LonWorks現(xiàn)場總線介紹

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(nèi)部裝有3個微處理器:MAC處理器完成介質(zhì)訪問控制;網(wǎng)絡(luò)處理器完成OSI的3～6層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;應(yīng)用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應(yīng)用。它們之間通過公用存儲器傳遞數(shù)據(jù)。

　　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/計數(shù)、間隔處理、位I / O等。

　　神經(jīng)元芯片還有一個時間計數(shù)器,從而能完成Watchdog、多任務(wù)調(diào)度和定時功能。神經(jīng)元芯片支持節(jié)電方式,在節(jié)電方式下系統(tǒng)時鐘和計數(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)部還有一個最高1.25 M bps、獨立于介質(zhì)的收發(fā)器。由此可見,一個小小的神經(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,一個神經(jīng)元芯片加上幾個分離元件便可成為DCS系統(tǒng)中一個獨立的控制單元。

二、完善的開發(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發(fā)平臺。工業(yè)現(xiàn)場中的通信不僅要將數(shù)據(jù)實時發(fā)送、接收,更多的是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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語言的編譯器,從而大大減少了開發(fā)時間。在這個編譯器中,提供了對11個I/O非常詳盡的庫函數(shù)。在通信方面,它也提出了一個全新的概念——網(wǎng)絡(luò)變量。通過網(wǎng)絡(luò)變量,網(wǎng)絡(luò)上的通信只需將相關(guān)節(jié)點上的網(wǎng)絡(luò)變量連接一下即可。網(wǎng)絡(luò)變量是應(yīng)用程序定義的一個特殊靜態(tài)變量,可以是ANSI C所定義的各種類型,也可以是自定義類型,還可以規(guī)定優(yōu)先級、響應(yīng)方式等。網(wǎng)絡(luò)變量被定義為輸入或輸出,當(dāng)定義為輸出的網(wǎng)絡(luò)變量被賦予新值時,與該輸出變量相連的輸入網(wǎng)絡(luò)變量就會被立刻賦予同樣的新值。

　　另外,LonBuild還集成開發(fā)環(huán)境和編譯于一體,具備C調(diào)試器,可在多個仿真器上調(diào)試應(yīng)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?qū)ο蟮木W(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(nèi)。LonTalk局部操作網(wǎng)協(xié)議是為LonWo r ks中通信所設(shè)的框架,支持ISO組織制定的OSI參考模型的7層協(xié)議,并可使簡短的控制信息在各種介質(zhì)中非?？煽康貍鬏敗！　?br />　　LonTalk協(xié)議是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議,具體實現(xiàn)即采用網(wǎng)絡(luò)變量的形式。又由于硬件芯片的支持,使它實現(xiàn)了實時性和接口的直觀、簡潔等現(xiàn)場總線的應(yīng)用要求。

　　1.LonTalk MAC的特點

　　介質(zhì)訪問控制(MAC)子層是OSI參考模型的數(shù)據(jù)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)訪問控制協(xié)議,其中之一就是大家熟悉的CSMA(載波信號多路偵聽)。LonTalk正是使用該協(xié)議,但具有自己的特色。

　　CSMA協(xié)議要求一個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前偵聽網(wǎng)絡(luò)是否空閑。一旦監(jiān)測到線路空閑后,不同的協(xié)議動作不同。這樣在重負(fù)載的情況下,不同協(xié)議的執(zhí)行結(jié)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(fù)載時導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳輸率變得極低。另一些CSMA協(xié)議使用時間片規(guī)則去訪問介質(zhì),使節(jié)點在限制的時間片訪問介質(zhì),這樣可以大大減少兩個數(shù)據(jù)報發(fā)生碰撞的可能性。P-堅持CSMA和LonTalk的CSMA就是使用時間片去訪問介質(zhì)。

　　LonTalk協(xié)議使用一個改進(jìn)的CSMA介質(zhì)訪問控制協(xié)議,稱為預(yù)測的P-堅持CSMA。LonTa lk協(xié)議在保留CSMA協(xié)議優(yōu)點的同時,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(fù)載下很好地保持網(wǎng)絡(luò)高效率、支持大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和多通信介質(zhì)。

　　如果有很多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等待網(wǎng)絡(luò)空閑,一旦網(wǎng)絡(luò)空閑,這些節(jié)點都會馬上發(fā)送報文而產(chǎn)生碰撞。它們產(chǎn)生碰撞后會后退一段時間,假如這段時間相同,就會發(fā)生重復(fù)碰撞,這將使網(wǎng)絡(luò)效率大大降低。在預(yù)測的P-堅持CSMA中,所有LonWorks節(jié)點等待隨機(jī)時間片間隔訪問介質(zhì), 這就避免了以上情況的發(fā)生。在LonWorks中,每個節(jié)點發(fā)送前隨機(jī)插入1～16個很小的隨機(jī)時間片。在空閑網(wǎng)絡(luò)中,每個節(jié)點發(fā)送前平均插入8個隨機(jī)時間片。

