（电工理论与新技术专业论文）基于lonworks网络的消防应急与逃生系统硬件研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n 0 1 0 9 ya st h ei m p r o v e m e n t o fp e o p l e sm a t e r i a ll i f e ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n gi se n t e rp e o p l e sl i f e i n t e l l i g e n tb u i l d i n gc o m b i n e sc o t n p u t e rs c i e n c ec o m m u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y i n f o r m a t i o n t e c h n 0 1 0 9 y a n d b u i l d i n g a r t t o g e t h e r f i r ei nt h e c o n t e m p o r a r yb u i l d i n gw o u l dg i v ep e o p l eh u g e1 0 s t f i r em o n i t o rs y s t e m i sag o o dw a yt oc o n t r 0 1f i r e f o rs o m eh i s t o r i c a lr e a s o n s ，f i r em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m sa r e s e p a r a t es y s t e m s s oi t i sr e q u i r e dt h a ts o m ep e o p l et om o n i t o rt h e s e s e p a r a t es y s t e m s i t i saw a s t eo fm a n p a w e ra n dt h er e l i a b i l i t yi sq u i t e p o o r i fa 1 1t h es e p a r a t es y s t e m sa r ec o n 九e c t e dt ob ea ne n t i r es y s t e m ，i t i sp o s s i b l et om o n i t o ra n dc o n t r o la l l t h ef i r ei n f o r m a t i o ni nas i n g l e r o o j i 】， t h ec o n t r 0 1c e n t e r i t i sg u a r a n t e e dt h a tt h ef i r ei n f o r m a t i o n w o u l db et r a n s f e r r e dr e l i a b l ya n dti m e l y ， s oi ti m p r o v e st h em 。n a g e m e n t o ff i r ei n f o r m a t i o na n ds a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n to fn e t w o r ka n d c o n v e n i e n c e t h en e ws y s t e mw i l la l s ot a k es o m es t e p st oc o n t r o lt h ef i r e a sw e l la st op r o v i d ep e o p l er e l i a b l et 0 0 1 st oe s c a p e l o n w o r k st e c h n o l o g yi sa ni n t e g r i t yp l a t f o r mw h i c hw a sb r o u g h tu pb y a na m e r i c a n c o m p a n ye c h e l o n n o wi t i sw i d e l yu s e di ni n t e l l i g e n c e b u i1 d i n g ，i n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，f i r em o n i t o r8 n d c o n t r o l ，a n ds oo n s ot od e v e l o pa1 a s h u pf i r ea n de s c a p es y s t e mb a s e d o nl o n w o r k s ，a n dt h e na d di tt ot h ei n t e l l i g e n tn e t w o r ks y s t e m st of o r m ai n t e g r i t ys y s t e mw o u l db eab