（海思技術(shù)部供稿）
作為LonWorks技術(shù)中國領(lǐng)航企業(yè)，海思在全力研發(fā)Lonworks產(chǎn)品供應(yīng)市場以滿足用戶需求的同時，向國內(nèi)用戶介紹LonWorks技術(shù)的先進(jìn)性，以及應(yīng)用開發(fā)所需具備的基礎(chǔ)知識等方面，海思更是盡心盡力。下面向大家全面介紹LonWorks總線技術(shù)的核心，幫助大家認(rèn)識LonWorks總線技術(shù)。
美國埃施朗公司上世紀(jì)九十年代研發(fā)、推出的LonWorks(Local Operating Network)總線技術(shù)是一個開放的、全分布式監(jiān)控系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)平臺技術(shù)，以其獨(dú)特的特點已成為目前所有現(xiàn)有的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)功能最為強(qiáng)大，市場效率最高的總線，其技術(shù)已被我國多部國家規(guī)范所采納。它使用了具有分布控制與通信聯(lián)網(wǎng)功能的大規(guī)模集成的神經(jīng)元芯片構(gòu)成各個智能監(jiān)控節(jié)點，通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器及網(wǎng)絡(luò)通信媒體將各節(jié)點構(gòu)成全分布式局部操作網(wǎng)絡(luò)。
一.LonWorks網(wǎng)絡(luò)技木特點
1.智能節(jié)點作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制器；
2.多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線形、星形、環(huán)形、自由形；
3.多種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：主從式、對等式及Client/ Server式；
4.多種傳輸媒體：雙絞線、動力電源線、無線、光纖、紅外、電話線等；
5.介質(zhì)訪問方法：帶預(yù)測和優(yōu)先級的P—堅持CSMA(Carrier Sense Multiple Access，載波監(jiān)聽多路訪問)；
6.網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：基于IS0/OSI七層參考模型的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議——LonTalk通信協(xié)議，系統(tǒng)開放；
7.同異型網(wǎng)絡(luò)的互連方便。
二. LonWorks網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模型
LonWorks采用開放式ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議結(jié)構(gòu)，具備了局域網(wǎng)的基本功能,與異型網(wǎng)的兼容性比任何現(xiàn)存的現(xiàn)場總線都好，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)，它還提供了與LAN的接口，從而實現(xiàn)了二者的有機(jī)結(jié)合。
其各層功能如下表所示。
三.LonWorks的通訊介質(zhì)訪問控制方式
當(dāng)某一節(jié)點有信息要發(fā)送而試圖占用通道時，首先在一個固定的周期Beta l檢測通道是否處于網(wǎng)絡(luò)空閑。為了支持優(yōu)先級，還要增加優(yōu)先級時間片，優(yōu)先級越高的所加的時間片就越少。隨后再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)BL產(chǎn)生一個隨機(jī)等待時間片w，按理拾到w之間的隨機(jī)數(shù)W=BL*16。當(dāng)延時結(jié)束時，網(wǎng)絡(luò)仍空閑，節(jié)點以概率p=1/w發(fā)送報(如下圖)。
四.LonWorks網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)組成
一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點主要包括以下幾部分功能模塊：應(yīng)用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發(fā)器和電源。 LonWorks以Neuron神經(jīng)元芯片為核心組成智能控制節(jié)點，典型使用神經(jīng)元芯片的現(xiàn)場控制節(jié)點如下圖：
五.神經(jīng)元芯片
Lonworks的核心是Neuron神經(jīng)元芯片。它包括一套完整的通信協(xié)議，即LonTalk協(xié)議。使用CMOS CLSI技術(shù)高度集成，每個神經(jīng)元芯片有唯一的48位ID地址，內(nèi)部含有3個8位的CPU：第一個CPU為介質(zhì)訪問控制處理器，處理LonTalk協(xié)議的第一層和第二層;Neuron芯片的編程語言為Neuron C，它是從ANSI C中派生出來的，并對ANSI C進(jìn)行了刪減和增補(bǔ)。第二個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，它實現(xiàn)LonTalk協(xié)議的第三層至第六層;第三個CPU為應(yīng)用處理器，實現(xiàn)LonTalk協(xié)議的第七層，執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。所以這個芯片即是一個網(wǎng)絡(luò)通信處理器，又是一個應(yīng)用程序處理器，實現(xiàn)了完整的Lonworks的LonTalk通信協(xié)議。
神經(jīng)元芯片的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示
六.LonWorks路由器
