LON和LonWorks技术.ppt

LON和LonWorks技术,LON(LocalOperatingNetworks)是Echelon公司开发的现场总线，并开发了配套的LonWorks技术。LonWorks技术是一个开放的总线平台技术，该技术给各种控制网络应用提供端到端的解决方案。LON和LonWorks技术可以应用于工业控制、交通控制、楼宇自动化等领域。,LonWorks技术特点,1.支持OSI七层模型的LonTalk通信协议LonTalk通信协议支持OSI/RM的所有七层模型。是直接面向对象的网络协议，这也是一般现场总线所不具备的特点。LonTalk为设备之间交换信息建立了一个通用的标准。使各台总线设备融为一体，形成一个网络控制系统。LonTalk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、优先级传输、广播/组播消息等高级服务。,LonWorks技术特点,2.神经元芯片神经元芯片是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，而且是具有I/O和控制的通用处理器。神经元芯片已提供了LonTalk协议的第16层，开发者只需用NeuronC语言开发。神经元芯片包括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，每一个神经元芯片被赋予一个唯一的48位标识码。,LonWorks技术特点,3.基于LNS(LonWorksNetworkOperatingSystem)的软件工具LonWorks技术有多种基于LNS的工具，用于LON网络的维护和组态。其中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；LonMaker含有LNS、画图工具Visi02000技术版、还支持经由LonWorks网络或TCP/IP网络的远程操作、支持与TCP/IP网络及互联网联网的接口技术i.LON。,LonWorks技术特点,为了使LON总线的使用者快速、方便地开发节点和联网，LonWorks技术中还包含一系列的开发工具，例如，节点开发工具NodeBuilder；节点和网络安装工具LonBuilder；网络管理工具LonManager以及客户/服务器网络构架LNS技术。NodeBuilder是设备级开发工具，由集成的硬件和软件组成，它提供对单个设备编程和调试开发环境，不包含系统集成和测试工具，样机测试完成以后，再用网络管理工具(例如LonManager和LonMaker安装工具)集成。,LonWorks技术特点,LonBuilder是系统级开发工具，它提供创建、调试多设备LonWorks应用的所有工具。LonManager由一系列的软件开发包和接口卡组成，例如LonManagerDDE、LonManagerProfile和LonMaker、LonManager协议分析仪。4.开放性LonWorks技术提供了开放系统设计平台，使不同公司生产的同类LonWorks产品可以互操互换。LonWorks产品的互操作标准由LonMark协会制定。,LON总线系统的开发,LON总线系统的开发有两种途径：一种是基于开发工具LonBuilder或NodeBuilder，使用NeuronC语言编程，即针对具体控制系统的要求编写应用代码，然后经过编译与通信协议代码连接生成总的目标代码。一起烧录到节点的存储器中。另一种是基于图形方式的软件开发工具VisualControl，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FlashROM中。对复杂系统，需编制自定义模块。,LonTalk协议简介,LonTalk协议是LON总线的专用协议，是Lon-Works技术的核心。它符合ISO/OSI参考模型的七层体系结构，即含有物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。LonTalk协议提供一系列通信服务，可使一台设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其他设备功能的情况下发送和接收网络上其他设备的报文。还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。,LonTalk协议简介,采用神经元芯片的网络节点含有LonTalk协议固件，使网络节点可以可靠地通信。网络节点是相互独立的，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。,LonTalk协议特点,1)采用分级编址方式，即域、子网和节点地址。2)支持多种通信介质，如双绞线、电力线、同轴电缆、无线电和红外线、光纤传输介质等。3)支持多节点通信，互操作性强。网络上任一节点可对其他节点进行操作，传输控制信息。4)发送报文是很短的数据(通常几个到几十个字节)，通信带宽不高(几kbit/s到2Mbit/s)，响应时间快，通信安全可靠。