LonWorks現(xiàn)場總線的特點(diǎn)及在應(yīng)用中的兩種通信方式介紹

本文介紹了利用LonWorks現(xiàn)場總線代替原有的現(xiàn)場工業(yè)控制總線。利用LonWorks底層的顯形報(bào)文格式和廣播方式將原來的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成LonWorks的通信協(xié)議，把LonWorks作為通信協(xié)處理機(jī)使用，利用LonWorks的并行口與控制器如8031、80C196進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。解決了原有控制網(wǎng)絡(luò)通信速度慢、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不合理的問題，這種應(yīng)用方法對原有的硬件不需要做大的修改，軟件方面也只改通信部分，控制軟件可以不變。這樣即可以提升控制網(wǎng)絡(luò)的性能，又可以減少人力物力，是LonWorks現(xiàn)場總線的一個(gè)典型應(yīng)用方法。

一、概要

交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所于1989年開始研制實(shí)時(shí)船用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，歷時(shí)3年，于1991年研制成功，命名為船用2+實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并首次應(yīng)用于南海904運(yùn)輸補(bǔ)給艦，目前已用于多艘艦船，有遠(yuǎn)望3號、053艦等。至今為止，形成了船用控制網(wǎng)絡(luò)的批量產(chǎn)品。在當(dāng)時(shí)由于現(xiàn)場總線技術(shù)還未開始應(yīng)用，使得2+網(wǎng)絡(luò)添補(bǔ)了國內(nèi)船用控制網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)空白，并形成產(chǎn)品推廣使用了多年?，F(xiàn)在看來，2+網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在船舶控制系統(tǒng)中還是起作主要作用。使得船舶控制從單機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)型自動控制。2+網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1，從圖中可以看出，這種樹形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不盡合理，通信總機(jī)肩負(fù)著很重要的任務(wù)，可靠性要求很高。從控制機(jī)到控制機(jī)最遠(yuǎn)的路由要通過3個(gè)交換機(jī)，造成通信時(shí)間加長，實(shí)時(shí)性不高。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷完善，選用一種能結(jié)合我國實(shí)際的現(xiàn)場總線技術(shù)代替船用控制網(wǎng)絡(luò)已非常必要。

二、LonWorks現(xiàn)場總線的特點(diǎn)：

LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片（Neuron chip），它由美國摩托羅拉公司和日本東芝公司生產(chǎn)，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1） LonWorks技術(shù)的基本元件——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Predictive P-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） 網(wǎng)絡(luò)通信采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，LonWorks技術(shù)將其稱之為“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。

（9） 有LON-WEB網(wǎng)關(guān)，可以連接INTERNET。

三、 應(yīng)用方法：

目前LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)開始應(yīng)用。但多采用網(wǎng)絡(luò)變量的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：軟件編程方便、可采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)變量便于今后和其它標(biāo)準(zhǔn)的LonWorks設(shè)備進(jìn)行通信。但采用網(wǎng)絡(luò)變量通信是要用LONMAKER軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的現(xiàn)場綁定（BIND），必須要在現(xiàn)場配備一臺PC機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量綁定，對于只有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制對象來說，勢必要增加設(shè)備的投資。如果在設(shè)備運(yùn)行過程中遇到節(jié)點(diǎn)損壞需要更換節(jié)點(diǎn)時(shí)，又要重復(fù)做一遍節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)變量綁定。這就要對最終用戶的維修人員進(jìn)行培訓(xùn)，教會他們用LONMAKER軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的現(xiàn)場綁定。對于技術(shù)水平不高的用戶，只好由開發(fā)人員親自到現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)。這大大提高的控制設(shè)備的維護(hù)成本。

