(海思研發(fā)中心提供)
信息技術(shù)的快速發(fā)展，帶來了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛躍。近年來，測控系統(tǒng)正在向分布式、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。分布式測控系統(tǒng)的關(guān)鍵在于其聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即通常所說的現(xiàn)場總線技術(shù)。目前，常見的現(xiàn)場總線如FF、LonWorks、Profibus、CAN等，這種多種現(xiàn)場總線技術(shù)并存現(xiàn)象將在市場上相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)維持著，并在不同的應(yīng)用領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用。如在樓宇自控、智能家居、軌道交通、船舶控制、能耗監(jiān)測等，美國Echelon公司推出的LonWorks技術(shù)就得到了大量應(yīng)用。LonWorks技術(shù)為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡(luò)提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。
一、LonWorks技術(shù)概述
LON是局部操作網(wǎng)絡(luò)（Local Operating Network）的縮寫。它是由美國Echelon公司研制、于1990年正式公布的現(xiàn)場總線技術(shù)。它滿足了ISO/OSI模型中完整的七層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置，其最高通信速率為1.25Mbps（通信距離不超過130m），最遠(yuǎn)通信距離為2700m（通信速率為78Kbps），節(jié)點(diǎn)總數(shù)可達(dá)32000個(gè)。網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等。
LON總線的信號傳輸采用可變長幀結(jié)構(gòu)。每幀的有效字節(jié)為0～288個(gè)。LonTalk通信協(xié)議被封裝在Neuron神經(jīng)元芯片中。芯片中有3個(gè)8位CPU，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)ISO/OSI模型中的第1層和第2層的功能，為媒體訪問控制處理器；第二個(gè)用于完成3～6層的功能，為網(wǎng)絡(luò)處理器；第三個(gè)對應(yīng)于第7層，為應(yīng)用處理器。芯片中還具有信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。
二、LonWorks技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域
LonWorks技術(shù)最大的應(yīng)用領(lǐng)域在樓宇自控方面，它包括建筑物監(jiān)控系統(tǒng)的所有領(lǐng)域，即出/入口控制、電梯監(jiān)控和能源監(jiān)管、消防、救生、安全、照明、暖通空調(diào)、測量、保安等等。在樓宇自控系統(tǒng)中，LonWorks協(xié)議中的介質(zhì)訪問控制層（MAC層），即七層協(xié)議中的第一、二層已被美國供暖、空調(diào)和制冷工程師學(xué)會（ASHRAE）接納為建筑自動化控制網(wǎng)絡(luò)（BACnet）的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也被美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）制定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所采納。在歐洲，LonWorks協(xié)議被認(rèn)為是歐洲標(biāo)準(zhǔn)CENTC247和CENTC205的一部分。在工業(yè)控制領(lǐng)域，根據(jù)自動化研究協(xié)會（ARC）和風(fēng)險(xiǎn)開發(fā)協(xié)會（VDC）的獨(dú)立研究，LonWorks網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是工業(yè)傳感器和設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)市場的開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者。LonWorks網(wǎng)絡(luò)取消了那些復(fù)雜的配線約束，取消了PLC和PC，將控制分散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上去。在半導(dǎo)體制造工廠、氣體壓縮站、石油儲罐區(qū)、石油和水泵站、印染廠、造紙廠等應(yīng)用領(lǐng)域都占有重要的地位。
世界上有超過半數(shù)的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家安裝了LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)，在通過嚴(yán)格的考察之后，半導(dǎo)體設(shè)備材料國際（SEMI）最后選擇了LonWorks協(xié)議作為半導(dǎo)體生產(chǎn)的傳感器總線標(biāo)準(zhǔn)之一。
美國國家航天航空總署（NASA）控制的AGATE工業(yè)協(xié)會選擇LonWorks協(xié)議作為下一代民用飛行器標(biāo)準(zhǔn)的一部分。
美國鐵路運(yùn)輸聯(lián)盟選擇LON控制網(wǎng)作為將100多萬節(jié)車廂改裝成電控氣動剎車系統(tǒng)的最佳方案。紐約城市運(yùn)輸管理局和新澤西州運(yùn)輸管理局已確定LonWorks網(wǎng)絡(luò)為鐵路車廂控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。世界各地的運(yùn)輸業(yè)公司都正在將LonWorks網(wǎng)絡(luò)用于急救車、活動住房車、鐵道路口信號和柵欄等系統(tǒng)中。
