7 第七章 现场总线

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,*,*,*,第七章 现场总线,1983,年，,Honeywell,推出了一款崭新的智能化仪表,Smar,变送器。这个带有微处理器芯片的仪表在输出端的,4-20mA,直流信号上首次迭加了数字信号，这一革新使生产现场与控制室之间的通信就可以使用数字信号了。,1984,年开始，美国仪表协会和国际电工委员会相继开始了现场总线体系结构与标准的研究制定工作，研究具有通信功能的、传输信号全数字化的控制仪表和系统。,1986,年，德国推出了世界上第一个现场总线标准,-,过程现场总线标准,PROFIBUS,。,从此，国际大公司及各联合体掀起了现场总线的标准制定及相关产品开发与应用的高潮。,一,.,概述,是一种应用在生产现场，在嵌入式测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。它是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，广泛应用在制造业、流程工业、交通、楼宇等领域的自动化系统中。,现场总线可与因特网（,Internet,）、企业内部网（,Intranet,）相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而将其归为,底层网络,。,现场总线（,Fieldbus,）定义,:,现场总线技术,就是把单个分散的测量控制设备变成测控网络节点，以现场总线为纽带，联结成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统。因此，现场总线也称为现场总线控制系统。,现场总线控制系统,既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统，要完成基本的控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控制管理等功能，是一个新型综合自动化系统。,1,过程现场总线,PROFIBUS(PROcess,Field BUS),Profibus,现场总线标准既是德国国家标准,DIN19245,，,也是欧洲标准,EN50170,。,PROFIBUS,由三部分组成，即,PROFIBUS-FMS,，,PROFIBUS-DP,及,PROFIBUS-PA,。,FMS,（,Fieldbus,Message Specification,）,是用于车间级监控的,令牌方式实时多主网络,，用于连接控制系统中的工程师工作站、操作员站、,PLC,或,DCS,控制站。,FMS,总线还可以连接区域控制器，并通过区域控制器接入工厂级的局域网络。,二,.,现场总线类型,DP,用于控制系统与分散式,I,O,的通信。在控制系统中，,PLC,或,DCS,控制站和现场开关设备之间的互连和通信是用,DP,总线完成的。,PA,专为生产过程自动化而设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上。,PROFIBUS,的,传输速率,为,9.6Kbps,12Mbps,，,最大传输距离,在,12Mbps,时为,100M,，,1.5Mbps,时为,400M,，,可用中继器延长至,10Km,。,传输介质,可以是双绞线，也可以是光缆，最多可,挂接,127,个站点,。,2,可寻址远程传感器数据通路,HART,HART,是美国,Rosemount,公司研制的。,HART,协议参照,ISO/OSI,模型的第,1,、,2,、,7,层，即,物理层,、,数据链路层,和,应用层,。,物理层采用基于,Bell 202,通信标准的,FSK,技术,，用屏蔽双绞线作,介质,，单台设备,通信距离,为,3Km,，,多台设备,互连距离,为,1.5Km,。,数据链路层规定,数据帧长度,最长不超过,25,个字节，可,寻址,16,个。,应用层规定三类命令：,通用命令,、,普通命令,和,特殊命令,，分别用于遵守,HART,协议的全部、大部和特殊产品。,3,基金会现场总线,FF,基金会现场总线，即,Foudation,Fieldbus,，,简称,FF,FF,的,体系结构,也参照,ISO/OSI,模型的第,1,、,2,、,7,层，另外增加了,用户层,。