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1、现场总线控制系统,第2讲 LonWorks技术与Neuron芯片,信息学院自动化系凌志浩,本讲内容提要,1LonWorks技术概述2 神经元芯片硬件结构（1）Neuron芯片内部结构及管脚配置（2）主要性能特点（3）存储器（4）附加功能 3 控制网络组成,LonWorks技术概述,（1）是通用测控总线网（2）同时应用在Sensor Bus、Device Bus、Field Bus 等任何一层总线中。（3）ISO的OSI七层协议上实现。（4）神经元芯片（Neuron)和LonTalk协议是LonWorks技术的核心。（5）LON网中可有330000个节点或更多。,三个层次的现场总线示例,典型Lo
2、nWorks节点基本组成,传感器和控制设备,收发器,I/O口,网络通信端口,Neuron芯片,电 源,网络,晶振,LonTalk协议,智能控制器（节点）,传感器 执行器 显示 操作接口,节点,LON,LON网采用分布式控制技术,开放式控制网络,1 LonWorks技术概述,1.1 Neuron芯片（1）Echelon公司设计了Neuron芯片。（2）Neuron芯片其实是一种嵌入式系统。（3）Neuron芯片魄力：完整性（内置通讯 协议与处理器）（4）提供最初的6个协议层，只有应用层的 编程和配置需要给定，简化了开发。（5）Cypress、Motorola、Toshiba都生产 Neruon芯
3、片，价格很低。,1.2 LonTalk协议,LonTalk协议遵循ISO定义(OSI)模型，并提供了OSI所定义的全部7层服务。它的特点：(1)支持双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质。（2）可以运行在任何主处理器(Host Processor)上（3）LonTalk协议使用网络变量与其它节点通信。网络变量可以是任何单个数据项也可以是结构体。（4）LonTalk协议支持总线型、星型、自由拓朴等多种拓朴结构类型。（5）LonTalk寻址体系（分级：域、子网、节点）,LonTalk寻址体系,域,子网1,子网255,.,节点1,节点2,.,节点127,节点1,节点2,.,节
4、点127,三层：域、子网、节点,网络地址可以有3层结构：域（Domain）、子网（Subnet）和节点（Node）,第1层结构是域。域是一个或多个信道上节点的逻辑集合，通信只能在配置为相同域的节点之间进行，因此一个域便形成一个虚拟网络。,第2层结构是子网。每一个域最多有255个子网。一个子网是一个域内节点的逻辑集合。一个子网最多可以包括127个节点。,第3层结构是节点。子网内每一个节点被赋予一个在该子网内惟一的节点号。该节点号为7位，因此，一个域内最多可有：255127=32385个节点。,1.3 LonWorks产品,（1）收发器 每一个网络设备都有一个收发器。收发器在一个LonWorks设
5、备与LonWorks网络之间提供了一个物理通讯接口。不同通信媒介之间用路由器相连。,收发器类型,（2）LonWorks设备组成,（3）路由器,LonWorks是唯一支持多种传输介质的系统，它允许开发者选择那些最能满足他们的要求的传输介质和通讯方法。（介质转换）路由器是一个特殊的节点，由两个Neuron芯片组成，用来连接不同通讯媒介的LON网络。路由器能够控制网络流量，增加网络的吞吐量和网络速度。（交通控制）,（4）开发工具,LonBuilder和NodeBuilder用于开发基于Neuron芯片的应用。具有高度可配置性，是开发和调试应用程序、安装和配置节点以及分析网络通讯的集成工具。开发工具通
6、常包括一个可以在多个设备上开发及调试程序的环境，一个安装和配置这些设备的网络管理器，以及一个协议分析器用来检查网络流量以保证有足够的网络容量，同时也包括检查错误。,（5）网络接口、WEB服务器,（1）独立的PC机：PCLTA-20 PC LonTalk适配器，是一个封装在标准的PC机 PCI适配卡上的网络接口设备。通过它可以使用网络工具，如LonMaker工具。（2）笔记本电脑：PCC 10 PC卡提供了一个简洁的PCMCIA PC卡式的网络接口（3）Echelon公司的SLTA-10系列LonTalk适配器可与一个调制解调器相连以实现拨号上网。（4）i.LONTM 1000IP服务器支持同I