e t t e r1 j a yt ou p d a t et h eq u o n d a ms y s t e m k e y w o r d s ：l o n w o r k sn e u r o nc h i pg e n e r a l c o n t r o l 但o d u l ec o n t r o l g a t e w a y 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 楼宇自动化系统的历史与现状 楼宇自动化系统，其实质是运用计算机技术、通讯技术、控制技术、电子技 术和传感器等技术，对整个大厦的建筑设备一空调、照明、供电、供水、电梯、 消防等进行自动控制与管理，从而提高大厦的技术与信息含量，增强其整体竞争 力。随着信息技术的迅速发展，人们对各类建筑物的使用功能要求越来越高，楼 字自动化系统越来越复杂。早在2 0 世纪5 0 年代初期，一些发达国家就在楼宇中开 始采用电子器件组成控制系统，各种仪表、信号灯以及操作按键，通过各种线路 接至分散在现场的机电设备上，用来集中监控设备的运行情况，并对各种机电系 统实现手动或自动控制。到t 2 0 世纪6 0 年代末，出现了数字式自动化系统。2 0 世纪7 0 年代，采用专用计算机系统进行管理、控制和显示。随着微电子技术的 发展，2 0 世纪8 0 年代中期开始，使用计算机完成常规控制技术无法完成的任务， 达到常规控制技术无法达到的性能指标，实现楼宇的智能化。现在，智能楼宇经 过多年的发展，己进入了一个更高的智能阶段。通过对楼宇智能功能的配备。达 到节约能源、保护环境和实现可持续发展的目标，强调高效率、低能耗、低污染。 另方面，随着i t 产业的迅速发展，智能楼宇的内涵和面貌也日新月异，作为智 能建筑核心的楼宇系统集成，要求的是网络化的集成，而不再是仅仅以处理器或 服务器为中心。计算机环境也正从c l i e n t s e r v e r 逐步向b r o w s e r s e r v e r 或 c 1 i e n t n e t w o r k 的方向发展。集成系统的开发也从面向过程而更多地转向面向对 象，密切结合应用需求，强调综合集成。从信息交互上来看，也已经从简单的状 态信息组合和基于监控的处理，发展到基于内容的检索、处理和融合，以及基于 虚拟和多媒体技术的人机接口。 1 2 现场总线技术 按照现场总线基金会( f f ) 定义：现场总线是一种用于智能化现场仪表和自动 浙江太学硕士学位论丈 化系统的开放式、数字化、双向传输多分支结构的通信网络。它是用于过程自动 化和制造自动化底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络，是现场通信网络与 控制系统的集成。现场总线技术是将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使 它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，成为独立承担某些控制、通信任务 的网络节点。它们分别通过普通双绞线等多种传输介质进行信息传输联络，把多 个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成网络系统，把公开、规范的通信协议， 在位于生产控制现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作监控、管 理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动 控制系统。 1 2 。1 国内外技术现状 目前国际上有4 0 种宣称为开放型的现场总线标准。由于技术和利益的原因， 比较流行的主要有以下几种： 1 c a n ( c o n t r o ll e ra r e an e t ，控制局域网络) c a n 是主要用于各 种过程检测及控制的一种网络。它是由德国b o s c h 公司为汽车的检测和控制而设 计的，目前已经逐步应用到其他的工业部门的控制应用，并成为i s o 一1 1 8 9 8 国际 标准 2 p r o f i b u s s ( 过程现场总线) 过程现场总线p r o f i b u s s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是德国标准，1 9 9 1 年在 d i n l 9 2 4 5 中公布了此标准。p r o f i b u s 有几种改进型，分别用于不同场合。 p r o f i b u s s p a y ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 用于过程自动化，通过总线供电，提 供本质安全型可用于危险防爆区域。 p r o f i b u s s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 用于一般自动化 p r o f i b u s s - d p 用于加工自动化，适用于分散的外围设备 3 可寻址远程传感器数据通路( h a r t ) 4 现场总线基金会( f f ) 现场总线 现场总线基金会( f f ) 是国际公认的唯一不附属于某企业的公正的非商业化 的国际标准化组织，其宗旨是制定单一的国际现场总线标准，无专利许可要求， 供任何人使用。 