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现场总线Lonworks技术的智能节点的开发与设计

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单片机与Lonworks节点通信的电路设计.

单片机与Lonworks节点通信的电路设计.

单片机与Lonworks节点通信的电路设计摘要：目前Lonworks现场总线已普遍应用于自动化控制的各个领域，现设计一种通过神经元芯片与单片机构建的适配器来完成现场总线与PC 机之间通信的方法。

主要介绍硬件电路设计部分。

关键词： Lonworks；神经元芯片；电路中图分类号：TN 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310007－01Lonworks现场总线在智能建筑的应用中，实时现场控制尤为重要。

Lonworks系统由以下部件组成：神经元芯片、收发器、现场总线设备以及网络设备。

实现现场控制的关键是直接通过PC机与现场总线上各个节点信号相互通信。

本设计有两个重点，其一是现场总线的节点通过收发器以及神经元芯片与单片机实现通信，其二是单片机运用RS-232标准实现网络协议的转换与PC机实现串口通信。

1 工作原理现场总线节点通过收发器及神经元芯片与单片机实现通信。

单片机（主机）和神经元芯片（从机）为核心，为了便于控制引脚和编程，二者之间通过双口RAM连接实现数据缓存共享，MAX232芯片完成单片机与PC的通信，实现PC对网络的控制。

2 主要元器件简介2.1 单片机。

单片机选用ATMEL公司的AT89C51，是一种低功耗、高性能的芯片，内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，与8051系列引脚和指令系统完全兼容。

2.2 MAX232。

MAX232芯片是包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信端口。

芯片内部有一个电源电压转换器，可以把输入的+5V电源电压转换成RS-232C输出电平所需要的±10V电压。

2.3 神经元芯片。

神经元芯片是智能节点的核心，它提供通信、控制、介质访问、I/O接口、I/O应用库、Lontalk协议、操作系统等软、硬件功能模块，并通过收发器实现与外部的通信。

LonWorks现场总线的分析与应用

LonWorks现场总线的分析与应用
Ｌ ｎ ｒｓ 历 ｏ Ｗｏ ｋ 坝ｌ 总线昀分析与应用
广 东工程职 业技 术 学院 方伟 中
［ 摘 要］ 本文 简要地介绍 了Ｌ ｎ ｏｋ － 总线技术的概 况和优 点； ｏ Ｗ ｒｓ ￣ 深入地论述 了Ｌ ｎ ｒｓ ｏ Ｗｏｋ 网络 的主要组 成元件 和网格的构成 ； 并 构建 了一 个基 于Ｌ ｎ ｒｓ ｏ ｗｏｋ 现场总线技 术的生活小区楼 宇 自动化 系统。 ［ 关键词 ］ｏ Ｗ ｏｋ 楼 宇 自动化 现场总线技术 Ｌ ｎ ｒｓ
１Ｌ ｎ ｏｋ 现 场 总 线 技 术概 况 ．ｏ Ｗ ｒｓ
补 。Ｎ ｕ ｎ 片可 以通过 ５ ｅｒ 芯 ｏ 个通 信管脚 与 网络上 的其 它节点 交换信 息， 也可 以通过 １ 个 应用管脚与现场 的传感器 和执行器交换信息 。１ １ １ 个应用管脚具 有 ３ 种应用操作模式 ， 以在不 同的配置下为外部提供 ４ 可 灵活 的接 口和芯片 内部 的计 时器应用 。第二个 Ｃ Ｕ为网络处理器 ， Ｐ 它 实现 Ｌ ｎ ａ 协议 的第三层至第六层。第三个 Ｃ Ｕ为应用处理器 ， ｏＴｌ ｋ Ｐ 实现 Ｌ ｎ ａ 协议 的第七层 ， ｏＴｌ ｋ 执行用户 编写的代码及用户代码所调用 的操作 系统服务。神经元芯片实现了完整 的Ｌ ｎ ｒｓ ｏＴ ｌ通信协议 。 ｏＷｏｋ 的Ｌ ｎ ａ ｋ ３２智能节点 ． 构成 Ｌ ｎ ｒｓ ｏＷｏｋ 控制 网络 的 Ｎ ｕｏ 智 能节点 由神经元 芯片 、 ｅｒｎ 传感 器、 控制设 备 、 收发器和 电源等 组成。Ｎ ｕ ｎ ｅ ｒ 智能节点分 为两类 ， ｏ 第一 类是 名为基于 Ｎ ｕｏ 芯片的节点 ， ｅｒ ｎ 节点 中不 再 出现其 它处理器 ， 它利 用 Ｎｕ ｎ ｅ ｒ 芯片完成包括通信 以及用户应用程 序在内的所有工作 ， ｏ 此类 节点结 构简单 、 成本低 ， 用于控制功能较 为简单的 网络 系统 ； 适 另一类 是称作 基于主机 的节 点 ， 节点 中除 了 Ｎ ｕｏ ｅ ｒｎ芯 片以外 ， 还有其 它的处 理器 ， 如单片机等 ， 诸 前者 主要 完成通信工作 ， 后者则完成用 户的应用 程序 ， 此类节点结 构复杂 、 成本 高 ， 但可 实现复杂 的控制功能 。图 １ 为 基于 Ｎ ｕｏ 芯片的节点结构 ｅ ｒｎ 。

