LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)介紹

一、LonWorks的神經(jīng)元芯片

　　LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)。該芯片內部裝有3個(gè)微處理器:MAC處理器完成介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制;網(wǎng)絡(luò )處理器完成OSI的3～6層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議;應用處理器完成用戶(hù)現場(chǎng)控制應用。它們之間通過(guò)公用存儲器傳遞數據。

　　在控制單元中需要采集和控制功能,為此,神經(jīng)元芯片特設置11個(gè)I/O口。這些I/O口可根據需求不同來(lái)靈活配置與外圍設備的接口,如RS232、并口、定時(shí)/計數、間隔處理、位I / O等。

　　神經(jīng)元芯片還有一個(gè)時(shí)間計數器,從而能完成Watchdog、多任務(wù)調度和定時(shí)功能。神經(jīng)元芯片支持節電方式,在節電方式下系統時(shí)鐘和計數器關(guān)閉,但狀態(tài)信息(包括RAM中的信息) 不會(huì )改變。一旦I/O狀態(tài)變化或網(wǎng)線(xiàn)上信息有變,系統便會(huì )激活。其內部還有一個(gè)最高1.25 M bps、獨立于介質(zhì)的收發(fā)器。由此可見(jiàn),一個(gè)小小的神經(jīng)元芯片不僅具有強大的通信功能, 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系統中一個(gè)獨立的控制單元。

二、完善的開(kāi)發(fā)平臺

　　LonWorks提供的不僅僅是一套高性能的神經(jīng)元芯片,更重要的是,它提供了一套完整的開(kāi)發(fā)平臺。工業(yè)現場(chǎng)中的通信不僅要將數據實(shí)時(shí)發(fā)送、接收,更多的是數據的打包、拆包、流量處理、出錯處理。這使控制工程師不得不在數據通信上投入大量精力。LonWorks在這方面提供了非常友好的服務(wù),提供了一套完整的建網(wǎng)工具——LonBuild。

　　首先,它提供了一套C語(yǔ)言的編譯器,從而大大減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間。在這個(gè)編譯器中,提供了對11個(gè)I/O非常詳盡的庫函數。在通信方面,它也提出了一個(gè)全新的概念——網(wǎng)絡(luò )變量。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量,網(wǎng)絡(luò )上的通信只需將相關(guān)節點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò )變量連接一下即可。網(wǎng)絡(luò )變量是應用程序定義的一個(gè)特殊靜態(tài)變量,可以是ANSI C所定義的各種類(lèi)型,也可以是自定義類(lèi)型,還可以規定優(yōu)先級、響應方式等。網(wǎng)絡(luò )變量被定義為輸入或輸出,當定義為輸出的網(wǎng)絡(luò )變量被賦予新值時(shí),與該輸出變量相連的輸入網(wǎng)絡(luò )變量就會(huì )被立刻賦予同樣的新值。

　　另外,LonBuild還集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和編譯于一體,具備C調試器,可在多個(gè)仿真器上調試應用程序,并具備網(wǎng)絡(luò )協(xié)議分析和通信分析的功能。

三、LonTalk:面向對象的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議

　　LonTalk是LonWorks的通信協(xié)議,固化在神經(jīng)元芯片內。LonTalk局部操作網(wǎng)協(xié)議是為L(cháng)onWo r ks中通信所設的框架,支持ISO組織制定的OSI參考模型的7層協(xié)議,并可使簡(jiǎn)短的控制信息在各種介質(zhì)中非?？煽康貍鬏??！　?br />　　LonTalk協(xié)議是直接面向對象的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議,具體實(shí)現即采用網(wǎng)絡(luò )變量的形式。又由于硬件芯片的支持,使它實(shí)現了實(shí)時(shí)性和接口的直觀(guān)、簡(jiǎn)潔等現場(chǎng)總線(xiàn)的應用要求。

　　1.LonTalk MAC的特點(diǎn)

　　介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)子層是OSI參考模型的數據鏈路層的一部分。目前在不同的網(wǎng)絡(luò )中存在多種介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議,其中之一就是大家熟悉的CSMA(載波信號多路偵聽(tīng))。LonTalk正是使用該協(xié)議,但具有自己的特色。