2 浙江大学硕士学位论文 这些现场总线中不乏优异的现场总线，如c a n 、m o d b u s 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、 b a c n e t 、d e v i c e n e t 等等。其6 p l o n w o r k s 、b a c n e t 、c a n 、e i b 等现场总线在楼宇 自动化领域获得了较广泛的应用。 1 2 2 未来测控网络的发展趋势 未来的发展要求测控网络应具备如下条件： 开放性：网络协议必须是开放的，并且对任何用户都是平等的。 互操作性：网络协议需要完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。 通信媒介：可用任何传输媒介进行通信，包括双绞线，电力线。光纤，同轴 电缆，无线电波和红外光波，并且多种媒介应该能够在同一个网 络中混合使用 网络结构：应该能够使用所有现在已有的网络结构，如主从式，对等式以及 客户朋艮务器式。 网络拓扑：不受总线型网络拓扑单一形式的限制。网络拓扑应该可以自由组 合，除总线型拓扑结构之外，用户还可以选择任意形式的网络拓扑。 目前较流行的现场总线，如f f ，c a n 等，都达不到上述要求，而l o n w o r k s 技 术却可以完全满足上述这些基本要求。 1 2 3l o n w o r k s 网络的发展 美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出了l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) 技术，又称 l o n w o r k s 技术。它得到了众多计算机厂家、系统集成商、仪器仪表以及软件公司 的大力支持，已经在楼宇自动化、工业自动化、电力系统供配、消防监控、停车 场管理等领域获得广泛应用。具体地说l o n w o r k s 具有以下优点： 网络结构灵活、组网方便。它支持多种网络拓扑形式，包括总线型、星型、 树型、自由拓扑型等，这样可适应复杂的现场环境，方便现场布线； 支持多种传输介质。包括双绞线、同轴电缆、电力线、光纤、无线射频等； 两种传输速率：7 8 b p s 和1 2 5 m b p s ，最大传输距离由网络拓扑形式和传输介质决 定，一般可从5 0 0 m 至u 2 7 0 0 m 。可接人的节点最多为3 2 3 8 5 个； 完善的开发工具。提供完善的系统开发环境，采用开放的n e u r o nc 语言，它 浙江大学硕士学位论文 是a n s i c 语言的扩展； 无主的网络系统。l o n w o r k s 网络中各节点的地位相同，网络管理可设在任一 节点处，并可安装多个网络管理器； 开发l o n w o r k s 网络节点的时间较短，也易于维护。l o n w o r k s 采用的l o n t a l k 协议固化在e c h e l o n 公司的n e u r o n 芯片中，这样可以节省开发l o n w o r k s 网络节点 的时间，也方便维护。 目前世界上已安装有5 0 0 多万个l o n w o r k s 节点，l o n t a l k 协议也被接纳为欧洲 c e n t c 2 4 7 、c e n t c 2 0 5 的一部分。自1 9 9 6 年以来，l o n w o r k s 也开始在国内获得大 量的应用。在建设部的支持下，国内一些研究所和企业开始陆续开发出基于 l o n w o r k s 的楼宇自动化控制系统，并在一些新建智能大厦和建设部智能化小区试 点工程中得到应用。 表i 1 简单比较了各种总线的特点 类别 c a ni s ps p 5 0l o n 应用范围汽车自动化过程控制过程控制 所有行业 o s i l ，2l ，2 ，7i ，2 , 3 ，8 1 7 控制方式命令状态状态命令状态 网络结构总线总线总线网络 联络方式c s m a c d令牌，主从令牌，主从可预测p c s m a c s 幽d 纠错c r cc r cc r cc r c 通信媒介 双绞线，光缆 双绞线双绞线 双绞线，同轴电 缆，无线电波，电 力线，红外光波 访问方式广播方式单。多址，广播方单，多址，广播方 单，多址，广播方 a 式式 通信速率 l2 52 51 2 5 ( m b s ) 节点数 4 08 1 2 82 52 4 8 优先级 网络管理 网桥路由 器中继器 本质安全 开发工具 协议分析 浙江大学硕士学位论文 1 2 4 现场总线控制系统应用于楼宇的意义 由于现场总线所具有的与一般总线的不同特点，尤其是现场总线系统结构的 简化，使控制系统从设计、安装、检修和维护，从而处处体现出现场总线的优越 性。 l ，节省投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、计 算，控制和报警功能，可以减少变送器的数量，并且不需要单独的调节器、 计算单元等功能单元及其复杂接线。另外。可以使用通用的工业p c 机作为监 控站，从而节省了大批的硬件费用。 