7、nternet、Intranet，或VPN的远程连接。,用Web浏览器访Lon网,LON收发器,LON网,Http服务器,IP,Web服务器,i.Lon100,Echelon公司通过与Cisco Systems公司、Microsoft公司和Sun Microsystems公司等合作，开发出i.Lon100。它既是路由器，又是符合工业标准的Web网络服务器。i.Lon100将LonWorks收发的数据进行IP数据包处理后，利用IP网络传输。通过i.Lon100，可更方便地将LonWorks和Internet连接起来，使用户能够在Internet上访问到LonWorks控制网上的设备。由于Eche
8、lon公司推出了i.Lon100，使得LonWorks现场总线技术的应用领域也越来越广。,提供LonWorks信道与IP信道的连接，实现远程组网配置，远程监控。,（6）网络工具,网络工具用于设计、安装、配置、诊断、维护以及监控LON网。LON节点的寻址、构造、连接的建立可在安装阶段完成。这是由固化在Neuron芯片里的网络管理服务的集合来支持的。全部或部分的网络安装可能在生产的最初就开始了，也有可能要在现场进行。无论安装工作是在生产的开始还是在现场，系统都需要修改错误节点或重构网络。,2 神经元芯片硬件结构,2.1 Neuron芯片内部结构及管脚配置 Neuron芯片在一个芯片上集成了多个处理
9、器，并有RAM、ROM、通讯和输入输出设备。在只读存储器里储存了操作系统、LonTalk协议以及输入输出工作方式库。这一芯片对于从LonWorks网络上下载的应用程序和配置数据来说是一个不可变的存储器。每一个Neuron芯片都被赋予了一个独一无二的48位代码，称作Neuron ID。,2.1.1 Neuron芯片内部结构,Neuron 芯片包括3个8位的CPU。,CPU-1:是媒体访问CPU，主要处理LonTalk 7层协议栈中第一和第二层。包括驱动通信子系统硬件以及执行MAC算法。CPU-1和CPU-2通过共享内存中网络缓冲区通信。CPU-2:网络处理CPU，实现LonTalk 协议栈的3-
10、6层。处理网络变量、寻址、事务处理、权限认证、背景诊断、软件定时器和网络管理。CPU-2用网络缓冲区和CPU-1通信，CPU-2用应用缓冲区和CPU3通信。,CPU-3:是应用CPU。它运行用户编写的代码和应用代码调用的操作系统命令。编程语言是Neuron C。（1）每个CPU有各自的寄存器设置，但它们可共享数据、ALU的地址以及存储区访问电路。（2）三个CPU的最小周期分别间隔一个系统周期，以便在每个最小周期，各个CPU可以访问存储器和ALU各一次。（3）系统对三个CPU采用了管道技术，在不影响性能的情况下，大大减少了硬件的需求。三个CPU可并行工作，而不会造成耗时的中断和上下文交换。,2.
11、1.2 管脚配置,Neuron芯片家族中的成员是Neuron3120和3150芯片。3120芯片中包括E2PROM、ROM、RAM存储器，3150中无内部ROM，但拥有访问外部存储器的接口，寻址空间可达64KB，可用于开发更为复杂的应用系统。,3120芯片引脚,3150芯片引脚,Neuron 芯片比较,芯片引脚,芯片引脚,（1）高度集成，所需外部器件较少（2）三个8位CPU,输入时钟范围:625kHz10MHz（3）11条可编程I/O引脚（有34种工作方式）（4）两个16位的定时器/计数器、15个软定时器（5）网络通信端口:工作方式单端、差分和专用（6）固件包括：LonTalk协议、I/O驱动
12、程序、事件驱动 多任务调度程序（7）服务引脚：用于远程识别和诊断（8）每个Neuron芯片有唯一的48位的内部ID号。（9）内置低压保护以加强对片内E2PROM的保护。（10）通讯速率：610b/s-1.25Mb/s,2.2 主要性能特点,2.3 存储器,2.3.1 E2PROM 内部E2PROM包括：（1）网络配置和地址信息（2）独一无二的48位Neuron ID（3）用户写的应用代码和大部分的只读数据3120其内部E2PROM也存由LonBuilder或 NodeBuilder开发工具产生的应用程序。3150应用代码可写在片内E2PORM中或片外扩展存储器中，或两者兼而有之。,E2PROM
13、包含固定数量的系统开销，用来存放网络映象（配置信息）、用户代码和用户数据。,E2PROM,2.3.2 RAM,3120和3120E1包含1K片内RAM，3150和3120E2包含2K片内RAM。RAM 用来存储：（1）堆栈、应用和系统数据（2）LonTalk协议的网络和应用缓冲区 即使在睡眠模式下，RAM的状态保持着。当节点复位时，RAM中的数据将被清除。,2.3.3 ROM,所有3120 xx芯片都包括10K字节的ROM。ROM用来存储 Neuron芯片固件，包括：（1）LonTalk协议代码（2）事件驱动和任务调度（3）应用函数库,2.3.4 External Memory,3150片内不