5)网络节点是低成本、低维护的单片机。,LonTalk的七层协议,LonTalk协议是分层的、基于数据包的对等通信协议。它符合ISO制订的开放系统互联OSI标准，具有完备的七层协议，它具有LON总线的所有网络通信功能，包含一个网络操作系统，通过网络开发工具生成固件，使通信数据在各种介质中非常可靠地传输。由于LonTalk协议对OSI的七层协议的支持，使LON总线能够利用网络变量，直接面向对象通信。通过网络变量的互相连接便可实现节点之间的通信。,LonTalk的七层协议,LonTalk的七层协议,(1)物理层物理层定义通信信道上位流的传输，它确保源设备发送的位流准确地被目的设备接收。LonTalk协议是基于传输介质的协议，不同的通信介质(如双绞线、电力线等)需有不同的物理层协议支持。(2)数据链路层数据链路层定义介质访问方法和单一信道的数据编码。物理层的位流被分割成数据帧，数据链路层定义源设备发送数据帧的时刻，目的设备如何接收数据帧以及检测传输错误，同时还定义优先级机制以确保重要信息的传送。,LonTalk的七层协议,(3)网络层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。(4)传输层传输层确保可靠的报文传输。报文可以用应答方式、非应答重发方式、非应答方式三种服务方式进行数据交换。(5)会话层会话层对较低层数据交换加以控制。它支持远程操作，使用户可以对远程服务提出请求，并接收对请示的响应；它还定义了一个认证协议，使报文接收者确认发送者是否有权发送该报文。,LonTalk的七层协议,(6)表示层表示层定义报文数据的编码。报文可被编码为网络变量、应用报文或外部帧。(7)应用层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。,LonTalk各层协议及功能,1物理层LonTalk协议支持一种或多种不同传输介质构成的网络，这些传输介质包括双绞线、电力线、无线射频(Radio-Frequency)、红外线、同轴电缆和光纤，甚至是用户自定义的通信介质。不同介质的传输距离、传输速率、网络拓扑结构以及听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，即支持不同的数据解码和编码。例如，通常双绞线使用差分曼切斯特编码、电力线使用扩频、无线通信使用频移键控。,LonTalk各层协议及功能,网络节点连接到物理信道上，一个或多个信道具有特定频率的射频，多条信道由网桥和路由器连接，收发器是神经元芯片与信道的接口。信道的传输率与传输介质和收发器有关。LonTalk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。,LonTalk各层协议及功能,2链路层(1)MAC子层介质访问控制(MAC，MediaAccessControl)层是数据链路层的一部分。为使数据帧传输独立于所采用的物理介质和介质访问的控制方法，将数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制和介质访问控制。LLC与介质无关，MAC则依赖于介质。MAC协议是确定设备安全地传送数据包，减少冲突的控制算法。它使用OSI标准接口和链路层的其他部分进行通信。,LonTalk各层协议及功能,MAC协议是CSMA(载波信号多路侦听)协议的一种改进，称为带预测的P坚持CSMA。其MPDU(MAC层协议数据单元)如图所示。,LonTalk各层协议及功能,带预测的P坚持CSMA使所有的节点根据网络积压参数(Backlog)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。每一个节点发送前随机的插入0W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变化进行动态调整，其公式是W=BLWbase，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。,LonTalk各层协议及功能,图为带预测的P坚持CSMA概念示意图。当一个节点有信息需要发送而试图占用通道时，首先在Beta1周期检测通道有没有信息发送，以确定网络空闲。,LonTalk各层协议及功能,若空闲，节点产生一个随机等待T，T为0W个时间片Beta2中的一个。当延时结束时，网络仍为空闲，节点发送报文；否则节点检测是否需接收信息，然后再重复MAC算法。,LonTalk各层协议及功能,BL值是对当前网络繁忙程度的估计，每一个节点都有一个BL值，当侦测到一个MPDU时或发送一个MPDU时BL加1。同时每隔一个固定报文周期BL减1，把BL值放到MPDU中。当BL值减到1时，就不再减，总是保持1。采用带预测的P坚持CSMA允许网络在轻负载的情况下，插入较少的随机时间片，节点发送速度快。而在重负载的情况下，随着BL值的增加，插入较多的随机时间片，又能有效避免碰撞。