2 减少安装费用 现场总线的接线非常简单，一对双绞线或电缆( 如同轴电缆) 上通常可以 挂接多个设备，可以减少半到三分之二的隔离器、端予柜、i o 终端、i 0 卡件及i 0 柜子，可以节省了 o 装置及装置室的空间，连接设计与接头校对 的工作量也大大减少。当需要增加现场设备时，无需增设新的电缆，可就近 连接在原有的电缆。 3 节省维护丌销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信 将相关的诊断维护送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信 息，以便尽早分析故障原因并快速排除故障，缩短了因为维护而停工的时间， 同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 4 提高了系统的可靠性 现场总线采用数字化传输信号，与传统的d c s 底层现场设备到控制站的 4 - 2 0 m a 模拟信号传输相比，从根本上提高了测量和控制的精确度，减少了传 送误差。同时，由于系统的结构简化，控制功能分散到现场，设备和连线减 少，现场仪表内部功能加强，因而也就减少了信号的往返传输，提高了系统 的效率和可靠性。 5 易于集成 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免了因选择了 某一品牌的产品后所有设备的选型受制于该品牌厂商的局面，也不会为系统 浙江大学硕士学位论文 集成中不兼容的协议、接口而费神。用户牢牢掌握着系统集成的主动权。 1 2 5 本课题研究内容 本项目研制一种基于l o n w o r k s 控制网络的智能消防应急与逃生联网系统，系 统由智能逃生砖、智能应急灯、智能控制网三部分构成。智能逃生砖由电子电路 与逃生软梯组成，外型如砖，与建筑外墙协调，统一嵌装在楼房各窗户外侧墙面， 垂直成为一列，构成分布式智能逃生网络系统。当智能逃生砖被打开时，逃生软 梯自动打开，同时发出声光报警并向管理中心通报该逃生设备己被启用，人员可 以沿逃生软梯而下，直到打开下一层的智能逃生砖继续下行，最终安全到达地面 为止。智能逃生砖还具有外接火灾探测器、紧急求救按纽的报警接口，实现自动 火灾报警与紧急求救系统功能。智能应急灯由电子电路与应急灯组成，安装在楼 房房间或通道，系统可以通过控制网络自动定时检测应急灯故障情况。并且在管 理中心接到紧急求救或火灾报警信号后，联动进行网络应急灯控制。智能控制网 是用先进的l o n w o r k s 控制网络将分布于建筑物的智能逃生砖与智能应急灯联成 网络，进行信息交换与控制，实现向管理中心报警并由管理中心对前端设备的维 护与控制。系统在实现建筑群联网的基础上还可以通过电话网将火警警情自动上 报给1 1 9 指挥中心，并且可以通过i n t e r n e t 网络进行远程诊断与维护。 本项目产品在平时可以自动对消防应急与逃生设备进行远程检查，如果出现 异常打开或损坏状况能够马上现场报警并及时向管理中心报警，解决了消防应急 与逃生设备的非正常使用或损坏问题。在有火警发生时又能给人们提供了快速有 效的报警、应急指示与紧急逃生通道。本项目具有自主知识产权，是现代高科技 网络技术与消防应急逃生设备的理想结合模式，可广泛应用于各种民用建筑与商 用建筑与建筑群系统。 浙江大学硕士学位论文 第二章l o n w o r k s 技术 2 1 概述 l o n ( l o c a l0 p e r a t i n gn e t w o r k s ) 总线是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出的局部 操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段。在其支持下，诞生了新一 代的智能化低成本的现场测控产品。为支持l o n 总线，e c h e l o n 公司开发了 l o n w o r k s 技术，它为l o n 总线设计、成品化提供了一套完整的开发平台。目前采 用l o n w o r k s 技术的产品广泛地应用在许多行业，l o n 总线也成为当前最为流行的 现场总线之一。 l o n w o r k s 是一种综合得测控网络，它可以解决在控制网络的设计，构成，安 装和维护中出现的大量问题。 l o n w o r k s 技术的特点： 开放性：网络协议开放，对任何用户平等。 通信媒介：可用任何媒介进行通信，包括双绞线，电力线，光纤，同轴电缆， 无线电波，红外等，而且在同一网络中可以有多种通信媒介。 互操作性：l o n w o r k s 通信协议l o n t a l k 是符合国际标准化组织( i s o ) 定义的开 放互连( o s i ) 模型。任何制造商的产品都可以实现互操作。 网络结构：可以使主从式，对等式或客户服务器式结构 网络拓扑：星型，总线型，环型以及自由型。 网络通信采用面向对象的设计方法。l o n w 0 r k s 网络技术称之为“网络变量”， 它使网络通信的设计简化为参数设置，增加了通信的可靠性。 通信的每帧有效字节数0 到2 2 8 个字节。 通信速率可达1 2 5 m b s ，此时有效距离1 3 0 m ，7 8 k b 的双绞线，直线通信距离 长达2 7 0 0 m l o n w 0 r k s 网络控制技术在一个测控网络上的节点数可达3 20 0 0 个。 