14、包括任何ROM，允许外扩58K的外接存储器。外接存储器用来存储：(1)应用程序和数据（最多42K）(2)Neuron芯片固件以及保留空间（16K）应用程序和数据可用的42K的存储空间也包括附加的网络缓冲区和应用缓冲区。外接的存储空间可由RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存组成，以256字节递增。存储映像图如图：,Neuron芯片内部存储器配置,3150外接存储器,3150芯片的外接存储器总线有8条双向数据线，16条地址线以及2条由Neuron芯片驱动的控制输出线。,时钟使能（E）以系统时钟速率运行，是输入时钟速率的一半。当数据在Neuron芯片与外接存储器之间传输时，时钟使
15、能始终为低。三个CPU中的任何一个都可以在指令周期的合适阶段访问所有的存储器（无论是片内的还是片外的）。因为三个CPU的指令周期互相偏离一个系统周期，所以在一个时刻只有一个CPU可以使用存储器总线。,Neuron 3150 与EPROM 的连接,2.4 附加功能,服务引脚（Service Pin）服务引脚用于配置、安装和维护LonWorks节点。服务引脚既可作输入也可作输出。作输出时,服务引脚通过一个低电平，来点亮一个外接的LED。当节点没有有效的应用代码或芯片已坏时，LED保持为亮。当节点还没有被配置网络地址信息时，LED以0.5Hz的速率闪烁。作输入时，当给服务引脚输入低电平时，将引起Ne
16、uron芯片在网上发送一个包含48位Neuron ID的网络管理消息。,服务引脚电路,2.4.2 睡眠/唤醒电路,Neuron芯片在软件控制下，可以进入低电压睡眠模式。在这种模式下，晶振、系统时钟、通信端口和所有的定时器/计数器都被关闭，但仍然保持着所有的状态信息（包括Neuron芯片片内RAM中的内容）。当一个输入跳变发生在下列任何一个管脚上时，正常的操作恢复 服务引脚（不可屏蔽的）I/O引脚（可屏蔽的）通信端口（可屏蔽的）单端模式-CP0 差分模式-CP0或CP1 专用模式-CP3,在睡眠期间，E引脚保持为高（非使能）使存储器操作无效。地址总线被置为高（0 xFFFF），关闭所有外部设备。
17、数据总线处在输出状态。当检测到唤醒事件，Neuron芯片将允许振荡器起振并等待进入稳定状态，完成内部维护后恢复操作。,2.4.3 看门狗定时器,Neuron芯片为防止软件错误或存储器出错，包含三个看门狗定时器（每个CPU一个）如果应用或系统软件没有周期的刷新这些定时器，整个Neuron芯片将自动复位。在输入时钟速率为10MHz时，看门狗的复位周期大约是0.84秒，与输入时钟速率成反比。当Neuron芯片进入睡眠模式时，看门狗定时器挂起。,2.4.4 复位,复位引脚是漏极开路、双向且低有效的I/O引脚，内部有一个电流源充当上拉电阻。使复位引脚有效的方法有两种：（1）外部信号驱动产生低电平输入（2
18、）内部控制产生低电平输出 引起复位引脚复位的内部控制有以下几种：（1）软件（2）看门狗定时器时间溢出（3）低电压检测,复位引脚在下列条件扮演着极其重要的角色（1）Vdd加电（2）Vdd电源抖动（3）程序恢复（由于地址或数据出错造成应用程序无法正常进行，就要使用外部复位来恢复程序，也可等看门狗时间溢出，从而引起软件复位）；（4）Vdd掉电（确保正常关机）,2.4.5 时钟系统,Neuron芯片有一个振荡器使用外接晶振或陶瓷谐振器来产生输入时钟。在低功耗时，Neuron芯片的输入时钟频率范围可以从625kHz到10MHz。有效的输入时钟频率是10MHz、5 MHz、2.5 MHz、1.25 MHz
19、和625kHz。外部产生的时钟也可用来驱动Neuron芯片上的CMOS输入引脚CLK1，此时CLK2悬空。输入时钟频率的精确性在1.5%或更好以确保各节点在网络上正常通信。,Neuron芯片以2的幂实现输入时钟的分频，从而获得芯片的系统时钟。系统时钟再4分频，为应用I/O、网络通信端口和CPU看门狗定时器提供服务。,2.5 编程模式,2.5.1 定时器 对于Neuron C 应用程序来说，可以使用两种类型的软件定时器：秒定时器和毫秒定时器。毫秒定时器提供一个计时范围为1到64000（0.001 到 64秒）毫秒的定时器。秒定时器提供一个计时范围为1到65535秒的定时器。对于计时范围为64秒或