,LonTalk各层协议及功能,LonWorks的MAC子层有以下的优点：支持多介质的通信，支持低速率的网络，可以在重负载的情况下保持网络性能，保证在过载情况下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。,LonTalk各层协议及功能,在MAC层中，为提高紧急事件的响应时间，提供了一个可选择的优先级的机制。如图所示，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(PrioritySlot)。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。,优先级带预测的P坚持CSMA概念示意图,LonTalk各层协议及功能,优先级时间片是从0127，0表示不需要等待立即发送，1表示等待一个时间片，127表示等待127个时间片，低优先级的节点需等待较多的时间片，而高优先级的节点等待较少的时间片。这个时间片加在P预测时间片之前，非优先级的节点必须等待优先级时间片都完成之后，才再等待P预测时间片后发送，因此加入优先级的节点总比非优先级的节点具有更快的响应时间。,LonTalk各层协议及功能,(2)链路层链路层确保链路层数据单元(LPDU，LinkProtocolDataUnit)的数据在子网内顺序无响应传输。它提供错误检测，但不提供错误恢复，当一帧数据CRC效验错，该帧被丢掉。在直接互连模式下，物理层和链路层接口的编码是曼切斯特编码。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效验码加在网络层数据单元(NPDU，NetworkProtocolDataUnit)帧的最后。CRC采用的多项式是X16X12X5+1(标准CCITTCRC16编码)。,LonTalk各层协议及功能,3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、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、路由器机制。,LonTalk各层协议及功能,(1)LonTalk协议的网络地址结构地址是一个对象或一组对象的特有标识，是可以改变的。LonTalk地址唯一地确定一个LonTalk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，LonTalk协议定义了分级的网络地址形式：域(Domain)、子网(Subnet)和节点(Node)地址。除此之外，还有组地址。,LonTalk各层协议及功能,1)域(domain)地址：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。,LonTalk各层协议及功能,不同应用的节点共同存在同一个通信介质中(如无线电)，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。例如，两个相邻的建筑物在同一信道上，并且建筑物使用的网络节点装备有同一频率的无线射频收发器，为了避免这些节点所运行的应用程序的相互干扰，每个建筑物内的节点可以被配置为分属不同的域。域地址用域标识符ID来表示，域标识符ID可以分为0、1、3或6个字节。域标识符是惟一的。,LonTalk各层协议及功能,2)子网(Subnet)地址：一个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127个节点，一个域最多可有255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。,LonTalk各层协议及功能,3)节点(Node)地址：节点地址是节点被赋予的所属子网内的惟一的节点标识码。节点的标识码为7位，所以每个子网最多可以有127个节点。一个域中最多可以有32385个节点(255127)。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)，也容许一个节点将采集来的数据分别发向两个不同的域。,LonTalk各层协议及功能,4)组(Group)地址：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64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15个组，一个域最多可以有256个组。组地址的长度为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。,LonTalk各层协议及功能,5)芯片(NeuronID)地址：每一个神经元芯片有一个独一无二的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，这个ID码是惟一的。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NeuronID寻址。