,FF,提供两种物理标准：,H,1,和,H,2,。,H,1,为用于过程控制的低速总线，,速率,为,31.25kbps,，,传输距离,为,200m,、,400m,、,1200m,和,1900m,四种。,H,2,的,传输速率,可为,1Mbps,和,2.5Mbps,两种，,通信距离,分别为,750m,和,500m,。,物理,传输介质,可支持双绞线、同轴电缆、光纤和无线发射，协议符合,IEC1158-2,标准。物理媒介的传输信号采用,曼彻斯特编码,。,基金会现场总线的主要技术内容包括,FF,通信协议,；用于完成开放互连模型中第,2,、,7,层通信协议的,通信栈,；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的,DDL,（,Device Description Language,）,设备描述语言,；,设备描述字典,；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的,功能块,；实现系统组态、调度、管理等功能的,系统软件技术,以及构筑综合自动化系统、网络系统的,系统集成技术,等。,4,控制器局域网络,CAN(Controller Area Network),CAN,是由德国,BOSCH,公司最初为汽车工业的监视和控制而设计的。,5,局部操作网络,LON,（,Local Operating Network,）,LON,是美国,Echelon,公司研制的。,CAN,网络是现场总线技术的一种。,CAN,推出之初主要用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。例如汽车刹车防抱死系统、安全气囊等。实际上，机动车辆总线和工业现场总线的要求有许多相似之处，即成本要低，实时处理能力要强，抗强电磁干扰，可靠性高等。因此,CAN,总线可广泛应用于离散控制领域中的,过程监测和控制,，特别是工业自动化的,底层监控,，以完成控制与监测设备之间可靠和实时的,数据交换,。,三,. CAN,总线,1.,概述,协议采用,3,层模型,：物理层、数据链路层和应用层。拓扑结构为总线型。,以,多主方式,工作。网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。通信方式灵活，无需站地址等节点信息。,采用,非破坏性仲裁技术,。当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，有效避免了总线冲突。,采用,短帧结构,。每帧的有效字节数为,8,个（,CAN,技术规范,2.0A,），数据传输时间短，受干扰的概率低，具有较好的检错效果。,2. CAN,总线基本特点,数据帧都有,CRC,校验,及其他,检错措施,，保证了数据传输的高可靠性。适于在高干扰环境中使用。,节点在严重故障的情况下，具有,自动关闭总线,的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受影响。,可以,点对点,、,一点对多点,（成组）及,全局广播,方式传送和接受数据。,支持的,传输介质,为双绞线、同轴电缆和光纤等。采用双绞线通信时，速率为,1Mbps,40m ,5Kbps/10km,，结点数可达,110,个。,采用,不归零码编码,/,解码,方式，并采用,位填充,（插入）技术。,(1),基本概念,帧,是数据链路层的传输单位。,场,是,CAN,总线技术中的专用名词。,场,是指定义好了的逻辑数据，是一条信息的基本单位或一部分，,是帧的基本组成单位,。场可以包含数据、数据集合、指针或连接。一个帧则由帧起始场、仲裁场、控制场、数据场、,CRC,校验场、帧结束场等场组成。,信号的传输采用,差分电压,。静态时，两条信号线上的电压均为,2.5V,，,状态表示为,“,1,”,，称为,“,隐性,”,，相应的位为隐位。用一条信号线上的电压比另一条信号线上的电压高表示状态,“,0,”,，称为,“,显性,”,，相应的位则为显位。在显位与隐位同时传输期间，总线上将是显位。,3. CAN,的分层及帧格式,(2),CAN,分层及帧格式,CAN,协议共分,三层,：物理层、数据链路层和应用层。