透明地支持多種傳輸媒介是LonWorks技術(shù)中一項獨(dú)特功能，它使得開發(fā)者選擇最適合他們需求的傳輸媒介和通信方法。這種多介質(zhì)的支持是通過路由器實現(xiàn)的。路由器能夠用于控制網(wǎng)絡(luò)交通和分割網(wǎng)絡(luò)，增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量和容量。它使LonWorks總線突破了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的限制，使其通信不受通信介質(zhì)、通信距離和通信速率的限制。
LonWorks路由器包括中繼器、橋接器等。
采用RTR-10路由器核心模塊構(gòu)成的路由器框圖如下所示。
七.LonWorks 通信協(xié)議
LonWorks技術(shù)采用LonTalk通信協(xié)議，該協(xié)議為七層協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)變量直接面向?qū)ο笸ㄐ拧Ｔ搮f(xié)議具有以下特點：
1.發(fā)送的報文都是很短的數(shù)據(jù)，一般是幾個字節(jié)到幾十個字節(jié)；
2.通信帶寬不高，一般從幾kb/s到20Mb/s；
3.網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點往往是低成本、低維護(hù)的單片機(jī)；
4.多節(jié)點；
5.多介質(zhì)；
6.可靠性高；
7.實時性高。
LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)地址采用三層結(jié)構(gòu)，即：域(Domain)、子網(wǎng)(Subnet)和節(jié)點(Node)。
域：為第一層結(jié)構(gòu)，它保證在不同域中通信的彼此獨(dú)立性。
子網(wǎng)：為網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)的第二層，每一個域最多有255個子網(wǎng)，一個子網(wǎng)可以是一個或多個通道的邏輯分組。
節(jié)點：為網(wǎng)絡(luò)地址的第三層，每個子網(wǎng)最多可以有127個節(jié)點。
所以一個域最多可以有255×127=32385個節(jié)點。
八.LonWorks 收發(fā)器
LonWorks技術(shù)的一個重要特征是它支持多種介質(zhì)通信。根據(jù)通信介質(zhì)的不同，LonWorks技術(shù)可分為以下多種總線收發(fā)器：
1.雙絞線收發(fā)器
雙絞線是使用最為廣泛的一種介質(zhì)，用于雙絞線介質(zhì)的收發(fā)器主要以下三種：
A.直接驅(qū)動收發(fā)器
直接驅(qū)動是使用神經(jīng)元芯片的通信端口作為收發(fā)器，同時加入電阻和瞬態(tài)抑制器作為電流限制和ESD保護(hù) 。
這種方式適合于網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點在同一個大設(shè)備中使用同一個電源。
B.EIA-485收發(fā)器
EIA-485接口是現(xiàn)場總線中常用的電氣接口，LonWorks同樣也支持該電氣接口。使用EIA-485共模電壓比直接驅(qū)動要好，但不如變壓器耦合驅(qū)動。
C.變壓器耦合驅(qū)動收發(fā)器
變壓器耦合驅(qū)動能滿足系統(tǒng)的高性能、高共模隔離要求，并具有噪聲隔離的作用 。目前相當(dāng)多的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器采用變壓器耦合的方式。
D.電源線收發(fā)器
電源線是指通信線和電源線纜共用一對雙絞線。使用電源線的意義在于所有節(jié)點通過一個48V直流中央電源供電，這對于一些電力資源匱乏的地區(qū)具有非常重要的意義;同時采用通信線和電源線纜共用一對雙絞線可以節(jié)約一對雙絞線，也便于系統(tǒng)的安裝和維護(hù)。由于電源線收發(fā)器采用的是直流供電，可以和變壓器耦合的雙絞線直接連接。
E.電力線收發(fā)器
電力線接收器是將通信數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號或擴(kuò)頻信號，然后通過耦合器耦合到220V或其他交直流電力線上，甚至是沒有電力的雙絞線。這種方式減少了施工布線等建設(shè)費(fèi)用，是一種將神經(jīng)元節(jié)點加入到電力線中簡單、有效的方法。
但該方法會遇到電力線通信的普遍問題——電力線間歇性噪聲大等問題，因此需要采用一定的技術(shù)加以解決。
5.其他收發(fā)器
除上述收發(fā)器外，LonWorks技術(shù)中還廣泛采用無線收發(fā)器、光纖收發(fā)器等，以滿足特殊情況需要。
九.LonWorks技術(shù)的應(yīng)用
目前LonWorks技術(shù)己經(jīng)被廣泛應(yīng)用在智能大廈、家庭自動化、保安系統(tǒng)，辦公設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、工業(yè)過程控制等行業(yè)，成為發(fā)展最快的現(xiàn)場總線之一，尤其在建筑領(lǐng)域，該技術(shù)已成為國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。
上圖所示的是兩級Lonworks網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式,一路是路由器，一路是智能節(jié)點，它將每一用戶設(shè)計為一個 Lonworks智能節(jié)點，由該智能節(jié)點對用戶內(nèi)各部件進(jìn)行實時監(jiān)控，完成控制系統(tǒng)的大部分功能。
Lonworks 總線技術(shù)規(guī)定：一個Lonworks網(wǎng)絡(luò)最多可以有255個子網(wǎng)，而每個子網(wǎng)最多可以有127個節(jié)點。
在上述結(jié)構(gòu)中，每127個節(jié)點需要一個路由器以支持更多的節(jié)點。所以Lonworks網(wǎng)絡(luò)其節(jié)點數(shù)最多可以達(dá)到 255 ×127= 32385。