,LonTalk各层协议及功能,(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。LonTalk规定一个通道至多有32385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)来连接的。这样做不仅可以实现多介质在同网络上的连接，而且可以使一个通道的网络信道不致过于拥挤。,LonTalk各层协议及功能,尽管NeuronID也可以作为地址但它不能作寻址的惟一方式。这是因为该寻址方式只支持一对一的传输，使用其作为地址将需要过于宠大的节点路由表以优化网络流量。域/NeuronID寻址方式是在网络安装期间对节点进行初始配置时，由网络管理工具将每个节点配置给一个或两个域，并且配置子网和节点标识码。,LonTalk各层协议及功能,节点有五种寻址方式。寻址格式确定了地址格式的字节数。每种寻址格式的字节数见表。在每一种地址格式子网上，“0”意味着节点不知道其子网号。注意，在计算整个地址长度时，应在表中给出的地址长度基础上再加上域地址长度(该域地址长度范围为06个字节)。,LonTalk协议的传输层和会话层,LonTalk协议的核心部分是传输层和会话层。一个传输控制子层管理着报文执行的顺序、报文的二次检测。传输层是无连接的，它提供1对1节点、1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，它通过节点的连接来进行远程数据服务(RemoteServers)，因此使用该机制可以遥控实现远端节点的过程建立。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/应答机制来完成的。,LonTalk协议的传输层和会话层,LonTalk协议提供了：应答方式(Acknowledge)、请求/响应方式(Request/response)、非应答重发方式(UnacknowledgedRepeated)、非应答方式(Unacknowledged)，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，其他三种都在传输层实现。,LonTalk协议的传输层和会话层,应答方式(Acknowledge)，或者是端对端(EndtoEnd)的应答服务，这是最可靠的服务方式。当一个节点发送报文到另一个节点或一个分组，每一个接收到报文的节点都分别向发送方应答，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。报文应答服务是由神经元芯片的网络处理器(NetworkProcessor)完成的，不必由应用程序来干预。报文传输号用于跟踪报文和应答信号，确保节点不会收到重复的报文。,LonTalk协议的传输层和会话层,请求/响应方式(Request/Response)与应答方式有相同的可靠性。当一个节点发送报文到另一个节点或一个分组，每一个接收到报文的节点都分别向发送方响应，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(ApplicationProcessor)完成的，适合远程过程调用和客户服务器方式的应用。,LonTalk协议的传输层和会话层,非应答重发方式(UnacknowledgedRepeated)是一种比较可靠的方式。当一个节点发送报文到另一个节点或一个分组时，不需要每一个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，使报文尽量可靠地被接收方收到。这种方式适合于节点较多的分组广播发送，从而避免因节点响应或应答而使网络过载。,LonTalk协议的传输层和会话层,非应答方式(Unacknowledged)是最不可靠的一种方式。当一个节点发送报文到另一个节点或一个分组时，不需要每一个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，只发一次即可。这种方式适合对可靠性要求不高，对报文丢失不敏感，但需要速度较高、报文长度较长的应用场合。,LonTalk协议的表示层和应用层,LonTalk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他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。LonTalk协议的表示层和应用层提供五类服务。,LonTalk协议的表示层和应用层,(1)网络变量的服务网络变量是LonTalk协议中表示层的数据项，网络变量可以是单个的数据项(NeuronC变量)，也可以是一个数据结构或数组，其最大长度可达31个字节。网络变量用关键字Network在应用程序中定义，每个网络变量都有其数据类型。