LonWorks現場總線介紹

一、LonWorks的神經元芯片

　　LonWorks技術的核心是神經元芯片(Neuron Chip)。該芯片內部裝有3個微處理器:MAC處理器完成介質訪問控制;網絡處理器完成OSI的3～6層網絡協議;應用處理器完成用戶現場控制應用。它們之間通過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,神經元芯片特設置11個I/O口。這些I/O口可根據需求不同來靈活配置與外圍設備的接口,如RS232、并口、定時/計數、間隔處理、位I / O等。

　　神經元芯片還有一個時間計數器,從而能完成Watchdog、多任務調度和定時功能。神經元芯片支持節(jié)電方式,在節(jié)電方式下系統時鐘和計數器關閉,但狀態(tài)信息(包括RAM中的信息) 不會改變。一旦I/O狀態(tài)變化或網線上信息有變,系統便會激活。其內部還有一個最高1.25 M bps、獨立于介質的收發(fā)器。由此可見,一個小小的神經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,一個神經元芯片加上幾個分離元件便可成為DCS系統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)現場中的通信不僅要將數據實時發(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,提供了一套完整的建網工具——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。在通信方面,它也提出了一個全新的概念——網絡變量。通過網絡變量,網絡上的通信只需將相關節(jié)點上的網絡變量連接一下即可。網絡變量是應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、響應方式等。網絡變量被定義為輸入或輸出,當定義為輸出的網絡變量被賦予新值時,與該輸出變量相連的輸入網絡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調試器,可在多個仿真器上調試應用程序,并具備網絡協議分析和通信分析的功能。

三、LonTalk:面向對象的網絡通信協議

　　LonTalk是LonWorks的通信協議,固化在神經元芯片內。LonTalk局部操作網協議是為LonWo 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層協議,并可使簡短的控制信息在各種介質中非?？煽康貍鬏?。　　
　　LonTalk協議是直接面向對象的網絡協議,具體實現即采用網絡變量的形式。又由于硬件芯片的支持,使它實現了實時性和接口的直觀、簡潔等現場總線的應用要求。

　　1.LonTalk MAC的特點

　　介質訪問控制(MAC)子層是OSI參考模型的數據鏈路層的一部分。目前在不同的網絡中存在多種介質訪問控制協議,其中之一就是大家熟悉的CSMA(載波信號多路偵聽)。LonTalk正是使用該協議,但具有自己的特色。

　　CSMA協議要求一個節(jié)點在發(fā)送數據前偵聽網絡是否空閑。一旦監(jiān)測到線路空閑后,不同的協議動作不同。這樣在重負載的情況下,不同協議的執(zhí)行結果不同。例如,Ethernet采用CSM A /CD協議,一旦檢測到碰撞,采用避讓算法,這種方法在重負載時導致網絡介質傳輸率變得極低。另一些CSMA協議使用時間片規(guī)則去訪問介質,使節(jié)點在限制的時間片訪問介質,這樣可以大大減少兩個數據報發(fā)生碰撞的可能性。P-堅持CSMA和LonTalk的CSMA就是使用時間片去訪問介質。

　　LonTalk協議使用一個改進的CSMA介質訪問控制協議,稱為預測的P-堅持CSMA。LonTa lk協議在保留CSMA協議優(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絡高效率、支持大網絡系統和多通信介質。

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

　　在P-堅持CSMA中,當一個節(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的隨機時間片。而LonTalk協議可根據網絡負載動態(tài)調整P值。時間片的增加通過一個N值,插入的隨機時間片為N×16,這個N值的取值范圍是1～63。LonTalk稱N為網絡積壓的估計值,是對當前發(fā)送周期有多少個節(jié)點有報文需要發(fā)送的估計。LonTalk協議根據網絡積壓動態(tài)地調整介質訪問,允許網絡在輕負載情況下用較短的時間片,在重負載情況下用較長的響應時間片。

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

　　對所有令牌環(huán)網絡,LonTalk具有對多介質的支持,但這些介質必須在總線上具有環(huán)的結構 ,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的網絡顯然不可行,因為網上所有節(jié)點幾乎能同時收到令牌。同時,令牌環(huán)網絡還需增加令牌丟失時的恢復機制、令牌快速應答機制,這些都增加了硬件上的開銷,使網絡成本增加。

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

　　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, 過多的碰撞使網絡效率變得極低。

　　目前,在現場總線中還有一種十分流行的網絡——CANbus。它采用無主結構,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,但將網絡上的節(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非破壞性總線仲裁。即當兩個節(jié)點同時向網絡傳遞信息時,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,這要求網絡一定要同步,這對多介質的情況顯然不適用。另外,對各節(jié)點不太需要優(yōu)先級的網絡,由于不得不定義一個優(yōu)先級,因而當網絡通信較繁忙時,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較適合介質單一、節(jié)點數目較少的小網絡。

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

　　2.LonTalk對優(yōu)先級的支持

　　在LonWorks網絡中,為提高緊急事件的響應時間,提供了一個可選擇的優(yōu)先級機制。該機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)先級數據報將在該時間片內把數據報發(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)點有更快的響應時間。