在家電市場，電子工業(yè)協(xié)會（EIA）的集成家用系統(tǒng)（IHS）技術(shù)委員會正在計(jì)劃最終建立一個(gè)基于LonWorks技術(shù)的全新家用控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)EIA709。
在加油站系統(tǒng)中，國際加油站標(biāo)準(zhǔn)論壇（IFSF）已把LonWorks技術(shù)選定為加油站通信標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的加油站使用LonWorks網(wǎng)絡(luò)來控制泵、油罐計(jì)量、電子信號、轎車清洗、付款終端、照明、保安和制冷等服務(wù)。
由此可見，LonWorks技術(shù)已深入到很多領(lǐng)域，在新一代自動化控制系統(tǒng)中占有重要的地位。
三、LonWorks開放性給用戶提供了選擇權(quán)
LonWorks技術(shù)具有很好的開放性，符合LonMark標(biāo)準(zhǔn)的不同制造商的產(chǎn)品可在同一網(wǎng)絡(luò)上協(xié)調(diào)工作。技術(shù)的開放性最大限度的降低了可能的壟斷利潤，使用戶花更少的錢，選用各制造商更合適的產(chǎn)品。這就意味著用戶擺脫了第一家供貨商的限制，甚至在第二期工程中不再選用第一家供貨商的產(chǎn)品，而能與一期工程連接，降低投資風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，將來現(xiàn)有的LonWorks網(wǎng)上可以連接報(bào)警、求助、樓宇自動化等設(shè)備、而無需網(wǎng)絡(luò)投資。當(dāng)然，這些設(shè)備你可以從其它你信賴的制造商那里購買，只要他們的產(chǎn)品符合LonMark標(biāo)準(zhǔn)。這樣的制造商遍及海內(nèi)外，并且LonWorks技術(shù)在中國發(fā)展很快。開放性給客戶帶來了很大的主動權(quán)，而封閉的系統(tǒng)很難與其它公司的產(chǎn)品互連、增加了客戶將來改變產(chǎn)品選型的可能性、減少了投資風(fēng)險(xiǎn)及壟斷售后服務(wù)的高額利潤，從長遠(yuǎn)看減少了客戶的總投資。
四、LON控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢
LonWorks是唯一涵蓋全部三個(gè)層次（Sensor Bus、Device Bus和Field Bus），符合ISO/OSI7層參考模型的現(xiàn)場總線技術(shù)。在一個(gè)多種層次的現(xiàn)場總線產(chǎn)品并存競爭的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，LonWorks兼收并蓄，成為連接過去、包容現(xiàn)在、面向未來的工業(yè)總線技術(shù)。另外，LonWorks技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是無行業(yè)限制。它不是針對某特定應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，所以智能設(shè)備/系統(tǒng)，智能儀器/儀表，智能I/O模塊，智能控制器等等，都可以使用這一技術(shù)。
LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(Neuronchip)，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1、LonWorks技術(shù)的Neuron芯片，同時(shí)具備了通信與控制功能，并且固化了ISO/OSI的全部七層通信協(xié)議，以及34種常見的I/O控制對象。
2、改善了CSMA，LonWorks稱之為PredictiveP-Persistant CSMA。這樣，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重時(shí)，不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
3、LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，稱之為"網(wǎng)絡(luò)變量"。使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡化成為參數(shù)設(shè)置。這樣，不但節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)增加了通信的可靠性。
4、LonWorks技術(shù)的通信的每幀有效字節(jié)可以從0到228個(gè)字節(jié)。
5、LonWorks技術(shù)的通信速度可達(dá)1.25MBps（此時(shí)有效距離為130M）。
6、LonWorks技術(shù)一個(gè)測控網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到32000個(gè)。
7、LonWorks技術(shù)的直接通信距離可以達(dá)到2700m（雙絞線，78KBps）。
8、針對不同的通信介質(zhì)有不同的收發(fā)器和路由器。
四、神經(jīng)元芯片的主要作用
LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)。它是由美國Echelon公司研制的一種集通信、控制、調(diào)度和I／O支持為一體的高級VLSI器件。并只受權(quán)由美國MOTOROLA和日本TOSHIBA公司生產(chǎn)。通過對硬件和固件（firmware）的有機(jī)結(jié)合，芯片可以提供LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要的所有關(guān)鍵功能。即處理所有LonTalk通信協(xié)議消息，傳感信號輸入和控制信號輸出，存儲和安裝指定的參數(shù)及程序，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能等。