,LonTalk协议的表示层和应用层,(1)网络变量的服务对于基于神经元芯片的节点来说，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应用层协议数据单元(APDU)下传并发送，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。当收到信息时，能根据上传的APDU判断是否是网络变量，以及是哪一个输入网络变量并激活相应的处理进程。,LonTalk协议的表示层和应用层,(2)显示报文的服务将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和数据组成APDU下传并发送，将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程。当收到信息时，能根据上传APDU判断是否显示报文，并根据报文代码激活相应的处理进程。,LonTalk协议的表示层和应用层,(3)网络管理的服务一个LonWorks网络是否需要一个网络管理节点，取决于实际应用的需求。一个网络管理节点具有以下功能：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，值得注意是NeuronID是不能分配的)，设置配置路由器的配置表。,LonTalk协议的表示层和应用层,(4)网络跟踪的服务网络跟踪提供对节点的查询和测试。查询节点的工作状态以及一些网络的通信的错误统计，包括通信CRC效验错、通信超时等；发送一些测试命令来对节点进行测试。这些信息被网络管理初始化，测试网络上所有的操作，记录错误信息和错误点。(5)外来帧传输的服务该服务主要针对网关(Cateway)，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。,神经元芯片,神经元芯片是LonWorks技术的核心。主要包含MC143150和MC143120两大系列。MC143150芯片无内部ROM，但拥有访问外部存储器的接口，寻址空间可达64kB，适合更为复杂的应用；而MC143120则不支持外部存储器，它本身带有ROM存储器。,四种型号的神经元芯片,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。其内部结构图如图所示。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。图为三个处理器和存储器结构的框图。,神经元芯片内部结构示意图,芯片内三个处理器和存储器结构图,神经元芯片的结构,MAC通信处理器完成介质访问控制(MediaAccessControl)，也就是ISO的OSI七层协议的第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的第3-6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。,神经元芯片的结构,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凋用。在神经元芯片中，每个CPU都有自身的寄存器组，但所有的CPU都可以通过使用存储器和算术逻辑单元ALU共享数据。,神经元芯片的存储器,(1)E2PROM各种类型的神经元芯片都有内部E2PROM，其用于存储网络配置和寻址信息、惟一的48位神经芯片标识码、用户应用程序代码和常用数据。E2PROM中的用户代码在程序控制下写入和擦除，两者的总时间是20ms/Byte，可以在数据不丢失情况下，向E2PROM写入10000次。3120神经元芯片的E2PROM存储安装详细信息(网络地址和通信参数等)和由LonBuilder或NodeBuilder开发工具产生的应用程序；3150神经元芯片的E2PROM存储安装详细信息及其应用程序代码，其应用程序代码也可存储到外接存储器。,神经元芯片的存储器,(2)RAMRAM用来存储堆栈段应用和系统数据，以及LonTalk协议网络缓冲区和应用缓冲区数据。只要神经元芯片维持加电状态，RAM状态就会保持(甚至在睡眠(Sleep)方式下)，当芯片复位(Reset)时，RAM内容清除。(3)ROM所有3120神经元芯片包括10kB的ROM，3150芯片无ROM。ROM用来存储神经元芯片固件，包括LonTalk协议、事件驱动任务调度器、应用函数库。,神经元芯片的存储器,(4)外部存储器3150芯片不包括片上ROM，但可以允许寻址59392个字节的外部存储器。外部存储器存储应用程序和数据(可多达43008个字节)，神经元芯片固件和保留空间(16384个字节)，其中43008个字节中也可包括网络缓冲区和应用缓冲区。3120芯片和3150芯片的存储器结构如图所示：,3120芯片存储映像3150芯片存储映像,输入输出,在一个控制单元中需要有采集和控制的功能，为此在神经元芯片上特设置11个I/O口，即IO0IO10。这11个I/O口可根据不同的需求进行灵活配置，便于同外围设备进行接口，如可配置成RS232、并口、定时/计数I/O、位I/O等。