,物理层是最底层的协议，涉及通信系统的驱动电路、接收电路及通信介质之间的接口问题。,物理层协议主要包括如下内容：,1,）,接插件,的类型以及,插针,的数量和功能；,2,）数字信号在通信介质上的,编码方式,，如电平的高低和逻辑,“,1,”,、,“,0,”,的表示方式；,3,）确定与链路控制有关的,硬件功能,。,数据链路层分,逻辑链路控制,LLC,和,媒体访问控制,MAC,两个子层。,LLC,子层的功能,包括帧接收滤波，超载通告和恢复管理。,LLC,帧结构,：标识符场,DLC,场 数据场,标识符,长度为,11,位，最高,7,位不能全为,1,。,DLC,（,Data Length Code,）,是数据长度码，指出数据场字节个数。,DLC,由,4,位构成，其值可以为零，数据帧允许数据字节数范围为,0,8,。,数据场,指被发送的数据。可包括,0,8,个字节，每个字节包括,8,位。,在,LLC,子层还有另外一种帧叫,远程帧,。远程帧只有两个场，,标识符场,和,DLC,场,，内容和上面的定义相同。,MAC,子层的,功能,包括帧的发送和接收两部分。发送功能包括发送数据封装与发送介质访问。接收功能包括接收介质访问与接收数据卸载。,MAC,帧由,7,个场,组成,。包括帧起始场，仲裁场，控制场，数据场，,CRC,场，应答场，帧结束场。,帧起始场,标志数据帧和远程帧的开始，仅由一个显位构成。只有在总线处于空闲状态时才允许站开始发送。所有站都必须同步于开始发送的那一个站的帧起始前沿。,仲裁场,由标识符和远程发送请求位组成。标识符占,11,位，不能全为隐位。远程发送请求位在数据帧中必须是显位，在远程帧中必须是隐位。,控制场,有,6,位，包括数据长度码和,2,位保留位。数据长度码指示数据场的长度，保留位用于发送显位。接收器认可显位与隐位的组合。,数据场,是要发送的数据。,CRC,场,包括,CRC,循环校验码和,CRC,定界符。,CRC,定界符只包含一个隐位。,应答场,为两位：应答间隙和应答界定符。在应答场中，发送器发送两个隐位。正确接收数据帧的接收器在应答间隙将正确接收的信息通过显位报告给发送器。所有接收到匹配,CRC,序列的站，通过在应答间隙内把显位写入发送器的隐位来报告。应答界定符必须是隐位。,每个数据帧与远程帧均由,7,位隐位组成的标志序列,界定,。,(3),应用层,实际上，,CAN,的协议非常简单，只定义了,物理层,与,数据链路层,。但,CAN,的技术特点就是允许各厂商在,CAN,协议的基础上自行开发自己的高层应用软件，,CAN,只给高层应用层,提供,了一个清晰,接口,。较成熟的,CAN,应用层有,DeviceNet,，,CANopen,，,CAN Kingdom,，,SDS,等。,DeviceNet,用于,PLC,与现场设备之间的,通讯网络,。它可连接开关、拖动装置、固态过载保护装置、条形码阅读器、,I/O,和人机界面等，传输速率为,125-500kbps,。,DeviceNet,通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通过专线将它们与,I/O,模块连接。,DeviceNet,支持多种,网络模型,：主,/,从式（,Master/Slave,）、,对等式（,Peer to Peer,）,和多主式（,Multi,master,）,等。,应用层,完成,CAN,协议标识分配、节点地址侦测和设备组态等功能。,CAN,的,通信介质访问,为带有优先级的,CSMA/CD,，,采用多主竞争方式。网络上任意节点均可以在发现总线空闲时主动地往其它节点发送信息。,在发生冲突时，采用,非破坏性总线优先仲裁,技术：当几个节点同时向网络发送消息时，根据帧中开始部分的标识符，逐位仲裁，优先级低的节点主动停止发送数据，优先级高的节点继续发送信息。,CAN,的传输信号采用,短帧结构,（有效数据最多为,8,个字节），对高优先级的通信请求来说，在,1Mbps,通信速率时，最长的等待时间为,0.15ms,，,完全可以满足现场控制的实时性要求。,4. CAN,总线通信介质访问控制方式,CAN,的通信协议主要由,CAN,总线控制器,完成。,CAN,总线控制器主要由,CAN,总线协议实现部分,和,与微控制器接口电路,组成。