和 AI ( analog input ), 3个模拟输入测量点, 2个模拟控制输出点和一个闭环控制逻辑.,DEV,AI,DEV,AI,AI,AI,AO,AO,LP,Loop 闭环控制逻辑,48,智能温度传感器: DEV (device) 和 AI (,访问对象的操作,服务,分为“确认服务（,C,onfirmed Service）”和“非确认服务（,U,nconfirmed Service）” 两类。,确认服务即是指发送确认服务请求的设备将等待一个带有数据的服务的应答.,不确认服务即是指发送不确认服务请求的设备,并不要求有服务应答返回.,49,访问对象的操作服务 49,服务 BAC 描述,设备通信控制,确认,通知一个设备停止或,Device Communication Control,开始接收网络报文,确认的专用信息传递,确认,向一个设备发送一个,Confirmed Private Transfer,厂商专用报文,不确认的专用信息传递,确认,向一个或多个设备发,Unconfirmed Private Transfer,送一个厂商专用报文,重新初置设备,确认,命令接受设备冷启动,Reinitialize Device 或热启动,50,服务,确认的文本报文 确认 向另一个设备发送一Confirmed Text Message 个文本报文,不确认的文本报文 不确认 向一个或多个设备发Unconfirmed Text Message 送一个文本报文,时间同步 不确认 向一个或多个设备发,Time Synchronization 送当前时间,Who Has 不确认 询问哪个BACnet设备,含有特定对象,I Have 不确认 肯定应答Who Has,询问,广播,51,确认的文本报文 确认,Who Is,不确认 询问某些特定BACnet,设备的存在,I Am,不确认 肯定应答Who Is,询问,广播,52,Who Is 不确,传输互操作语义的通信系统,局域网,用来传输BACnet服务数据单元。,BACnet标准,根据性能价格比,定义了,4种局域网,和,1个远程连接技术,：,ISO 8802-3（以太网），ARCNET，MS/TP，LonTalk和PTP。,BACnet标准对应的这4种局域网接口见表3-1。,53,传输互操作语义的通信系统局域网 53,BACnet标准的局域网（LAN）接口 表3-1,54,BACnet标准的局域网（LAN）接口 表3-1 54,报文的语法与结构,编码,作用：是将信息表示成无二义性的二进制数码“1”和“0”位串，以便在网络传输介质上传输,。,协议的验证和测试,一致性说明,（Protocol Implementation Conformance Statement，PICS）,作用：是描述实现BACnet标准的设备具有哪些BACnet特性和功能的文档。,55,报文的语法与结构编码55,2. BACnet协议与常用的网络协议（如Ethernet和TCP/IP）的区别,BACnet协议,侧重与监控设备之间,的通信数据结构。,Ethernet和TCP/IP则强调,网络设备间,的数据传输，而且Ethernet和TCP/IP可以在BACnet设备之间传送BACnet信息。,在信息管理方面、在,上层网之间,的互连采用BACnet标准是最佳的方案。,56,2. BACnet协议与常用的网络协议（如Ethernet,3. BACnet的优势, 独立于任何制造商，也不需要专用芯片，并得到众多制造商的支持。, 具有完善和良好的数据表示和交换方法。, 产品具有严格的一致性等级。, 良好的互操作性，有利于系统的扩展和集成 。,57,3. BACnet的优势 独立于任何制造商，也不需要专用,3.3 现场总线技术在智能建筑中的应用,智能大厦包括,通讯自动化系统,、,办公自动化系统,和,楼宇管理自动化系统,，它的发展历程，是伴随着现代计算机技术、现代控制技术、现代通讯技术和现代图形显示技术的进步，从简单监控发展到全面管理的过程。,58,3.3 现场总线技术在智能建筑中的应用 智能大厦,早期的超高层大楼一般设备非常多，诸如空调系统、给排水系统、变配电系统、保安系统、消防系统、停车场系统等、各种专业系统同时共存，,仅靠中央监控室,操作和控制这些系统，不仅满足不了可靠性要求，而且难以实现。,20世纪80年代开始，,微电脑技术,的崛起，再加上信号传送技术的进步，基本上实现了所有设备都可以显示于大楼内的中央监控室，并且较容易地进行操作和管理，从而提高了效率，形成了智能大厦的雏形。