,输入输出,根据不同外部设备I/O的要求，采用NeuronC语言，编程人员可以定义一个或多个引脚作为输入/输出对象，灵活地配置输入/输出方式。用户程序可通过“io_in()”和“io_out()”系统调用来访问这些I/O对象，并在程序执行期间完成输入/输出操作。IO4IO7均有上拉电流源供选择并用做上拉电阻，应用程序中若使用编译器指令(Pragmaenable_io_pullups)则上拉电阻有效。IO0IO3均有20mA(0.8V)的电流吸收能力(HighCurrentSink)，其他引脚电流吸收能力为标准值1.4mA(0.4V)。IO0IO7具有低电平检测锁存器。,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，其次是电力线，其他包括：无线射频、红外线、光纤、同轴电缆等。下表列出了几种典型的收发器类型。,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案和不同的波特率。这三种模式是：单端模式(Single-Ended-Mode)、差分模式(DifferentialMode)和专用模式(SpecialPurposeMode)。,单端模式,单端模式是在LON总线中使用最广泛的一种模式，无线、红外、光纤和同轴电缆都使用该模式。单端模式的通信口配置如图所示。,单端模式,数据通信是通过单端输入输出管脚CP0和CP1。该模式还包含低有效的睡眠输出(CP3)，当神经元芯片进入睡眠状态时，它可使收发器进入掉电状态。在单端模式下，数据编码和解码使用的是差分曼彻斯特编码。,数据帧结构,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所示。采用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，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。,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，重新解码，然后送到神经元芯片。,定时计数器,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IO4IO7四个I/O中选择一个，输出可连至IO0。定时/计数器2称为专用定时/计数器，它的输入是IO4，输出是IO1。每个定时/计数器包括可以被CPU写入的16位装入寄存器、16位计数器和可以被CPU读出的16位锁存器。神经元芯片定时/计数器外部连接如图所示。,神经元芯片内硬件定时/计数器,时钟系统、睡眠唤醒机制,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为625kHz10MHz(625kHz是对于低电压神经元芯片来说的)。神经元芯片可以通过软件设置进入低电压的睡眠状态；在这种模式中，系统时钟、使用的程序时钟和计数器关闭，但是使用的状态信息(包括神经元芯片的内部RAM)被保留。当输入有如下的转换时，其中包括：I/0管脚的输入(可屏蔽)、IO4-IO7、Service管脚信号、通信端口(可屏蔽)、差分模式CP0或CP1、单端模式CPO、专用模式CP3，正常的系统操作被恢复。,Service引脚,Service引脚是神经元芯片里的一个非常重要的引脚，在节点的配置、安装和维护的时候都需要使用该引脚。该引脚既能输入也能输出。输出时，Service引脚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1/2Hz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NeuronID的网络管理消息。,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定时器的复位周期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。,Watchdog定时器,神经元芯片支持节电方式，在这种节电方式下系统时钟和计数器关闭，但是状态信息，包括RAM中的信息不会改变，一旦I/O状态变化，或网络上信息有变，系统便会激活神经元芯片。它的内部还有一个最高1.25Mbit/s的独立于介质的收发器。由此可见在一个小小的神经元芯片中，不仅具有强大的通信功能，更集采集控制于一体。在某些情况下一个神经元芯片加上几个分离元件便可成为一个DCS系统中独立的控制单元。,应用I/O接口,(1)位输入(BitInput)IO0IO10引脚可以分别地设置为单个位输入端口。这些输入可用于传送来自外部逻辑点TTL电平兼容的逻辑信息，并且在应用程序控制下可以动态地在输入和输出之间改变位端口信号方向。(2)位输出(BitOutput)IO0IO10引脚可以分别地设置为单个位输出端口。这些输出可以用来驱动外部CMOS电子兼容的逻辑、开关管、继电器和显示灯等。IO0-IO3的输出大电流能使这些引脚直接驱动许多I/O设备。