通过简单的连接即可完成,CAN,协议的物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由微控制器完成。,CAN,总线上的节点即可以是基于微控制器的智能节点，也可以是具有,CAN,接口的,I,O,器件。,CAN,总线控制器结构示意图,如图,7-3,。,图,7-3 CAN,总线控制器结构图,LON,（,Local Operating Networks,）,总线是美国,Echelon,公司,1991,年推出的局部操作网络，为,集散控制系统,（,DCS,）,提供了很强的实现手段。为支持,LON,总线，,Echelon,公司开发了,LonWorks,技术，它为,LON,总线的设计、成品化提供了一套完整的开发平台。,LON,总线也成为当前最为流行的现场总线之一。在其支持下，诞生了新一代的智能化低成本的现场测控产品。,四,. LON,总线,1.,概述,LonWorks,的技术特点,LonWorks,技术的核心部件是,神经元芯片,-Neuron,芯片。这种芯片同时具备了通信与控制功能，并且固化了,ISO/OSI,的全部七层通信协议以及,34,种常见的,I/O,控制对象。,采用,改进的,CSMA,介质访问控制协议,。,LonWorks,称之为,Predictive P-,Persistant,CSMA,。,在网络负载很重时，可避免网络瘫痪。,网络通信采用了,面向对象的设计方法,，,LonWorks,技术将其称之为,网络变量,。网络通信的设计简化成为参数设置，节省了大量的设计工作量，增加了通信的可靠性。,通信速度,可达,1.25Mbps,（此时有效距离为,130M,）；直接通信距离可以达到,2700M,（双绞线，,78Kbps,）；一个测控网络上的节点数可以达到,32000,个。,网络系统结构,可以是主从式、对等式、客户,/,服务式结构。,支持总线型、星型、环型、混合型等,网络拓扑结构,。,可在双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、红外线、无线等,介质,下通信，多种介质可以在同一网络中混合使用。,采用,Lontalk,通信协议,，支持国际标准化组织,ISO,定义的开放系统互联,OSI,全部七层模型，网络协议,开放,。,Lonworks,技术包括以下几个,组成部分,：,LonTalk,通信协议,。,LonTalk,通信协议是,Lonworks,控制网络技术的心脏，其通信服务功能主要有：通信介质存取、通信应答、节点与节点通信、发送授权、优先级传输、重复传输检测、冲突避免、自动重发、支持混合传送速率、多服务器,/,多客户机结构、数据类型标准化和标识符、单节点,/,多节点,/,广播式节点寻址、支持混合通信介质和误码检测与恢复。,LonWorks,节点和路由器,。,LonWorks,节点主要包括：神经元芯片、,I/O,处理单元、通信处理器、收发器和电源。神经元芯片是节点的核心，具有,3,个,8,位的在线处理器，其中二个处理器用于执行通信协议，第三个则用于执行节点的监控功能。路由器在,LonWorks,技术中是一个重要的组成部分，包括中继器、桥接器和路由器。路由器的使用，,Lon,总线突破了传统现场总线对通信介质、通信距离和通信速率的限制。,收发器,。收发器包括双绞线收发器，光纤收发器，同轴电缆收发器，红外线收发器，无线收发器及电力线收发器等。,Lon,总线可以根据不同的现场环境选择不同的通信介质和收发器。,LonWorks,网络和节点开发工具,。包括应用程序开发平台，网络管理器和协议分析器等。,NodeBuilder3,是,LonWorks,节点开发工具，,LNS,是一个,LonWorks,控制网络操作系统，用于,LonWorks,网络的设计、安装、操作、检测和维护。网络管理器用于安装和配置网络节点，协议分析器则用于检测网络业务量和检查错误的协议。,图,7-4,神经元芯片的结构框图,2.,神经元芯片,(1),处理单元,芯片内部装有三个微处理器：,MAC,处理器、网络处理器和应用处理器。图,7-5,为三个处理器和存储器结构的框图。,MAC,处理器完成介质访问控制,(media access control),它和网络,CPU,间通过网络缓冲器实现数据的传递。