LonWorks总线

LonWorks总线




现场总线控制系统采用总线连接方式替代一对 一的连线，减少了由接线点造成的不可靠因素 系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、 记录功能，可完成远程设备的参数设定、修改 等工作，也增强了系统的可维护性。 现场总线网络系统具有优良的系统扩展性，可 以非常方便增加网络节点
总结


现场总线是数字化通信网络，可以实现设备状 态、故障、参数等信息传送。现场总线控制系 统既是一个开放通信网络，又是一种全分布式 控制系统，它把单个分散的测量控制设 备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们 连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务 的网络系统
2 LonBuilder 和NodeBuilder开发工具


LonBuilder 和NodeBuilder是开发网络系统和 节点的工作平台，是硬件和软件卡法工具的集 合。 LonBuilder是系统的卡法工具，提供一个用 PC操作的开发环境，可支持单个仿真应用节 点，也可支持24个仿真节点和上百个远程节点 组成的复杂分散式把照明控制器和面板之间通 过现场总线相连接 网络节点为照明线路中的开关或控制箱，通过 现场总线这个枢纽组成网络，所有的控制信号、 开关灯的状态信号以及采集的电量信号都通过 现场总线网络进行通信，网络中的每个节点都 可以接受网络中其他节点的信息，非常方便地 实现节点间互相监测与控制。


3.2神经元芯片内部处理器 （1）MAC处理器——介质访问寄存器，主要完成介质访问控制， 即LonTalk协议1、2层，包括驱动通信子系统硬件和执行MAC算 法 （2）网络处理器——完成LonTalk协议3~6层，包括处理网络变 量，寻址，认证，后台诊断，软件定时器，网络管理和路由等 （3）应用处理器——完成用户的编程，宝库用户编写的代码以 及用户程序对操作系统的服务调用等 注意：各个处理器分别同时独立工作，通过缓冲器进行通信。网 络处理器使用网路缓冲器和MAC处理器通信；用应用缓冲器与 应用处理器通信

LonWorks现场总线及应用实例

LonWorks现场总线及应用实例

LonWorks现场总线及应用实例LonWorks 是美国Echelon 公司推出的现场总线技术，它采用Lon Talk协议，封装在Neuron 神经元芯片。

Neuron 芯片上集成了3 个CPU，其中一个CPU 作为控制器，可以处理现场I/O，另两个CPU 处理网络通信，因此LonWorks 的最大优势是网络处理能力。

它采用ISO/OSI 模型的全部7 层通信协议及面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率范围为3kb/s~1. 5Mb/s，直接通信距离可达2. 7 阳。

LonWorks 的物理层可以使用多种介质，如EIA485、双绞线、无线电，红外线，等等。

使用双绞线时最高传输速率为1. 25M 胁，最大传输距离为1. 2km，一个网中可以有255 个网段，每个双绞线网段可连接64 个节点;1..onWorks 网上的每个控制节点，称为LON 节点或1..onWorks 智能设备，它包括一块神经元芯片(Neuron)、收发器、νo 网络通信接口及电源等功能块，LonWorks 网由多个节点组成，节点通过收发器接入网络总线。