,59,早期的超高层大楼一般设备非常多，诸如空调系统、给排水系统、变,随着计算机及网络技术的发展，出现了,计算机集散式控制,系统（Distribute Control System）DCS。,这种集中管理与分散控制相结合的控制方式能够适应智能建筑“,实时检测与控制的设备品种多且分散,”的特点，而且可靠性、经济性、可扩展性等均比较强，基于这种系统，智能大厦得到了空前发展，国内外的智能大厦几乎无一例外地采用了DCS系统。,60,随着计算机及网络技术的发展，出现了计算机集散式控制系统（Di,由于DCS系统整体上采用,分级控制,，主站工作量仍较大，中央管理计算机担负着整个建筑的能量控制与管理、防火与保安的监控及环境的控制与管理等关键任务，24小时不间断工作，不能失效，所以必须采用双机冗余等措施提高主机可靠性、加之多级网络协议不统一，DCS的开放性和互操作性也较差。,鉴于DCS结构存在的固有缺陷，随着现代控制技术的发展出现了现场总线控制。,61,由于DCS系统整体上采用分级控制，主站工作量仍较大，中央管理,现场总线控制系统的特点：,（1）突破了DCS系统专用通信网络的局限，采用,基于公开化、标准化,的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷。,（2）把DCS系统集中与分散相结合的集散系统结构变成了,新型全分布式结构,，把控制功能彻底下放到现场。,将现场总线技术应用于智能建筑，不仅提高了系统的准确性与可靠性，而且其设备标准化，功能模块化，目前广泛应用于智能建筑.,62,现场总线控制系统的特点：62,3.4 LonWorks技术及其应用,63,3.4 LonWorks技术及其应用63,3.4.1 LonWorks总线技术概述,LonWorks（Local Operating Network）是,全分布式监控系统专用网络,，它使用了具有分布控制与通信联网功能的大规模集成的,神经芯片,（neuron chips），构成各个智能监控节点（node），通过网络收发器（Tran Receiver）及网络通信媒体将,各种节点,构成全分布式局部操作网络（简称LON网）。,64,3.4.1 LonWorks总线技术概述 LonWo,1LonWorks网络的技术特点, 智能节点作为现场总线网络控制器。, 网络拓扑结构：总线型、星型、环型、混合型。, 网络系统结构：主从式、对等式及 ClientServer式。, 传输媒体：双绞线、动力电源线、无线、光纤、红外、电话线等。, 介质访问方法：载波监听多路访问。, 网络通信协议：LonTalk通信协议，系统开放。, 同异型网络的互连方便。,65,1LonWorks网络的技术特点 智能节点作为现场总线网,2LonWorks网络的结构模型,LonWorks采用开放式ISO/OSI模型的,全部七层,通讯协议结构，具备了局域网的基本功能,与异型网的兼容性比任何现存的现场总线都好，被誉为通用控制网络，它还提供了,与LAN的接口,，从而实现了二者的,有机结合,。,其各层功能如图3-8所示。,66,2LonWorks网络的结构模型LonWorks采用开放式,图3-8 LonWorks分层模型,67,图3-8 LonWorks分层模型 67,（1）LonWorks节点,典型的现场控制节点主要包括以下功能模块：应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源。,LonWorks智能节点主要分两种类型：以,神经元芯片为核心,的控制节点和,采用MIP,结构的控制节点 。,LonWorks节点软件用,Neuron C语言,编写，开发出基于通用型智能网络节点的,Agent软件体,，使其具有自主性、协作性、和适应性的特点。,3LonWorks网络的技术组成,68,（1）LonWorks节点3LonWorks网络的技术组成,图3-9 神经元节点的结构框图,电源,神经元芯片,3150/3120,晶振,I/O电路,收发器,16K58KROM(3150),执行器,传感器,检测控制装置,网络介质(双绞线,无线射频等),1. 以Neuron芯片为核心的控制节点,69,图3-9 神经元节点的结构框图电源晶振I/O电路收发器16K,2. 采用MIP结构的控制节点,Modular Information Processor,Neuron芯片,收发器,接口,单元,主处理器,EPROM,复位电路,基于主机结构的节点结构图,70,2. 