提供强有力的开发工具平台一一l o n b u “d e r 与n o d e b u i l d e r l o n w o r k s 技术核心元件一一u r o n 芯片内部装有3 个8 位微处理器 浙江大学硕士学位论文 ( r a m ，r o m ，e 2 p r o m ) 3 4 种i o 对象和定时器计数器等，还有l o n t a l k 通信协议。 n e u r o n 芯片具备通信和控制功能。 改善t c s m a ，采用可预测p 坚持c s h i a ，这样，在网络负载很重的情况下，不会 导致网络瘫痪。 l o n w o r k s 控制网络结构包括五个部分：网络协议( l o n t a l k ) 、网络传输介 质、网络设备、执行机构和管理软件。其中，网络设备包括智能测控单元、 路由器和网关等：执行机构包括传感器、变送器等：管理软件包括l o n t a l k 开 放式通信协议，并为设备之间交换控制状态信息建立一个通用的标准“” 2 2n e u r o n 芯片 l o n 网上的每个控制点称之为l o n 节点或l o n w o r k s 智能设备，它包括一片 n e u r o n 芯片、传感和控制设备、收发器( 用于建立n e u r o n 芯片与传输之间的物 理连接) 和电源，图2 2 ，n e u r o n 芯片控制设备的行为，并且和l o n 网络上的其 他设备通信，因此m e u r o n 芯片是网络设备的核心。 图2 2 是一种典型的l o n 节点的方框图 图2 2 典型的l o n 节点的方框图 2 2 1n e u r o n 芯片的硬件资源 网 络 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片，它不仅是l o n 总线的通信处理器，同时 也可以作为采集和控制的通用处理器，l o n w o r k s 技术中所有关于网络的操作实 际上都是通过它来完成的。 n e u r o n 芯片是节点的核心部分，包括一套完整的通信协议，及l o n t a l k 协议， 浙江大学硕士学位论文 从而确保节点间使用可靠的通信标准进行互操作，因为n e u r o n 芯片可直接与它 所监视的传感器和控制设备连接，所以一个n e u r o n 芯片可以传输传感器或控制 设备的状态，执行控制算法，和其它n e u r o n 芯片进行数据交换等，使用n e u r o n 芯片，开发人员可以集中精力设计并开发出更好的应用对象。无需耗费太多时间 去设计通信协议，通信的软件和硬件或操作系统，减少开发量，节约开发时间。 n e u r o n 芯片在大多数l o n 节点中是一个独立的处理器，如果节点需要具备更 强的信号处理能力或i 0 通道，n e u r o n 芯片还可以用于与其他处理器进行通信， 共同构成所需要的节点。 n e u r o n 芯片的主要性能特点有： 高度集成，所需外部器件较少。 三个8 位的c p u ，输入时钟可选范围：6 2 5 k h z i o m h z 。 片上存储器： i k b 静态r a m ( n e u r o n3 1 2 0 ，3 1 2 0 e 1 ) 2 k b 静态r a m ( n e u r o n3 1 5 0 ，3 1 2 0 e 2 ) 5 1 2 be 2 p r o m ( n e u r o n3 1 2 0 ，3 1 5 0 ) i k be 2 p r o m ( n e u r o n3 1 2 0 e i ) 2 k be 2 p r o m ( n e u r o n3i2 0 e 2 ) i o k br o m ( n e u r o n3 1 2 0 ，3 1 2 0 e i ，3 1 2 0 e 2 ) l l 条可编程i 0 引脚( 有3 4 中可选的工作方式) 1 0 0 、1 0 7 有可编程上拉电阻； 1 0 0 1 0 3 具有高电流吸收能力( 2 0m a ，0 8 v ) 两个1 6 位的定时计数器 1 5 个软定时器 休眠工作方式：这种工作方式能在维持操作的情况下降低电流损耗。 网络通信端口：有三种方式可供选择：单端方式，差分方式和专用方式 发送速率可选范围：6 1 0 b s “1 2 5 m b s 发送速度为1 2 5 m b s 时，峰值吞吐量是1 0 0 0 个数据包秒，可支持的吞吐量为 6 0 0 个数据包秒。 对差分方式的双绞线网络有4 0 m a 的电流输出。 9 浙江大学硕士学位论文 对查分方式的单端方式c p 4 可作为冲突检测的输入口。 固件包括： 符合o s i7 层协议的l o n t a l k 协议 i o 驱动器程序 事件驱动多任务调度程序 服务引脚：用于远程识别和诊断 4 8 位内部n e u r o ni d ：用于唯一的识别n e u r o n 芯片 内置低压保护以加强对片内e 2 p r o m 的保护 3 1 2 0 系列和3 1 5 0 系列n e u r o n 芯片都有l l 条i 0 引脚用于直接连接诸如发 动机，控制阀，显示器，a d 转换器，压力感应器，温度感应器，开关，中继器， 速率表以及其他的微处理器，调制解调器( m o d e m ) 等，通过网络通信端口与某一 通信子系统相连，实现分布式控制系统中各个节点之间信息的互相传送以及自动 控制处理。 