在应用程序控制下，可以动态地在输入和输出之间改变位端口的信号方向。,应用I/O接口,(3)字节输入(ByteInput)IO0IO7引脚可以设置为字节输入口，用于读取0225的整数，该对象可作为某输出ASCII码设备，或一次输出8位数据的设备接口。字节端口方向可以在应用程序控制下动态地在输入和输出之间改变。(4)字节输出(ByteOutput)IO0IO7引脚可设置为字节输出口。该对象可用于驱动需要ASCII数据的设备，或一次输入8位数据的设备。字节端口方向可以在应用程序的控制下动态地在输入和输出之间改变。,应用I/O接口,(5)电平检测输入(LevelDetectInput)IO0IO7中的任一引脚可设置为电平检测输入。这些对象可以捕获输入引脚上信号从逻辑高到逻辑低的变化瞬间。这时应用程序可以检测到会被软件检测丢失的窄脉冲(如在神经元芯片输入时钟为10MHz时，能捕获的负脉冲宽度是200ns)。,应用I/O接口,(6)半字节输入(NibbleInput)IO0IO7之间的任意4个连续引脚组可以配置为半字节输入端口，即可读取0-15范围内的整数。该对象可用于与输出BCD码，或其他同时输出4位码的设备的接口，并且可以在应用程序控制下动态地改变引脚的输入输出方向。(7)半字节输出(NibbleOutput)IO0IO7之间的任意4个连续引脚组可以配置为半字节输出端口。该对象可用于驱动需要BCD码的设备。并且可以在应用程序控制下动态地改变引脚的输入输出方向。,应用I/O接口,(8)多总线I/O(MuxbusInput/Output)多总线I/O对象提供神经元芯片与它所连接的外围设备或处理器之间的并行数据传输。与并行I/O对象不同的是，多总线I/O对象利用令牌传递确保同步。多总线I/O使神经元芯片任何时刻均对读写进行控制，这种特性减轻了连接设备的协议控制负担。多总线I/O对象使用IO0IO7作为并行数据传输(双向)，IO8IO10作为读写控制输出信号。,应用I/O接口,(9)并行I/O(ParallelInput/Output)IO0IO10可以配置为一个双向8位数据端口和连接外部处理器的3位控制线。外部处理器可以是计算机、微控制器或另一个网关应用的神经元芯片。神经元芯片的并行接口可以被设置为主控、被控A或被控B模式。在任何情况下，IO0IO7引脚用做8位双向数据总线。当工作在主控方式下，IO8为低电平并作为片选信号，IO9用来产生读(高电平)或写(低电平)周期控制信号，而IO10为握手确认信号。,应用I/O接口,(9)并行I/O(ParallelInput/Output),应用I/O接口,(10)位移输入(BitshiftInput)若干相邻的引脚可以设置为串行输入，且序号低的引脚被用做时钟(由神经元芯片驱动)，序号高的引脚用于16位串行数据传输。也就是说，IO0，IO1、IO2，IO3、IO4，IO5、IO6，IO7和IO8，IO9可以分别作为位移输入对，其中IO0、IO2、IO4、IO6和IO8向外设提供时钟，奇数引脚输入串行数据。位传输率可设置为1、10或15kB/s(当输入时钟为10MHz)，这个对象可由具有移位寄存器的外部逻辑传输数据。,应用I/O接口,(11)位移输出(BitshiftOutput)若干相邻的引脚可以设置为串行输出，且序号低的引脚为时钟，序号高的引脚用于重6位串行数据输出。也就是说，IO0，IO1、IO2，IO3、IO4，IO5、IO6，IO7和IO8，IO9可以分别作为位移输出对，其中IO0、IO2、IO4、IO6和IO8向外设提供时钟，奇数引脚输出串行数据。位传输率可设置为1、10或15kB/s(当输入时钟为10MHz)，这个对象可由具有移位寄存器的外部逻辑输出数据。,应用I/O接口,(12)I2C输人/输出(I2CInput/Output)I2C输入/输出对象可作为神经元芯片和遵循Philips半导体交互集成电路(I2CInter-IntegratedCircuit)总线协议设备的接口。神经元芯片作为主处理器，其IO8为时钟线(由神经元芯片驱动)，IO9为双向串行数据线，一次可传输255个字节数据。输入/输出线用开放链模式控制以满足I2C协议的特定需求。,应用I/O接口,(13)磁卡输入(MagcardInput)该I/O对象用于实时转换来自IS07811Track2磁卡阅读I/O的同步串行数据。IO8引脚作为时钟信号输入；IO9作为数据信号输入；IO0IO7的任一个引脚可作为时间溢出信号引脚，解除在输入过程中不正常中断情况下输入位流引起的死锁，该引脚输入信号可以是来自磁卡阅读器的“data-valid。,应用I/O接口,(14)磁卡跟踪输入(MagtrackInput)该输入对象读取来自IS03554磁卡阅读的同步串行数据，IO8引脚为时钟输入信号；IO9为数据信号输入；IO0IO7中的任一个引脚为指定的时间溢出信号引脚，以解除因输入位流不正常中断而出现的死锁。该引脚输入信号可以是来自磁卡阅读器的“data-invalid”。