　　在P-堅持CSMA中,當(dāng)一個節(jié)點有信息需要發(fā)送時并不立即發(fā)送,而是等待一個概率為 P的隨機(jī)時間片。而LonTalk協(xié)議可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動態(tài)調(diào)整P值。時間片的增加通過一個N值,插入的隨機(jī)時間片為N×16,這個N值的取值范圍是1～63。LonTalk稱N為網(wǎng)絡(luò)積壓的估計值,是對當(dāng)前發(fā)送周期有多少個節(jié)點有報文需要發(fā)送的估計。LonTalk協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓動態(tài)地調(diào)整介質(zhì)訪問,允許網(wǎng)絡(luò)在輕負(fù)載情況下用較短的時間片,在重負(fù)載情況下用較長的響應(yīng)時間片。

　　對照實驗表明,36個LonWorks節(jié)點互聯(lián),采用一般P-堅持算法,當(dāng)每秒要傳輸?shù)膱笪倪_(dá)500 ～1000包時,碰撞率從10%上升到54%;而采用預(yù)測的P-堅持算法,在500包以下時碰撞率與前者相當(dāng),在500～1000包時穩(wěn)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)必須在總線上具有環(huán)的結(jié)構(gòu) ,令牌在這個環(huán)線上輪巡。這對使用電力線和無線電作為介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)顯然不可行,因為網(wǎng)上所有節(jié)點幾乎能同時收到令牌。同時,令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)還需增加令牌丟失時的恢復(fù)機(jī)制、令牌快速應(yīng)答機(jī)制,這些都增加了硬件上的開銷,使網(wǎng)絡(luò)成本增加。

　　對令牌總線網(wǎng)絡(luò),LonTalk在令牌中加入網(wǎng)絡(luò)地址,從而在物理總線上建立一個邏輯環(huán)的結(jié)構(gòu),使令牌在這個邏輯環(huán)上輪巡。但是,在低速網(wǎng)絡(luò)中令牌輪巡時間變得很長。另外,令牌總線在有節(jié)點上網(wǎng)或下網(wǎng)時都會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。在電池供電的系統(tǒng)中,會因經(jīng)常休眠和喚醒而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)上下網(wǎng)時頻繁重構(gòu);在惡劣的環(huán)境中,常會發(fā)生令牌丟失而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。這些網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)會大大降低網(wǎng)絡(luò)的效率。同時,由于網(wǎng)絡(luò)地址的限制,每個網(wǎng)絡(luò)至多只有255個節(jié)點。

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

　　目前,在現(xiàn)場總線中還有一種十分流行的網(wǎng)絡(luò)——CANbus。它采用無主結(jié)構(gòu),這一點大大優(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(jié)點分成不同的優(yōu)先級,采用支配位(0)和避讓位(1)、以及總線回讀的方法實現(xiàn)非破壞性總線仲裁。即當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)傳遞信息時,優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送,而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸,這可以有效地避免總線碰撞。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(jié)點不太需要優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò),由于不得不定義一個優(yōu)先級,因而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信較繁忙時,有些優(yōu)先級低的節(jié)點可能很長時間不能發(fā)送信息。因此,Canbus較適合介質(zhì)單一、節(jié)點數(shù)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:支持多介質(zhì)的通信,支持低速率的網(wǎng)絡(luò),可在重負(fù)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(yīng)時間,提供了一個可選擇的優(yōu)先級機(jī)制。該機(jī)制允許用戶為每個需要優(yōu)先級的節(jié)點分配一個特定的優(yōu)先級時間片,并保證有且只有一個節(jié)點擁有這樣的優(yōu)先級時間片。在發(fā)送過程中,優(yōu)先級數(shù)據(jù)報將在該時間片內(nèi)把數(shù)據(jù)報發(fā)送出去。優(yōu)先級時間片為0～127,0是不需等待立即發(fā)送,1是等待1個時間片,2是等待2個時間片 ,依此類推。低優(yōu)先級的節(jié)點需等待較多的時間片,而高優(yōu)先級的節(jié)點需等待較少的時間片 ,這個時間片加在P-概率時間片之前。非優(yōu)先級的節(jié)點必須等待優(yōu)先級時間片都完成后, 再等待P-概率時間片后發(fā)送。因此,加入優(yōu)先級的節(jié)點總比非優(yōu)先級的節(jié)點有更快的響應(yīng)時間。