1.LonWorks 特点LonWorks 是唯一涵盖全部3 个层次(Sensor Bus、Device Bus 和Field Bus)，符合ISO/OSI7 层参考模型的现场总线技术。

在一个多种层次的现场总线产品并存竞争的现实环境下，LonWorks 兼收并蓄，成为连接过去、包容现在、面向未来的工业总线技术。

LonWor ks 技术的核心是以固件形式实现7 层通信协议，遵循元中心控制的真正分散模式;结点应用程序编写简易，开发系统完备;实行开放结构，具备良好的互操作性;另外，还有网关可方便构成局域网，甚至与Internet 相连，实现远程预览现场设备数据的应用。

LonWorks 技术在楼宇自控系统中的技术上的优势是显而易见的:(1)直接互联性。

LonWorks现场总线技术

LonWorks现场总线技术

LonWorks 现场总线技术LonWorks 技术组成部分：A.LonWorks 节点和路由器 B.LonTalk 协议 C.LonWorks 收发器 D.LonWorks 网络和节点开发工具1.1 以神经元芯片为核心的控制节点：一个神经元包含一个现场节点的大部分功能块-应用CPU 、I/O 处理单元、通信处理器。

一个神经元芯片加上收发器就构成了一个现场控制节点。

如下图 神经元节点结构图 由于神经元芯片只有8位总线，仅支持最高主频为10MHz ，因此此种控制节点结构所能完成的功能十分有限，对于一些复杂的控制，反应较慢，延时性较大，影响控制效果。

1.2 采用MIP 结构的控制节点：此种控制节点结构将神经元芯片作为通信协议处理器，而通过高级主机来完成复杂的测试和控制功能。

结构图如下： 基于主机结构的节点结构图LonWorks收发器电源Neuron芯片(仅对MC143150)网络介质(双绞线,无线射频等)I/O电路检测控制装置 接口收发器单元主处理器EPROM 双口RAM或并口复位电路Neuron芯片通过路由器的使用，使LON总线不受通信介质、通信距离和速率的限制。

LonWorks技术中，路由器包括以下四种类型：（1）中继器最简单的一种路由器，能转发经过两端的所有报文的路由器。

无论报文的目标地址和域是什么，只要是接收到的有效报文，中继器都能转发。

它要完成的任务是两个信道间简单地传送消息包。

（2）桥接器将要传送的消息包按其域地址在两个信道间向前传送。

（3）学习路由器（属于智能路由器）可以监视网络的通信量并且学习域/子网的网络拓扑关系，即通过学习建立自己的路由表，然后应用它所学的知识在信道间有选择地路由消息包。