n e u r o n 芯片家族中最初的成员是n e u r o n 3 1 2 0 x x 和3 1 5 0 芯片，3 1 2 0 x x 芯片 中包括e 2 p r o m ，r a m ，r o m 存储器，而3 1 5 0 芯片中无内部r o m ，但拥有访问外部存 贮器的接口，寻址空间6 4 k b ，可用于开发更为复杂的用应系统，表2 2 卜1 列 出了各种n e u r o n 芯片的比较，目前已有的n e u r o n 芯片产品见表2 2 卜2 。 表2 2 卜i n e u r o n 芯片比较 n e u r o n 芯片3 1 2 03 1 2 0 e 13 1 2 0 e 23 1 5 0 c p u333 3 e z p r o m ( 字节) 5 1 21 0 2 4 2 0 4 85 1 2 r a m ( 字节) 1 0 2 4 1 0 2 42 0 4 82 0 4 8 r o m ( 字节) 1 0 2 4 0 1 0 2 4 01 0 2 4 0o 外部存储器接口无无无有 1 6 位定时计数器 222 2 封装 s o i cs o i cs o i c f q f p 引脚数 3 23 2 3 26 4 表2 2 1 2 目前已有的n e u r o n 芯片产品 最大时钟 存储器访问 制造商芯片型号电源电压v 固件版本 频率m h z时间n s m o t o r o l am c l 4 3 1 5 0 b l f ul o1 3 04 5 5 56 9 04 5 - 5 5 m c l 4 3 1 5 0 f u1 0 6 1 0 54 7 5 5 2 5 1 0 浙江大学硕士学位论文 m c l 4 3 1 5 0 f u l52 0 04 5 5 56 m c l 4 3 1 2 0 b l d w1 04 5 一5 54 m c l 4 3 1 2 0 8 2 d w1 04 5 - - 5 56 m c l 4 3 1 2 0 d w1 04 5 5 53 t m p n 31 5 0 8 1 fl o1 3 04 5 5 56 t o s h i b a t m p n 3 1 2 0 8 1 m1 04 5 5 53 t m p n 3 1 2 0 e l m1 04 5 5 56 3 1 5 0 可以用于设计应用更复杂的控制系统，拥有外部存贮器接口使得开发人 员能够使用6 4 k b 寻址空间的4 2 k b 空间作为程序存储区，由于3 1 5 0 芯片不具有 内部r o m ，所以通信协议等固件皆由开发工具携带，并与应用程序代码一道写入 外部存储器中。 2 2 2n e u r o n 芯片的软件资源 在n e u r o n 芯片中固化有事件驱动的l o n 局部操作系统和开放式通信协议 l o n t a l k 协议的6 层内容，只有第7 层需要用户编写。l o n t a l k 为设备之间交换控制 信息建立了一个通用的标准。此夕b n e u r o n 芯片中包含支持应用程序正常运行的函 数库，通过调用这些函数可以实现事件检测、输入输出管理、在网络上接收和 发送报文以及控制神经元芯片的各种功能。 2 2 3 本系统中n e u r o n 芯片1 0 口的应用 系统的控制网关模块使用t n e u r o n 芯片的1 2 c 端口，读写数据到控制网关模块 上的存储芯片。读卡功能使用了端口1 0 8 + 1 0 9 + 1 0 0 一1 0 7 作为磁卡( m a g c a r d ) 输入端 口，读取来自读卡器的输出数据流，码标准为i s 0 7 8 1 1 。 2 3l o n t a ik 协议 l o n t a l k 协议是遵循o s i 参考模式的完整7 层协议，支持灵活寻址和单网多信 道，神经元芯片使用所有的3 个c p u 协同实现一个完整的网络协议。表2 3 显示出了 l o n t a l k 服务到7 层o s i 参考模型的层映射，以及不同c p u 要完成的层。 表2 ，3l o n t a l k 服务到7 层o s i 参考模型的层映射 浙江大学硕士学位论文 7 应用层应用程序兼容性l o n m a r k s 对象，配置属性，标准网络变量 a p p ( s n v t ) ，文件传输 6表示层 数据表达网络变量，应用程序消息，外部帧传送， n e t 网络接口 5会话层 远距离动作请求响应，身份鉴识，网络服务 n e t 4 运输层端到端运输数据确认及非确认的消息，通用命令，重复探测n e t 3 网络层目标地点选路单点及多点选路，路由信息 陋t 2数据链路层 媒体访问和装帧装帧，数据编码，c r c 校验，p 坚持c s m a ， m a c 冲突避免措施，优先权功能，冲突检测 l 物理层电气上的互连 媒体相关的接口和调制策略 m a c x c v r 由于n e u r o n 芯片的协议处理与通信媒介无关，因而能支持多种通信媒介，如 双绞线，电力线，射频，红外线，同轴电缆和光纤等。 l o n t a l k 寻址体系由三级构成，最高一级是域( d o m a i n ) ，只有在同一个域 中的节点才能互相通讯，可以说d o m a i n b p - - 个网，第二级是子网( s u b n e t ) 。