,网络处理器完成,OSI,的,3,6,层网络协议，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。网络处理器通过网络缓冲区和,MAC,处理器实现通信，通过应用缓冲区和应用处理器实现通信。,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。,(2),存储器,存储器包括：,EEPROM,：,储存网络配置和地址表；,48,位神经元,ID,码；用户应用程序代码和一般只读的数据。,RAM,：,用作堆栈段；应用程序和系统程序的数据区；应用缓冲区和网络缓冲区。,外部存储器,：外部存储器用于存储,LON,操作系统；用户编写的应用程序代码；以及应用程序所需要的额外读写数据区。,图,7-5,芯片内三个处理器和,存储器结构框图,(3),输入,/,输出,神经元芯片和其他设备的互连是通过它的,11,个,I/O,管脚,IO,0,IO,10,实现的。这些管脚可以根据不同外设的要求，灵活地配置输入输出方式。,IO,4,IO,7,可以通过编程设置；,IO,0,IO,3,带有高电流（,20mA,）,接收；,IO,0,IO,10,带有,TTL,标准的迟滞输入；,IO,0,IO,7,带有低电平检测锁存。,神经元芯片带有,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，从,IO,4,IO,7,四个,IO,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，它的输入是,IO,4,，,图,7-6,神经元芯片定时,/,技术器外部连接图,IO,0,IO,1,IO,2,IO,3,IO,4,IO,5,IO,6,IO,7,IO,8,IO,9,IO,10,输出是,IO,1,。每个定时,/,计数器包括：可以被,CPU,写入的,16,位装入寄存器；,16,位计数器；可以被,CPU,读出的,16,位锁存器。图,7-6,为神经元芯片定时,/,计数器外部连接图。,神经元芯片的,专用编程工具,Neuron C,提供了,I/O,定义指令，可以将,11,个,I/O,口配置成不同的,I/O,对象；并通过函数,io_in,( ),和,io_out,( ),进行输入输出操作。神经元芯片的,11,个,I/O,有,34,种预编程设置，可以有效地测量、计时和控制等功能,(4),通信端口,神经元芯片可以支持多种通信介质。使用最为广泛的是,双绞线,和,电力线,。下表为几种典型的收发器类型和波特率。,收发器类型,波特率,EIA-485,300bps,自由拓扑型和总线型双绞线带变压器,（可选通过双绞线供,48V,电源）,78kbps/1.25Mbps,电力线（载频）,4kbps,电力线（扩频）,10kbps,无线（,300MHz,）,1200bps,无线（,450MHz,）,4800bps,无线（,900MHz,）,39kbps,红外,78kbps,光纤,1.25Mbps,同轴电缆,1.25Mbps,LON,总线可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质。,双绞线收发器,对双绞线的支持主要有三类收发器：直接驱动、,EIA,485,和变压器耦合。,电源线收发器,这里的电源线也是一对双绞线，是通信线和电源线公用的一对双绞线。使用电源线的意义在于，所有节点通过一个,48VDC,中央电源供电，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。,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,220V,或其他交直流电力线上，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，大大减少了通信中遇到的繁琐的布线。,无线收发器,无线收发器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，神经元芯片的通信口必须配置成单端模式，速率是,4800bps,。,(5),时钟系统,在神经元芯片中包括一个分频器，通过外部的输入晶振来输入时钟。神经元正常工作频率可以从,625kHz,10MHz,（,625kHz,是对于低电压神经元芯片来说的）。