20、少于64秒的精确定时，使用毫秒定时器。在一个应用程序里，最多可以定义15个定时器对象。这些软件定时器和Neuron 芯片上两个硬件定时器/计数器无关，而且是独立于Neuron 芯片的输入时钟速率的。,2.5.2 网络变量,节点使用网络变量或显示报文与其它节点进行通讯。应用程序可以声明一种特殊类型的静态对象，被称为网络变量，它可以定义为输入或输出类型。一个节点上输出网络变量的更新，将引起其它节点上与这个网络变量连接的输入网络变量的值自动更新。网络管理工具可用连接器(binding）来将不同节点上的网络变量连接在一起。LonBuilder 开发工作台、LonMaker安装工具、NSS-10网络服务
21、器服务模块以及LonManger API接口都包括这样的连接器。连接是通过发送包含所要连接的节点的地址信息的网络管理信息来实现的。,节点1,节点2,LON网,network output int yewei1;,network input int yewei2;,yewei1=10;yewei2=10;,网络变量通信示意图,2.5.3 显式报文,节点可以通过网络变量或通过显式报文与其它节点通信。对大多数应用来说，网络变量可以实现最小的和最简单的应用，而且所占用的代码空间也是最少的。而对某些应用来说，有超过31个字节的数据需要发送，不适合使用网络变量模式，需要使用请求/响应服务，可以使用显式报文
22、。应用程序可以构造消息标签来传递消息到其他节点或组节点，每个消息可以包含最多达228字节数据。消息也可以通过子网/节点、组、广播、Neuron ID地址被显示地传递到其它节点。消息可以采用下列四种服务之一发送：确认服务、无确认服务、重发服务和请求/响应服务。,chip-hosted：运行在一个节点上的Neuron芯片，可以实现所有的应用和通信处理，其用Neruon C编程。host-based：用Neuron芯片作为通信处理器，而另一个处理器作为主处理器处理应用，称为基于主机的节点。用主处理器的芯片的开发编程语言编程。主机可以是一个微控制器、微处理器、pc机、工作站或任何其他的计算机。主机通过
23、Lonworks接口和Lonworks网通讯。Lonworks实现LonTalk协议的1-5层，将6和7层应用处理交由主处理器处理。,2.6 两种节点类型,I/O设备,Neuron芯片,收发器,I/O设备,主处理器,Neuron芯片,收发器,通信端口,I/O端口,LON网,LON网,基于Neuron芯片的节点,基于主机（单片机、PC机）的节点,2.7 Neuron 芯片数据结构,Neuron芯片上的软件，分为三个主要部分：系统映像、应用映像和网络映像。（）系统映像 包括LonTalk协议、Neuron C 运行时库和任务调度。3120中，这部分软件在片内10KB 的ROM中。3150芯片中，这
24、部分软件在外部ROM或闪存中。对3150，这部分软件作为LonBuilder和NodeBuilder 软件的一部分被提供。使用NodeBuilder软件，用户可以产生包含系统映像的Intel十六进制或Motorola S-record文件以便于EPROM或闪存设备可以编程。,（）应用映像,包括由Neuron C编译应用程序产生的目标代码以及应用程序指定的有关参数。这些参数可以通过网络管理工具查询。包括：编程 ID 字符串 可选择的自识别和自编数据 地址表记录数 域表记录数 网络缓冲区的大小和数量 应用缓冲区的大小和数量 接收事务记录的数量 目标Neuron 芯片的输入时钟速率 收发器的类型和比
25、特速率,在3150芯片中，应用映像通常是编程写入到外部ROM或通过网络下载到外部E2PROM或闪存中。在3120芯片中，应用映像是下载到片内E2PROM中。LonBuilder和NodeBuilder支持创建应用映像。应用映像的数据结构包括：（1）一个固定只读结构，它的大小是独立于节点上的应用的。（2）一个网络变量固定表，节点定义的每一个网络变量占一条记录（3）可选的自识别和自编信息，描述节点和它的网络变量。,（）网络映像,包括Lonworks节点的地址分配信息、网络变量和消息标签的连接信息、在安装时设置的LonTalk协议参数、应用程序的配置变量。当安装节点时通常由网络管理工具负责将网络映像下载到片内的E2PROM中。对于简单的网络，一个节点可以更新自己的网络映像。,网络映像数据结构包括：(1)域表，节点所属的每个域都占一条条目(2)地址表，节点能访问的每个地址信息都占一条记录(3)网络变量配置表，节点定义的每个网络变量都占一条记录(4)通道配置结构，定义节点收发器的接口,3 控制网络组成,控制网络组成部件,网络监视用PC机通信节点（俗称网络适配器）现场智能节点 路由器 网关,本讲结束,