每个 域可以有多达2 5 5 个子网。第三级是节点( n o d e ) 。每个子网可有多至1 2 7 个节点， 节点可以编成组，构成组的节点可以是不同子网中的节点，个域可以指定2 5 6 个组。 节点可使用下列五种格式实现寻址： d o m a i n ，s u b n e t = 0d o m a i n 中所有节点 d o m a i n 。s u b n e ts u b n e t 中所有节点 d o m a i n ，s u b n e t ，n o d e指定某个逻辑节点 d o m a i n ，g r o u p组内所有节点 d o m a i n ，s u b n e t ，n e u r o ni d指定某个物理节点 n e u r o n 芯片在制造后即有一个4 8 比特的比特串，用来唯一且永久的标识每 个芯片，用n e u r o ni d 表示。l o n t a l k 协议还提供四种消息服务类型：应答 ( a c e d ) ，请求响应( r e q u e s t ) ，非应答式重发( u n a c k d r p t ) ，非应答式( u n a c k d ) 。 2 4 存储映象 n e u r o n 芯片中的存储映象( i m a g e ) ，及软件分为3 个主要部分：系统映象， 应用映象及网络映象。 2 4 1 系统映象 1 2 浙江大学硕士学位论文 系统映象包括l o n t a l k 协议，n e u r o nc 库函数以及任务调度程序。在n e u r o n 3 1 2 0 x x 芯片中，系统映象软件存储在片内的i o k b 的r o l l 中：在n e u r o n 3 1 5 0 芯 片中，系统映象软件存储在片外的r o b 或闪存中。对于n e u r o n3 1 5 0 芯片，由于 该部分软件不能固化在芯片内，所以它只能作为开发工具l o n b u i l d e r 以及 n o d e b u i l d e r 随带的软件的一部分，依靠开发工具随带的软件，编程写入将作为 n e u r o n 芯片外存的e 2 p r o m ，r o m 或闪存中。 2 。4 2 应用映象 应用映象由两部分构成：n e u r o nc 编译应用程序产生的对象代码，应用程序 指定的有关参数，这些参数可以由网络管理工具查询，例如 ( 1 ) 网络变量固定且自识别数据 ( 2 ) 程序i d ( 3 ) 可选择的自识别( s i ) 以及自编( s d ) 数据 ( 4 ) 地址表记录数( 最多1 5 条记录) ( 5 ) 域表记录数( 最多2 条记录) ( 6 ) 网络缓存器的数目及空间大小 ( 7 ) 应用缓存器的数目及空间大小 ( 8 ) 接收事务记录数 ( 9 ) 目标n e u r o n 芯片的输入速率 ( 1 0 ) 收发器的类型及比特速率 在n e u r o n3 1 5 0 芯片中，应用映象通常是编程写入外部的r o m 中，也可以 通过网络下载到外部的e = p r o m 中。l o n b u i l d e r 或n o d e b u i i d e r 都能创建应用映 象数据结构 ( 1 ) 一个固定只读结构：结构的大小与节点应用无关 ( 2 ) 一个网络变量固定表：节点定义的每个网络变量占用一条记录 可选择的自识别以及自编数据：内含节点以及节点网络变量的信息。 2 4 3 网络映象 网络映象定义节点与网络上其他节点的关系，给定节点在网上的唯一行为。 它由4 部分组成：节点地址分配，网络变量的连接信息以及消息标签的连接信息， 安装时要设置的网络l o n t a l k 协议的参数以及应用程序的配置变量。当节点安装 浙江大学硕士学位论文 时，通常由网络管理器负责通过网络将网络映象下载到片内的e 2 p r o m 中，对于 简单的网络，节点可以修改自己的网络映象。n e u r o n 芯片上的应用程序可以通 过使用库函数调用来访问网络映象中的内容。在l o n b u i i d e r 以及n o d e b u i l d e r 中，除特别指出外，函数原型以及定义都可以在a c c e s s h 和a d d r e s s h 中找到。 网络映象的数据结构包括： ( 1 ) 一个域表：节点所在的每个域都占有一条记录 ( 2 ) 一个地址表：节点能访问的每一个网络地址都占一条记录 ( 3 ) 一个网络变量配置表：节点定义的每个网络变量都占一条记录 ( 4 ) 一个通道配置结构：定义节点收发器的接口 这些数据结构可以采用网络管理消息来访问，对于运行在基于p c 机的节点 主机上的网络管理器，l o n m a n a g e r 应用程序员接口( a p i ) 为基于p c 机的几点的 应用程序提供了对于这些结构的访问，对于运行在任何主机上的网络管理器， l o n m a n a g e rn s s 一1 0 网络服务器组件可提供类似的服务。 可见，在设备的存储映象中，应用映象以及网络映象是用户的定义部分，l o n 网中的许多设备可以有同样的应用映象，网络映象则允许不同的设备有不一样的 行为 2 5 网络变量 网络变量是一个对象，在网上可以连接到多个节点上，每个节点可以定义多 个网络变量，基于n e u r o n 芯片节点，这个数目是6 2 ，对于主机节点则要多得多 读写节点 写节点就是对输出网络变量进行写操作得节点，读节点就是对输入网络变量 进行读操作得节点。