,(6),路由器,LonWorks,路由器用于转发两个通信信道之间的,LonTalk,信息。,LonWorks,路由器能支持从简单到复杂网络的连接，这些网络可以小到几个节点，也可以大到上万个节点。,路由器的作用,主要有：,(1),扩展通道的容量。,(2),连接不同距离的介质或波特率。,(3),提高,LON,总线的可靠性。,(4),改善网络性能。,LonWorks,路由器有四种,路由算法,可供选择：配置型路由器、学习型路由器、桥接器或中继器。配置型路由器和学习型路由器属于,智能路由器,，路由智能可以使它们根据目标地址有选择地转发报文。,中继器,是转发经过两端的所有报文的路由器。无论报文的目标址和域是什么，只要是接收到的有效报文（即带有效,CRC,码的报文）,中继器都将转发。,桥接器,转发、桥接两个域中之一的报文。符合这一规则的报文不论其目标址是什么，桥接器都将转发。桥接器可以用来跨越一个或两个域。,LonTalk,协议,是为,LON,总线设计的专用协议，和商用网络通信协议不同，发送的,报文,都是,很短,的数据；,通信带宽不高,（几,kbps,到,2Mbps,）；,网络上的节点往往是,低成本,、,低维护,的单片机；,支持多节点,和,多通信介质,；,可靠性高,；,实时性强,。,3.,LonWorks,通信协议,LonTalk,LonTalk,的协议数据单元,PDU,包含以下,8,部分：,MPDU,(MAC Protocol Data Unit),。即,MAC,层协议数据单元，数据称为帧。,LPDU,(Link,Protocol Data Unit),。,链路层协议数据单元，数据称为帧。,NPDU,(Network,Protocol Data Unit),。,网络层协议数据单元，数据称为报文。,TPDU,（,Transport Protocol Data Unit,）。传输层协议数据单元，数据称为消息应答（,Message/ACK,）。,SPDU,(Session,Protocol Data Unit),。会话层协议数据单元，也称为请求,/,响应。,NMPDU,(Network,Management Protocol Data Unit),。网络管理协议数据单元。,DPDU,(Diagnostic,Protocol Data Unit),。网络诊断协议数据单元。,APDU,(Application,Protocol Data Unit),。应用层协议数据单元。,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,，,包容了,LON,总线的所有网络通信功能，通信数据在各种介质中能可靠地传输。,表,7-2,为,LonTalk,和,OSI,的,七层协议,的对照表。,OSI,层次,标准服务,LON,提供的服务,处理器,7,应用层,网络应用,标准网络变量类型,应用处理器,6,表示层,数据表示,网络变量，外部帧传送,网络处理器,5,会话层,远程遥控动作,请求,/,响应,认证，网络管理,网络处理器,4,传送层,端对端的可靠传送,应答，非应答，点对点，广播，认证等,网络处理器,3,网络层,传输分组,地址，路由,网络处理器,2,链路层,链路层,帧结构,帧结构，数据解码，,CRC,错误检查,MAC,处理器,MAC,子层,介质访问,P-,预测,CSMA,，,碰撞规避，优先级，碰撞检测,1,物理层,电路连接,介质，电气接口,MAC,处理器，,XCVR,(1),LonTalk,协议物理层,LonTalk,协议在物理层支持,多种通信协议,，支持,不同的数据解码和编码,。例如，双绞线使用差分曼彻斯特编码、电力线使用扩频、无线通信使用频移键控（,FSK,）,等。,LonTalk,支持在通信介质上的,碰撞检测,。,LonTalk,协议可以自动地将正在发生碰撞的报文取消，重新再发。,(2),LonTalk,协议的网络地址结构,LonTalk,网络地址有,三层结构,：域（,Domain,）、,子网（,Subnet,）,和节点（,Node,）。,域,的结构可以保证在不同的域中通信是彼此独立的。例如，不同应用的节点共存在同一个通信介质中，不同域的区分可以保证它们的应用完全独立，彼此不会受到干扰。,每一个域最多有,255,个,子网,。