采用MIP结构的控制节点收发器接口EPROM复位电路基,网络协议,LonTalk协议提供了一套通信服务, 使网络上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. LonTalk协议的内容都固化在Neuron芯片中.,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.网络中常用的传输介质有双绞线、电力线、同轴电缆、光缆、无线和卫星通信.,71,网络协议71,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、维护和监控. Echelon公司提供了LonWorks for Windows 软件用于实现这些功能.,网络管理主要有网络安装、网络维护和网络监控三个方面的功能.,72,网络管理72,（2）神经元芯片,LonWorks技术的,核心,是神经元芯片，它包括一套完整的通信协议，即,LonTalk协议,。,神经元芯片是由流水线作业的,3个CPU,组成，：,CPU-1：负责媒体访问控制(物理层、数据链路层),介质访问控制(MAC)处理器；,CPU-2：负责网络(网络层、传输层、会话层、表示层), 网络(NET)处理器；,CPU-3：负责与用户进程相接口的应用层, 应用(APP)处理器.,73,（2）神经元芯片 LonWorks技术的核心是神经元芯片，,图3-10 神经元芯片的结构框图,网络,CPU,介质访问,CPU,应用,CPU,EEPROM,RAM,ROM,(仅3120),时钟和,计数器,控制,I/O模块,(包含16位寄存器,脉冲计数器,20mA环电流等),网络通,讯接口,16位数,据线,8位数据线,时序和控制,外部存储器(3150),系统复位,节点服务,CLK1,CLK2,IO0, IO7 IO8 IO9 IO10,CP0, CP4,V,CC,V,SS,神经元芯片的结构框图如图3-10所示,74,图3-10 神经元芯片的结构框图网络介质访问应用EEPRO,芯片的引脚功能如下:,CLK1: 输入, 连接振荡器或外部时钟输入.,CLK2: 输出, 连接振荡器.,RESET: 输入/输出( 内有上拉电阻), 复位引脚.,SERVICE: 输入/输出( 内有可编程上拉电阻), 服务引脚.工作期间指示灯输出.,IO0 IO3: 输入/输出, 通用I/O端口,具有大电流吸收能力(20mA).,IO4 IO7: 输入/输出( 内有可编程上拉电阻), 通用I/O端口,IO4IO7 中的一个可用作定时器/计数器1的输入,IO0为输出. IO4可用作定时器/计数器2的输入,IO1为输出.,75,芯片的引脚功能如下:75,IO8 IO10: 输入/输出, 通用I/O端口, 可与其他设备实现串行通信.,D0 D7 : 输入/输出, 存储器数据总线.,R/W: 输出, 外部存储器读写控制输出端口.,E: 输出, 外部存储器控制输出端口.,A0 A15: 输出,地址输出端口.,V,dd,: 输入, 电源输入( 5V ).,V,ss,: 输入, 电源输入( 0V, 接地 ).,NC: 无内部连接. 引脚悬空.,CP0 CP4 : 网络通信接口, 双向通信端口.通过指定工作方式支持通信协议.,76,IO8 IO10: 输入/输出, 通用I/O端口, 可与其,NET,处理器,APP,处理器,MAC,处理器,通信接口,I/O 端口,网络缓冲器,应用缓冲器,Neuron芯片中三个微处理器结构框图,共享缓冲器,( 1,2 层),( 3 到 6 层),(7 层),77,NET APP MAC通信接口I/O 端口网络缓冲器应用缓,表3-3 几种常见的神经元芯片比较,MC143150,MC143120,MC143120E2,MC143120E1,处 理 器,3,3,3,3,RAM容量（Byte）,2048,1024,2048,1024,ROM容量（Byte）,10240,10240,10240,EEPROM容量（Byte）,512,512,2048,1024,16 位 计 数 器,2,2,2,2,外部存储器接口,有,无,无,无,封 装,PQFP,SOG,SOG,SOG,管 脚,64,32,32,32,78,表3-3 几种常见的神经元芯片比较MC143150,通信端口,三种不同的接口模式, 即单端、 差分和专用工作模式.,通信端口脚特征,管脚 驱动电流/mA 差分模式 单端模式 专用模式,CP0 1.4 RX+ (in) RX( in ) RX ( in ),CP1 1.4 RX- (in) TX( out ) TX ( out ),CP2 40 TX+ (out) TX,使能( out ) 位时钟,( out ),CP3 40 TX- (out) 睡眠,( out ),睡眠( out ),或唤醒 ( in ),CP4 1.4 CDet ( in ) CDet ( in ) 帧时钟( out ),注: RX 接收; TX 发送; CDet 碰撞侦测.,79,通信端口注: RX 接收; TX 发送; CDet,1. 