神經(jīng)元芯片內(nèi)部含有3個(gè)8位流水線作業(yè)的微處理器（CPU）。其中處理器1＃為介質(zhì)訪問控制處理器（mediaaccesscontrol），它控制LonTalk七層協(xié)議中的第1層物理層和第2層數(shù)據(jù)鏈路層，并可以驅(qū)動通信子系統(tǒng)的硬件來完成沖突避免算法。處理器1＃通過共享存儲器中的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)與處理器2＃通信。處理器2＃為網(wǎng)絡(luò)處理器（network），它控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的第3層到第6層（網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層、會話層和表示層），可完成網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)程、編址、處理事項(xiàng)進(jìn)程、報(bào)文鑒定、軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由尋址等功能。處理器2＃使用共享存儲器中的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)與處理器1＃通信，使用應(yīng)用緩沖區(qū)與處理器3＃通信。處理器3＃為應(yīng)用處理器（application），它實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的第7層應(yīng)用層，執(zhí)行用戶代碼和用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)來進(jìn)行工作，大部分應(yīng)用程序的編程語言為NeuronC。處理器3＃使用共享存儲器中的應(yīng)用緩沖區(qū)與處理器2＃通信。除應(yīng)用層需由用戶編程外，其余6層都由固件來完成。所謂固件就是固化在芯片內(nèi)（或芯片外）ROM中的有關(guān)通信協(xié)議的軟件。用戶可以完全不必關(guān)心網(wǎng)絡(luò)底層的事情，例如網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制等等，這些都由處理器1＃和處理器2＃自動完成。
神經(jīng)元芯片的3個(gè)處理器都擁有自己的寄存器集。同時(shí)共享數(shù)據(jù)和地址ALUs以及存儲訪問電路。每個(gè)CPU的最小周期為3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，每個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期為2個(gè)輸入時(shí)鐘周期，3個(gè)處理器的最小周期之間間隔一系統(tǒng)時(shí)鐘周期，因而每個(gè)處理器在每個(gè)儀器周期（22個(gè)輸入時(shí)鐘周期）內(nèi)可訪問存儲器和ALUs一次。這樣就減少了硬件而并不影響功能。
當(dāng)芯片工作在最大時(shí)鐘頻率（10MHz）時(shí)，外存的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于90ns，隨著輸入時(shí)鐘頻率的降低，對外存響應(yīng)時(shí)間的要求也隨之降低。可選擇的時(shí)鐘頻率有10MHz、5MHz、2.5MHz、1.25MHz、625kHz。必須讓使能時(shí)鐘（enableclock）周期與系統(tǒng)時(shí)鐘周期一致，為輸入時(shí)鐘周期的1／2。當(dāng)數(shù)據(jù)在神經(jīng)元芯片和外存之間傳輸時(shí)，為低，所有存儲器包括內(nèi)部和外部的，都可被任一個(gè)處理器在儀器周期的相應(yīng)階段訪問，存儲總線一次只能被一個(gè)處理器使用。
在神經(jīng)元芯片中有2個(gè)16位的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器單元，其中第一個(gè)字時(shí)器／計(jì)數(shù)器單元輸入可在IO4～I(xiàn)O7中選擇，而輸出在IO0。第二個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器單元輸入在IO4，輸出在IO1。若定時(shí)器／計(jì)數(shù)器只用作輸入信號，則IO0和IO1可作它用。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘和使能輸入可從外部引腳輸入，也可將系統(tǒng)時(shí)鐘分頻后輸入，兩個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率相互獨(dú)立。外部時(shí)鐘的作用可選擇在脈沖的上升沿和下降沿。在控制單元中需要采集和控制功能,為此,神經(jīng)元芯片特設(shè)置11個(gè)I/O口。這些I/O口可根據(jù)需求不同來靈活配置與外圍設(shè)備的接口,如RS232、并口、定時(shí)/計(jì)數(shù)、間隔處理、位I/O等。神經(jīng)元芯片通過5只引腳（CP0～CP4）與各種通信介質(zhì)接口即網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器連接。通信接口可以在3種模式下工作，即單端模式、差分模式和特殊模式。
神經(jīng)元芯片還有一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器,從而能完成Watchdog、多任務(wù)調(diào)度和定時(shí)功能。神經(jīng)元芯片支持節(jié)電方式,在節(jié)電方式下系統(tǒng)時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器關(guān)閉,但狀態(tài)信息(包括RAM中的信息)不會改變。一旦I/O狀態(tài)變化或網(wǎng)線上信息有變,系統(tǒng)便會激活。其內(nèi)部還有一個(gè)最高1.25Mbps、獨(dú)立于介質(zhì)的收發(fā)器。由此可見,一個(gè)小小的神經(jīng)元芯片不僅具有強(qiáng)大的通信功能,更集采集、控制于一體。在理想情況下,一個(gè)神經(jīng)元芯片加上幾個(gè)分離元件便可成為DCS系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立的控制單元。