多数情况下，节点中既有输入网络变量，也有输出网络变量， 这样得节点既是读节点，也是写节点，所以确定是读节点还是写节点是对应某个 网络变量而言得。当写节点修改某个输出网络变量值时，n e u r o n 固件生成 l o n t a l k 消息( 默认采用应答服务) 发送给该变量的所有读节点，从而将变量的新 值通知他们，所有读节点在收到输出网络变量修改消息后，要修改对应的输入网 络变量值 2 网络变量修改 浙江大学硕士学位论文 2 5 1 同步网络变量 当一个输出网络变量修改后，调度程序总能保证该变量最近一次的修改值被 传送而且作为输入网络变量的修改事件被接收处理。但如果在很短的时间内对一 个输出网络变量进行多次修改，调度程序可能只能将最后一次赋的值传出去并且 被接收。如果一个网络变量的每次修改的值必须传送并接收，那么就只能使用同 步网络变量了。 2 5 2 网络变量的连接 网络变量连接与节点上的应用是相互独立的。网络变量的连接由网络管理工 具中的捆绑器来建立。该捆绑器可以是l o n b u i l d e r 网络管理器的一部分，也可 以是l o n m a k e r 安装工具或其他网络管理工具。 捆绑器首先找到具有共享网络变量的所有节点，然后给所有合适的节点赋地 址，确保信息流正确的流向。只有同类型的输入输出变量才能建立连接。 2 5 3 监视网络变量 般视节点的作用是为了从许多其他的节点获取数据。被监视的节点通常是完 全相同的节点。如一个显示警告的节点可以监视许多发送警告的传感器节点，传 感器节点都有一个输出网络变量定义为s n v t l e v d i s c 类型，而监视节点有一个 输入网络变量，也被定义为s n v t l e v d i s c 类型。 通常监视节点要等待输入网络变量的改变。当一个改变发生时，它必须识别 是哪个节点引起的改变。确定引起改变的源节点的方法取决于! i 矗视节点输入与传 感器节点输出的连接方法。针对监视节点的几种选择： 1 定义一个输入数组网络变量并将每个数组元素连接到不同的传感器节点上。 当限定为整个数组网络变量的n v _ u p d a t e o c c u r s 事件发生，可使用内嵌的 n v _ a r r a y i n d e x 变量来确定是哪个传感器节点引起的改变。这种方法使用于被 监视的节点数未超过监视节点限制的网络变量数的情况。 2 监视节点定义一个输入网络变量， x 浙江大学硕士学位论文 量上，使用显式寻址和显示消息显式地轮询每个传感器。这种方法可监视的节点 数不受限制，但轮询会带来延时。 3 监视节点定义一个输入网络变量，将传感器的输出网络变量全部连接到监视 节点的输入网络变量上，等待n v u p d a t e o c c u r s 事件发生，然后使用内嵌的 n v i n a d d r 变量来确定引起改变的源节点。这种方法被监视的节点数不受限制。 2 5 4 网络变量的鉴别服务 鉴别服务通常用读节点来鉴别写节点的身份。鉴别服务很有用，可以提高网 络的安全性。 鉴别服务可以配合应答服务或是网络变量轮询一起使用，但不能与非应答或 重发服务一起使用。一个应答服务通常需要两个消息：一个式修改消息，一个是 应答消息。这会影响系统的相应时间及系统的通信容量。 为使程序能够使用鉴别网络变量或发送鉴别消息，需要做下面两步： 定义网络变量为鉴别网络变量 用网络管理工具为节点设置使用的鉴别密钥。 鉴别网络变量定义 n e t w o r ko u t p u tb o o l e a nb i n d i n f o ( a u t h ( n o n c o n f i g ) ) n v s a f e l o c k ： n o n c o n f i g 关键字指明n v _ s a f e l o c k 是鉴别网络变量。 鉴别密钥的设置要考虑一下几点： 如果节点分属两个不同的域，应该指定两个鉴别密钥 读或写一个给定的鉴别网络变量所有节点必须有同一个鉴别密钥 密钥本身只有在出世配置时发送给节点。不过网络管理工具可以在网上使用网管 消息安全的修改鉴别密钥。 2 5 5 应答服务发送消息 当节点使用应答服务发送消息时，所有接收节点回送接收到消息的应答。如 图2 5 5 所示。网络处理器负责发回应答，应答不包含数据，并只到网络处理器。应用层 不参与消息的应答过程。 1 7 浙江大学硕士学位论文 络操作控件，与开发环境无关，可以使用此v c ，d e l p h i ，v b 等面向对象的 开发工具来开发适合自己特定网络的操作软件，减少组网的复杂程度，减 少组网时间，降低出错机率l o n m a k e r 这个组网工具就是使用该开发包 开发出来的优秀组网软件。 3 1l n s 简介 l n s ( l o n w o r k sn e t w o r k ss e r v i c e s ) 是工业控制网中第一个多用户网络操作系统， 很像一个标准的操作系统，实现了计算机的一些基本的操作功能，l n s 网络操作 系统封装了通常要用到的操作，提供必要的网络的操作，比如设备安装，管理， 监视和控制服务等，这些服务在大多网络应用中都有要求。另外，l n s 提供了一 个标准接口，使不同的网络程序能够交互。 l n s 架构结合了客户服务器架构和基于对象和组