　　CSMA協(xié)議要求一個(gè)節點(diǎn)在發(fā)送數據前偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )是否空閑。一旦監測到線(xiàn)路空閑后,不同的協(xié)議動(dòng)作不同。這樣在重負載的情況下,不同協(xié)議的執行結果不同。例如,Ethernet采用CSM A /CD協(xié)議,一旦檢測到碰撞,采用避讓算法,這種方法在重負載時(shí)導致網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)傳輸率變得極低。另一些CSMA協(xié)議使用時(shí)間片規則去訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì),使節點(diǎn)在限制的時(shí)間片訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì),這樣可以大大減少兩個(gè)數據報發(fā)生碰撞的可能性。P-堅持CSMA和LonTalk的CSMA就是使用時(shí)間片去訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì)。

　　LonTalk協(xié)議使用一個(gè)改進(jìn)的CSMA介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議,稱(chēng)為預測的P-堅持CSMA。LonTa lk協(xié)議在保留CSMA協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),注意克服它在控制中的不足。目前存在的MAC協(xié)議(如IEEE 802.2、802.3、802.4、802.5)都不能在重負載下很好地保持網(wǎng)絡(luò )高效率、支持大網(wǎng)絡(luò )系統和多通信介質(zhì)。

　　如果有很多網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)等待網(wǎng)絡(luò )空閑,一旦網(wǎng)絡(luò )空閑,這些節點(diǎn)都會(huì )馬上發(fā)送報文而產(chǎn)生碰撞。它們產(chǎn)生碰撞后會(huì )后退一段時(shí)間,假如這段時(shí)間相同,就會(huì )發(fā)生重復碰撞,這將使網(wǎng)絡(luò )效率大大降低。在預測的P-堅持CSMA中,所有LonWorks節點(diǎn)等待隨機時(shí)間片間隔訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì), 這就避免了以上情況的發(fā)生。在LonWorks中,每個(gè)節點(diǎn)發(fā)送前隨機插入1～16個(gè)很小的隨機時(shí)間片。在空閑網(wǎng)絡(luò )中,每個(gè)節點(diǎn)發(fā)送前平均插入8個(gè)隨機時(shí)間片。

　　在P-堅持CSMA中,當一個(gè)節點(diǎn)有信息需要發(fā)送時(shí)并不立即發(fā)送,而是等待一個(gè)概率為 P的隨機時(shí)間片。而LonTalk協(xié)議可根據網(wǎng)絡(luò )負載動(dòng)態(tài)調整P值。時(shí)間片的增加通過(guò)一個(gè)N值,插入的隨機時(shí)間片為N×16,這個(gè)N值的取值范圍是1～63。LonTalk稱(chēng)N為網(wǎng)絡(luò )積壓的估計值,是對當前發(fā)送周期有多少個(gè)節點(diǎn)有報文需要發(fā)送的估計。LonTalk協(xié)議根據網(wǎng)絡(luò )積壓動(dòng)態(tài)地調整介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn),允許網(wǎng)絡(luò )在輕負載情況下用較短的時(shí)間片,在重負載情況下用較長(cháng)的響應時(shí)間片。

　　對照實(shí)驗表明,36個(gè)LonWorks節點(diǎn)互聯(lián),采用一般P-堅持算法,當每秒要傳輸的報文達500 ～1000包時(shí),碰撞率從10%上升到54%;而采用預測的P-堅持算法,在500包以下時(shí)碰撞率與前者相當,在500～1000包時(shí)穩定在10%。

　　對所有令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò ),LonTalk具有對多介質(zhì)的支持,但這些介質(zhì)必須在總線(xiàn)上具有環(huán)的結構 ,令牌在這個(gè)環(huán)線(xiàn)上輪巡。這對使用電力線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)電作為介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò )顯然不可行,因為網(wǎng)上所有節點(diǎn)幾乎能同時(shí)收到令牌。同時(shí),令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò )還需增加令牌丟失時(shí)的恢復機制、令牌快速應答機制,這些都增加了硬件上的開(kāi)銷(xiāo),使網(wǎng)絡(luò )成本增加。