一个子网可以是一个多通道的逻辑分组，路由器可以实现子网间的数据交换。,每个子网最多有,127,个,节点,，所以一个域最多有,255,127,32385,个节点。任一节点可以分属一个或两个域，允许一个节点作为两个域之间的网关（,Gateway,），也允许一个节点将采集来的数据分别发向两个不同的域。,节点也可以,分组,，一个组（,Group,）在一个域中可跨越几个子网，或几个通道。在一个域中最多有,256,个组，每一个组对于需应答服务最多有,64,个节点，而无应答服务的节点个数不限。一个节点可以分属,15,个组去接收数据。分组结构可以使一个报文同时为多个节点所接收。,每一个神经元芯片有一个,48,位,ID,地址,，这个,ID,地址是在神经元芯片出厂时由厂方规定的，一般在网络安装和配置时使用。图,7-9,为,报文地址结构,。,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。,LonTalk,规定一个通道至多有,32385,个节点,。一个网络可以由一个和多个通道组成。通道之间是通过,桥,来连接的。,图,7-9,报文地址结构,(3),LonTalk,MAC,子层,LonTalk,协议的,MAC,子层是数据链路层的一部分，它使用,OSI,协议的标准接口,和,链路层的其他部分,进行通信，如图,7-10,。,LonTalk,协议使用,带预测的,P-,坚持,CSMA,。,图,7-11,为,MPDU/LPDU,格式。带预测的,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。,设每一个节点发送报文前随机插入,0,W,个很小的随机时间片，则网络中任一节点在发送普通报文前平均插入了,W/2,个随机时间片。,W,根据网络积压参数,(Backlog),变化,图,7-10 MAC,子层与链路层,其他部分进行通信的框图,进行动态调整，其公式是,W=BL*,W,base,其中,W,base,16,，,BL,为网络积压估计值,，它是对当前发送时间段内有多少个节点需要发送报文的估计。,(4),LonTalk,协议的数据链路层,LonTalk,协议的数据链路层提供在子网内,LPDU,帧的顺序无响应传输。它提供,错误检测,的能力，但,不提供错误恢复,能力。当一帧数据,CRC,校验错，该帧被丢掉。,在直接互连模式下，物理层和数据链路层接口的编码方案类似曼彻斯特编码。在专用模式下，根据不同的电气接口采用不同的编码方案。,CRC,校验码加在,NPDU,帧的最后，,CRC,采用的多项式是,(,标准,CCITT CRC-16,编码,),。,(5),LonTalk,协议的网络层,在网络层，,LonTalk,协议提供给用户一个简单的通信接口，定义了如何接收、发送报文以及如何响应等，在,网络管理,上有网络地址分配、出错处理、网络认证、流量控制等。路由器的,路由机制,也在这一层实现。,(6),LonTalk,协议的传输层和会话层,LonTalk,协议的,传输层,是无连接的，管理着报文执行的顺序、报文的二次检测。它提供一对一节点、一对多节点的可靠传输。信息认证也是在这一层实现的。,会话层,主要提供了请求,/,响应的机制，通过节点的连接来进行远程数据服务。,LonTalk,协议的网络功能虽然是在应用层来完成的，但实际上也是由提供会话层的请求,/,应答机制来实现的。,(7),LonTalk,协议的表示层和应用层,LonTalk,协议的表示层和应用层提供五类服务。,网络变量服务,。当定义为输出的网络变量改变时，能自动地将网络变量的值变成,APDU,向下层协议传送并向其他节点发送，使所有把该变量定义为输入的节点收到该网络变量的改变。一个节点收到该信息时，根据收到的,APDU,判断是不是网络变量，以及是哪一个输入网络变量并激活相应的处理进程。,显示报文服务,。将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和数据组织成,APDU,并向下层协议传送并向其他节点发送，同时，发送结果要向上层协议传送并激活相应的发送结果处理进程。一个节点收到信息时能根据收到的,APDU,判断是否显示报文，并能根据报文代码激活相应的处理进程。,网络跟踪服务,。主要测试网络上所有的操作，记录错误信息和错误点。