单端模式,差分曼彻,斯特编码,NRZ数据,CP0,CP3,CP1,CP2,CP4,差分曼彻,斯特编码,NRZ数据,数据输入,发送使能,冲突检测使能,睡眠输出( 关电),数据输出,发送使能输出,睡眠,冲突检测输入,单端模式的通信端口配置,80,1. 单端模式差分曼彻NRZ数据CP0CP3CP1CP2CP,2. 差分模式,差分曼彻,斯特编码,NRZ数据,CP0,CP3,CP1,CP2,CP4,差分曼彻,斯特编码,NRZ数据,数据输入( + ),发送使能,冲突检测使能,数据输入( - ),冲突检测输入,滤波器,数据输出( + ),数据输出( - ),+,+,-,-,差分模式的通信端口配置,81,2. 差分模式差分曼彻NRZ数据CP0CP3CP1CP2CP,3. 专用模式,在某些特定应用场合中, 需要Neuron芯片提供无编码的原始报文,且无同步头.在这种情况下, 由一个智能发送器接收未编码数据, 重新编码并插入同步头.接收端的智能接收器从网络上收到数据后, 则去掉同步头, 重新解码后送到Neuron芯片中.,82,3. 专用模式82,（3）LonWorks路由器,路由器是LonWorks技术的,重要,组成部分，也是其它现场总线所不具备的。,它使LonWorks总线突破了传统现场总线的限制，使其通信不受通信介质、通信距离和通信速率的限制。,LonWorks路由器包括,中继器,、,桥接器,、,学习路由器,和,配置路由器,。,采用RTR-10路由器核心模块构成的路由器框图如图3-11所示。,83,（3）LonWorks路由器 路由器是LonWork,图3-11 路由器框图,84,图3-11 路由器框图 84,1. 中继器,中继器( Repeater )接收到一个线路中的报文信号后, 将其整形放大、重新复制、并将新生成的信号转发至下一网络或其他介质段.,2. 网桥用于连接两个局域网网络段, 工作在数据链路层, 是一种存储转发设备. 网桥能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输速率、 不同传输介质的网络.它要求两个互联网络在数据链路层以上采用相同的协议.,85,1. 中继器85,3. 学习路由器,学习路由器可以用来监视网络的通信量, 学习域/子网的网络的拓扑关系, 然后用其所学知识有选择性地确定数据包的路由.,4. 配置路由器,配置路由器也是借助内部的路由表在通道间有选择地路由消息包. 与学习路由器不同的是, 其内部的路由表是由网络管理器建立的.,86,3. 学习路由器86,（4）LonWorks 通信协议,LonWorks技术采用,LonTalk,通信协议。,协议的特点,：, 发送的报文都是很短的数据，一般是几个字节到几十个字节；, 通信带宽不高，一般从几kb/s到20Mb/s；, 网络上各节点往往是低成本、低维护的单片机；, 多节点；, 多介质；, 可靠性,实时性高。,87,（4）LonWorks 通信协议LonWorks技术采用Lo,层 OSI参考模型 目的 LonTalk提供服务,1 物理层 电气连接 与介质有关的接口和调制,方案( 双,电,无,同,红,光缆),2 数据链路层 介质访问 帧传输 , 数据编码, 冲突,与帧传输 避免, CRC错误校验等,3 网络层 目的寻址 寻址路由器,4 传输层 端对端可靠性 确认与非确认服务,5 会话层 远程控制 请求-应答,证实,网络管理,网络接口,6 表示层 数据解释 网络变量,外部帧传输,7 应用层 应用程序兼容性 标准网络变量类型,LonTalk协议层及所提供的服务,88,层 OSI参考模型 目的,一. 物理层,LonTalk协议的物理层支持多种传输介质, 如双绞线、电力线、同轴电缆、光钎、无线电和红外线等, 每种传输介质都有对应的收发器作为节点与传输介质之间的通信接口, 不同的收发器采用不同的数据编码和解码方案.,二. LonTalk协议的链路层提供介质访问控制、帧传输、数据编码、CRC错误校验、冲突避免、冲突检测与优先级等机制.,89,一. 物理层89,三. 网络层,LonTalk 协议的网络层提供网络地址分配、路由选择、流量控制、网络服务和网络证实等服务.,LonTalk 协议定义了一种使用域地址、子网地址和节点地址的分级编址方法.,四. 