在LonWorks的應(yīng)用過程中，可采用兩種通信方式即網(wǎng)絡(luò)變量通信和顯形報(bào)文通信。根據(jù)各自通信特點(diǎn)我們選用顯形報(bào)文通信方式。采取顯形報(bào)文通信方式最大的好處在于系統(tǒng)安裝配置時(shí)不需要綁定，便于現(xiàn)場用戶的安裝和維護(hù)。顯形報(bào)文通信的數(shù)據(jù)包和長度可以由用戶定義，就可以突破LonWorks關(guān)于每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)不能超過63個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量的限制。通過顯形報(bào)文還可以在不同的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行協(xié)議和路由的轉(zhuǎn)換。但采取顯形報(bào)文通信也有其不足之處：控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成了封閉系統(tǒng)，不能和其他LonWorks產(chǎn)品進(jìn)行互連，另外軟件的編制過程也較為復(fù)雜，要增加相應(yīng)的用戶協(xié)議。

下面是利用顯形報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)塊傳送的一個(gè)例子：

msg_tag motor;

#define MOTOR_ON 0

typedef enum ｛

MOTOR_FWD，

MOTOR_REV

｝ motor_dir;

struct ｛

long motor_speed;

motor_dir motor_direction;

int motor_ramp_up_rate;

｝ motor_on_message;

when （some_event）｛

msg_out.tag=motor;

msg_out.code=MOTOR_ON;

motor_on_message.motor_direction=MOTOR_FWD;

motor_on_message.motor_speed=500;

motor_on_message.ramp_up_rate=100;

memcpy（msg_out.data，&motor_on_message，

sizeof（motor_on_message））;

msg_send（）;

｝

具體在實(shí)現(xiàn)過程中，我們采用INTEL的80C196作為現(xiàn)場級的CPU進(jìn)行控制對象的數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場控制，而利用LonWorks作為通信協(xié)處理器進(jìn)行現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸。在80C196和3150采用并行口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，交換的速度可達(dá)到100KBYTE/S以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過LonWorks雙絞線的78K的通信速率。對各個(gè)控制點(diǎn)之間的通信采用了廣播方式定時(shí)進(jìn)行廣播通信，一個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)把現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)廣播給控制網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)都同時(shí)收到這個(gè)采集點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，需要的數(shù)據(jù)可以保存下來，而不需要的數(shù)據(jù)就放棄。這種通信方式與主從式通信方式比較可大大減少網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通信量，提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，大大提高通信的傳輸效率。

在3150控制模塊的選用上，原來采用ECHELON公司的控制模塊Model 55020-10，但是在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)這個(gè)模塊無外部擴(kuò)展內(nèi)存（RAM），作為通信協(xié)處理器使用要求有大量的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而僅僅利用3150內(nèi)部的2K RAM容量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的（運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)還要占掉800多個(gè)字節(jié)）。在這種條件下，我們自己設(shè)計(jì)了一塊3150控制模塊，與55020-10兼容，在這基礎(chǔ)上增加了24K的外部RAM，這樣可以增加3150發(fā)送和接收緩沖區(qū)的數(shù)量，使得控制模塊的功能大大增強(qiáng)。采用這種方法，圓滿地解決了3150通信協(xié)處理器的數(shù)據(jù)通信和交換的功能。

四、幾點(diǎn)體會：

在LonWorks的應(yīng)用過程中，我們也覺得該系統(tǒng)有些不足之處。

1． 3150的CPU處理運(yùn)算能力差：

由于3150開發(fā)時(shí)間較早，當(dāng)時(shí)采用8位數(shù)據(jù)處理是局限于當(dāng)時(shí)情況，而在微處理機(jī)發(fā)展飛快的今天再采用當(dāng)時(shí)的技術(shù)已嫌落后。

2． 3150的CPU處理速度慢：

3150最快采用10MHZ主頻，對于在工業(yè)高速控制場合這種速度不能滿足控制要求。

3. 3150CPU在10MHZ主頻下的IO輸入輸出操作指令速度為60us，這只能用于如智能化大樓等低速控制場合。

4． ECHELON公司提供了PC機(jī)上的LonWorks網(wǎng)絡(luò)接口卡，而給用戶的驅(qū)動程序并沒有給出其具體的功能調(diào)用，不利于用戶進(jìn)行二次開發(fā)。

5． 開發(fā)系統(tǒng)的費(fèi)用太高，一套基本的開發(fā)系統(tǒng)要10萬元以上，不符合國情，不利于LonWorks系統(tǒng)的推廣。

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