,外来帧传输服务,。该服务主要针对网关（,Gateway,），将,LON,总线外其他的网络信息转换成符合,LonTalk,协议的报文传输，或反之。,还有一类服务就是,网络管理服务,。,(8),LonTalk,协议的网络管理和网络诊断,LonTalk,协议的网络管理和网络诊断提供了四类服务,。,地址分配,。分配所有节点的地址单元，包括域号、子网号、节点号以及所属的组名和组员号。,节点查询,。查询节点的工作状态以及一些网络通信的错误统计，包括通信,CRC,校验错、通信超时等。,节点测试,。发送一些测试命令来对节点状态进行测试。,设置,配置路由器,的配置表。,(9),LonTalk,协议的报文服务,LonTalk,协议提供了四种类型的报文服务，这些报文服务除,请求,/,响应,是在,会话层,实现外，,其它三种,都在,传输层,实现。,应答方式,（,Acknowledge,）,或者是端对端（,End to End,）,的应答服务。当一个节点发送报文到另一个节点或一个组时，每一个接收到报文的节点都必须分别向发送方应答，如果发送方在应答时间内没有全部收到应答，发送方将重新发送该报文，重发次数和应答时间都是可选的。报文应答服务是由网络处理器（,Network Processor,）,完成的，应用程序不干预报文传输号，以确保节点不会收到重复的报文。,请求,/,响应方式,（,Request/Response,）。当一个节点发送报文到另一个节点或一个组时，每一个接收到报文的节点都必须分别向发送方响应，如果发送方在响应时间内没有全部收到响应，发送方将重新发送该报文，重发次数和响应时间都是可选的。报文响应服务可以包含数据，是由应用处理器（,Application Processor,）完成的，适合远程过程调用和客户,/,服务器方式。,非应答重发方式,（,Unacknowledged Repeated,）。当一个节点发送报文到另一个节点或一个组时，不需要接收到报文的节点向发送方应答或响应，而采用重复多次发送同一报文的方式，使报文尽量可靠地被接受方收到。这种方式适合于节点较多的组广播发送，以避免因节点响应或应答而使网络过载。,非应答方式,(Unacknowledged),。当一个节点发送报文到另一个节点或一个组时，不需要接收到报文的节点向发送方应答或响应，也不必重复多次发送同一报文，只发送一次即可。这种方式适合对可靠性要求不高，但需要速度较高、报文长度又较长的场合。,(10),LonTalk,协议的网络认证,LonTalk,协议支持,报文认证,。收发双方在网络安装时约定一个,6,个字节认证字，接收方在接收报文时判断是否发送方认证的报文，只有经过发送方认证的报文方可接收。,智能家居信息系统,（,Smart Home Information System SHIS,）,的解决方案。本例采用,LonWorks,现场总线技术、蓝牙组网技术和,IEEE1394,三项技术实现,SHIS,各功能子网络的构建，利用,Jini,中间件技术实现了各种功能的集成。,4.,LonWorks,应用举例,具体结构图见图,7-13,。从图上可以看出，,家居主要控制节点采用普通电力线作为通信介质，住宅中安装的家用电器设备都通过嵌入式的,LonWorks,智能控制节点挂接到家庭中的,220V,电力线上，形成一个以,LonWorks,现场总线为平台的控制和监测网络。,SHIS,不需另外铺设通信线路，降低了,SHIS,的构建成本。,SHIS,电力线智能节点,既是组成,SHIS,LonWorks,子网的基本单元也是实现,SHIS,电力线载波通信方案关键模块。本例采用,PLT-22,芯片和神经元芯片,NeuronC3150,作为,SHIS,电力线智能节点的核心芯片。,智能节点,硬件结构,如图。它主要由神经元芯片、电力线收发器、电力线耦合电路、存储单元、复位电路、时钟电路以及电源电路和其他附加电路模块组成。,工作过程,是以神经元芯片,3150,为核心完成数据处理和通信。当发送数据时,数据通过通信接口发送到电力线收发器,PLT-22,，再由该收发器进行调制后通过电力线耦合电路将数据信息耦合到家庭交流,220V,电力线上；当接收数据时则正好相反，先由收发器解调后再将数据信号传送到神经元芯片,3150,。这样就实现了数据在电力线上的收发过程。,本章小结,