传输层,LonTalk 协议的传输层管理报文的执行和报文的二次检测, 负责点对点及点对多点的可靠传送, 提供信息证实服务等.,90,三. 网络层90,五. 会话层,LonTalk 协议的会话层为会话用户提供服务和活动管理, 主要是提供请求/响应机制, 即通过节点的连接来进行远程数据服务. 使用该机制可以遥控实现远端节点的过程建立.,六. 表示层和应用层,LonTalk 协议的表示层和应用层主要提供网络变量服务、显示报文服务、外来帧传输服务、网络管理服务和网络跟踪服务.,91,五. 会话层91,LonTalk协议的网络地址采用,三层,结构，即：,域(Domain),、,子网(Subnet),和,节点(Node),。,域,：为第一层结构，保证不同域中通信的彼此独立性。,子网,：为网络地址结构的第二层，每一个域最多有,255,个子网，一个子网可以是一个或多个通道的逻辑分组。,节点,：为网络地址的第三层，每个子网最多可以有,127,个节点,每个节点最多可接,256,个智能控制器。,海量用户规模：一个域最多可以有,255127=32385,个节点，最多可以接,32385256=8290560,个智能控制器。,92,LonTalk协议的网络地址采用三层结构，即：域(D,（5）LonWorks 收发器,LonWorks技术的一个重要特征是它支持,多种介质通信,。根据通信介质的不同，LonWorks技术可分为以下多种总线收发器：, 双绞线收发器,双绞线是使用,最为广泛,的一种介质，用于双绞线介质的收发器主要以下三种：,93,（5）LonWorks 收发器 LonWorks技术的,直接驱动收发器:,直接驱动是使用神经元芯片的通信端口作为收发器。,EIA-485收发器:,EIA-485接口是现场总线中常用的电气接口，LonWorks同样也支持该电气接口。,变压器耦合驱动收发器:,变压器耦合驱动能满足系统的高性能、高共模隔离要求，并具有噪声隔离的作用 。,94,直接驱动收发器:直接驱动是使用神经元芯片的通信端口作为, 电源线收发器,电源线是指通信线和电源线缆共用一对双绞线。使用电源线的意义在于所有节点通过一个,48V直流中央电源,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；同时采用通信线和电源线缆共用一对双绞线可以节约一对双绞线，也便于系统的安装和维护。由于电源线收发器采用的是直流供电，可以和变压器耦合的双绞线直接连接。,95, 电源线收发器95,电力线收发器,电力线接收器是将通信数据,调制,成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到220V或其他交直流电力线上，甚至是没有电力的双绞线。这种方式减少了施工布线等建设费用，是一种将神经元节点加入到电力线中简单、有效的方法。,缺点,：是会遇到电力线通信的普遍问题电力线间歇性噪声大等问题，因此需要采用一定的技术加以解决。,96,电力线收发器96, 其他收发器,除上述收发器外，LonWorks技术中还广泛采用无线收发器、光纤收发器等，以满足特殊情况需要。,97, 其他收发器97,（6）LonWorks开发工具,LonWorks技术包含了一系列开发工具，主要有,节点开发工具NodeBuilder,、,节点和网络安装工具LonBuilder,、,网络管理工具LonManage,和,LNS技术,。,节点开发工具NodeBuilder,NodeBuilder只能完成节点开发的功能，不具备网络的功能，它只有一个在线仿真器。,98,（6）LonWorks开发工具 LonWorks技术包含,节点和网络安装工具LonBuilder,它是最主要的开发工具，包括以下几部分：,节点开发器,：用于Neuron C语言编程开发和网络通信仿真等。,网络管理器,：用于现场总线风格的逻辑地址分配与连接、子网和网络通道定义、路由器安装、优先级设定等网络安装、维护工作。,协议分析器和报文统计器,：用于截获网络上所有节点的通信报文，分析当前网络报文流量等网络状态信息。,99, 节点和网络安装工具LonBuilder99, 网络管理工具LonManage,LonManage主要由一系列的软件开发包和接口卡组成，包括：LonManageDDE、LonManage Profile、LonMaker和LonManage协议分析仪。, LNS(LonWorks Network Service),LNS是Echelon公司最新开发出来的LonWorks总线开发工具，它为用户提供了一个强大的客户/服务器网络构架，是未来LonWorks总