,应用I/O接口,(15)串行全双工传输(NeurowireInput/Output)IO8IO10引脚可以设置为串行双向端口。Neuro-wire对象可配置为两种模式：主控模式和被控模式。,应用I/O接口,在Neurowire主控模式下，IO8为时钟信号，IO9为串行数据输出，IO10为串行数据输入，IO9和IO10的数据输出/输入在时钟控制下保持同步。神经元芯片可实现与外设之间的同步全双工串行通信。IO0IO7引脚的任一个作为可选端，允许多个Neurowire设备连接到LON总线。时钟速率可以为1、10或20kB/s(当输入时钟为10MHz)。在Neurowire被控模式下，IO8是由外部主控制器驱动的时钟端，IO9为串行数据输出，IO10是串行数据输入。IO0IO7中的任一端可被指定为时间溢出引脚。在主控和被控方式下，每次都可以传输多达255位数据。Neurowire对象可用于如A/D，D/A转换器的外部设备以及显示器等。,应用I/O接口,(16)串行输入(SerialInput)IO8引脚可定义为异步串行输入端。当输入时钟速率为10MHz时，串行输入的比特率可以分别指定为600、1200、2400或4800bit/s，比特率正比于输入时钟速率。帧格式固定为1个起始位、8个数据位和1个停止位，并且一次可传输多达255个字节。IO8工作在半双工方式，任一时刻的IO8可以是输入操作，也可以是输出操作。串行输入对象可以实现半双工的EIA-232(RS-232)通信，如数据终端、Modem或计算机等。,应用I/O接口,(17)串行输出(SerialOutput)IO10引脚可定义为异步串行输出端。当输入时钟频率为10MHz时，串行输出的比特率可以分别为600、1200、2400和4800bit/s，比特率正比于输入时钟频率。帧格式固定为1个起始位、8个数据位和1个停止位，并且一次可传输多达255个字节。任一时刻的IO10可以作为输入操作或输出操作。该对象可用于串行传输设备，例如终端、调制解调器和计算机串行接口。,应用I/O接口,(18)触点I/0(TouchInput/Output)触点I/0对象便于连接且遵循Dallas半导体公司开发的被控设备。利用神经元芯片的IO0IO7，可以连接到8位触点存储器总线，一次传输的最大数据量是255个字节。(19)Wiegand输入(WiegandInput)该输入对象提供了支持Wiegand标准的任何磁卡阅读器的接口。来自阅读器的数据可通过IO0IO7引脚中任何相邻两个引脚连接到神经元芯片，一个神经元芯片可以最多连接4个阅读器设备。,应用I/O接口,(20)双积分输入(DualslopeInput)双积分输入对象用一个定时器/计数器控制和度量双斜率积分式A/D转换器的积分周期。该定时器/计数器提供控制输出信号(IO0、IO1)并输入比较器的输入信号(IO4IO7)，输出信号控制一个在未知输入电压和参考电压之间转换的模拟开关，如图所示。该定时器/计数器的输入引脚由外部比较器比较积分输出与参考电压的差值驱动，比较器的高电平输入表示A/D转换的结束。,应用I/O接口,(20)双积分输入(DualslopeInput),应用I/O接口,(21)边沿记录输入(EdgelogInput)边沿输入对象可以度量输入脉冲连续为低电平或高电平的周期，并将其存储在用户定义的存储单元，其存储数值表示两个输入信号边沿的时钟周期数。这个对象可用于分析一个任意宽度的输入脉冲，例如UPC条形码阅读器或红外线接收器。边沿输入对象使用IO4引脚输入位流。,应用I/O接口,(22)红外输入(InfraredInput)红外输入对象用于读取由一系列红外远程控制设备产生的数据流，该对象的输入来自红外接收器电路解调的位流。On/Off时间周期决定了数据位的值，即较短的周期表示1，较长的周期表示0。On/Off的实际阀值是在函数调用时确定的，它基于输入数据流的红外线输入对象产生包括所接收的位流值的缓冲区，红外线输入对象通过引脚IO4IO7输入数据流。,应用I/O接口,(23)脉冲输入(OntimeInput)定义脉冲输入对象，神经元芯片可用做简单的A/D转换器。它可以测量输入引脚输入的正沿或负沿的持续时间(使用IO0IO7任一引脚)。(24)周期输入(PeriodInput)定时/计数器可以测量从输入信号(IO4IO7)的上升沿或下降沿到下一个对应沿之间的周期，周期输入对象可以测量输入信号的实时频率，即构成一个简单的A/D转换电路。,应用I/O接口,(25)脉冲计数输入(PulseCountInput)(26)正交输入(QuadratureInput)(27)总计数输入(TotalCountInput)(28)分频输出(EdgeDivideOutput)(29)频率输出(FrequencyOutput),应用I/O接口,(30)单稳输出(OneShotOutput)(31)脉冲计数输出(PulseCountOutput)(32)脉宽输出(PulseWidthOutput)(33)触发输出(TriacOutput)(34)触发计数输出(TriggeredCountOutput),