　　對令牌總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),LonTalk在令牌中加入網(wǎng)絡(luò )地址,從而在物理總線(xiàn)上建立一個(gè)邏輯環(huán)的結構,使令牌在這個(gè)邏輯環(huán)上輪巡。但是,在低速網(wǎng)絡(luò )中令牌輪巡時(shí)間變得很長(cháng)。另外,令牌總線(xiàn)在有節點(diǎn)上網(wǎng)或下網(wǎng)時(shí)都會(huì )發(fā)生網(wǎng)絡(luò )重構。在電池供電的系統中,會(huì )因經(jīng)常休眠和喚醒而導致網(wǎng)絡(luò )上下網(wǎng)時(shí)頻繁重構;在惡劣的環(huán)境中,常會(huì )發(fā)生令牌丟失而導致網(wǎng)絡(luò )重構。這些網(wǎng)絡(luò )重構會(huì )大大降低網(wǎng)絡(luò )的效率。同時(shí),由于網(wǎng)絡(luò )地址的限制,每個(gè)網(wǎng)絡(luò )至多只有255個(gè)節點(diǎn)。

　　我們常用的CSMA/CD(如Ethernet),在輕負載情況下具有很好的性能;在重負載情況下, 過(guò)多的碰撞使網(wǎng)絡(luò )效率變得極低。

　　目前,在現場(chǎng)總線(xiàn)中還有一種十分流行的網(wǎng)絡(luò )——CANbus。它采用無(wú)主結構,這一點(diǎn)大大優(yōu)于Bitbus。其MAC層上的管理很有特色。它也采用CSMA方式,但將網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級,采用支配位(0)和避讓位(1)、以及總線(xiàn)回讀的方法實(shí)現非破壞性總線(xiàn)仲裁。即當兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò )傳遞信息時(shí),優(yōu)先級低的節點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送,而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳輸,這可以有效地避免總線(xiàn)碰撞。但是,這要求網(wǎng)絡(luò )一定要同步,這對多介質(zhì)的情況顯然不適用。另外,對各節點(diǎn)不太需要優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò ),由于不得不定義一個(gè)優(yōu)先級,因而當網(wǎng)絡(luò )通信較繁忙時(shí),有些優(yōu)先級低的節點(diǎn)可能很長(cháng)時(shí)間不能發(fā)送信息。因此,Canbus較適合介質(zhì)單一、節點(diǎn)數目較少的小網(wǎng)絡(luò )。

　　綜上所述,Lon的MAC子層具有以下優(yōu)點(diǎn):支持多介質(zhì)的通信,支持低速率的網(wǎng)絡(luò ),可在重負載情況下保持網(wǎng)絡(luò )性能,支持大型網(wǎng)絡(luò )。

　　2.LonTalk對優(yōu)先級的支持

　　在LonWorks網(wǎng)絡(luò )中,為提高緊急事件的響應時(shí)間,提供了一個(gè)可選擇的優(yōu)先級機制。該機制允許用戶(hù)為每個(gè)需要優(yōu)先級的節點(diǎn)分配一個(gè)特定的優(yōu)先級時(shí)間片,并保證有且只有一個(gè)節點(diǎn)擁有這樣的優(yōu)先級時(shí)間片。在發(fā)送過(guò)程中,優(yōu)先級數據報將在該時(shí)間片內把數據報發(fā)送出去。優(yōu)先級時(shí)間片為0～127,0是不需等待立即發(fā)送,1是等待1個(gè)時(shí)間片,2是等待2個(gè)時(shí)間片 ,依此類(lèi)推。低優(yōu)先級的節點(diǎn)需等待較多的時(shí)間片,而高優(yōu)先級的節點(diǎn)需等待較少的時(shí)間片 ,這個(gè)時(shí)間片加在P-概率時(shí)間片之前。非優(yōu)先級的節點(diǎn)必須等待優(yōu)先級時(shí)間片都完成后, 再等待P-概率時(shí)間片后發(fā)送。因此,加入優(yōu)先級的節點(diǎn)總比非優(yōu)先級的節點(diǎn)有更快的響應時(shí)間。