（4）配置路由器（也属于智能路由器）借助内部的路由表在信道间有选择地路由消息包。

所不同的是内部路由表是由网络管理器建立的。

神经元芯片是构成LonWorks节点的核心器件，是一种集通信、控制、调度和I/O支持为一体的高级VLSI器件。

基于LonWorks现场总线技术的多功能智能节点设计

基于LonWorks现场总线技术的多功能智能节点设计

１ 引 言
随着控 制 系统 规 模 的 日益 扩 大 ， 布式 控 制 网络 分 的 应用越 来越 广泛 。 自从 ９ ０年代 以来 ， 现场 总 线技 术 已经成 为控 制系统 的一股发 展 潮流 ， 的优点 是设 计 、 它 安装 、 调试简 单 ， 成本 低廉 ， 同时 系统 的重构也 很 方便 。 在 Ｌ ｎ ｒｓ 场 总线控 制 网络 中 ， 同 时用 到 各 种各 ｏ Ｗｏ 现 ｋ 会 样 的模 拟设 备 和数 字设 备 ， 此要 求 智 能 节 点 可 以实 因
可 以有效 地 降低 维护 费用 。
关键词 ： 场总 线 ；￣ Ｗｏ ｓ Ａ Ｄ转 换 ； ／ 现 ｌｎ ｒ ； ／ ＿ ｋ Ｄ Ａ转换 ； 能 节点 智 中图分类 号 ：Ｐ １ Ｔ３６ 文 献标 识码 ： Ｂ 文章 编号 ：０ ６７ ６ （０ ６ １．２ ２０ １０ —１７ ２０ ）０１４ —４
应 用输 入输 出口和可 执行 Ｌｎ ａ ｏＴ ｋ协 议 的 网络通 信 口 。 ｌ 本 文采 用 的 Ｔ Ｐ １０内没 有 Ｒ Ｍ， 有外 部存 储 器 总 Ｍ ３５ Ｏ 但 线， 以便 支 持复 杂功 能 的应 用 。
传感
（／ ｔ ｏ）
总线技 术 ， 以设计 同时 实 现 多 路模 拟 量 和 数 字 量 的 可 输入 输 出的通 用型 智能 节点 。
２ Ｌ ｎ ｒ ｓ 场 总 线 的特 点 ｏ Ｗｏ ｋ 现
美 国 Ｅｈｌ ｃｅ ｎ公 司推 出 的 Ｌｎ ｒｓ 场 总 线在 采 ｏ ｏＷｏｋ 现
（） 络 信 口 ｆ Ｉ口网 通 接 ＿
Ｎ ｕ ｎ芯片 ｅｒ ｏ ｌ一
网
用开 放式 网络 互连 ７层模 型 （ Ｓ） 构 的基 础 上 开 发Ｄｅ ｉｎ Ｂａ ｅ ｎ Ｌ ｎ ｏ ｋ ｉｌｂ ｓ Ｔｅ ｈ ｉｕ ｅ Ｉｔ ｌｇ ｎ ｄ ｓｇ ｓ ｄ ｏ ｏ Ｗ ｒ ｓ Ｆ ｅｄ ｕ ｃ ｎ ｑ ｅ ｉ

LonWorks现场总线

调试工具
用于对LonWorks节点设备进行调试和故障排除， 提高开发效率。
04
LonWorks应用案例
智能家居系统
智能家居系统是利用LonWorks技术 的典型应用之一。通过LonWorks总 线，各种智能家居设备可以互联互通 ，实现集中控制和远程监控。
智能家居系统可以实现的功能包括： 自动控制家电、远程监控家庭安全、 调节室内环境等，从而提高居住的舒 适度和便利性。
03
LonWorks设备与工具
LonWorks节点设备
智能节点设备
具备数据采集、控制和通 信功能的设备，如传感器、 执行器等。
网关节点设备
用于连接不同总线网络的 设备，实现不同总线协议 之间的转换。
路由器节点设备
用于扩展总线网络的通信 范围，实现多跳通信。
LonWorks网络设备
总线网络
由多个节点设备组成的通信网络， 采用LonWorks技术实现设备间
城市照明系统还可以根据天气、交通等因素自动调节灯光亮 度、开关时间等，提高城市照明的智能化水平。
楼宇自动化系统
01
楼宇自动化系统是利用 LonWorks技术实现楼宇设备的 集中监控和管理的应用。通过 LonWorks总线，可以实现设备
02 的互联互通和智能化控制。
楼宇自动化系统可以提高楼宇的 能源利用效率和管理效率，降低 运营成本，提高楼宇的安全性和 舒适性。
应用编程接口
为了方便设备开发，LonWorks提 供了应用编程接口（API），开发人 员可以通过API进行设备开发。
通信速率与距离
通信速率
LonWorks网络的通信速率可以根据实际需要进行配置，常见的通信速率为 1.25-500kbps。
通信距离

基于LonWorks现场总线技术的智能节点设计


智 能 节 点 的 总体 设 计 节 点 应 用 程 序 图 １ ｏｎ ｒｓ智 能 Ｌ Ｗｏｋ 控制节点 由主 处 理 器 （ 一 方案
Ｌ ｎ ｒ 节 点是 同物理 上 与之 般用微 控制器 ） ｏＷｏｋ ｓ 执行 ，这类节 点适 合
Ｌ … 一 … 。 ｍ
ｕｅ Ｉ ｓｇｎ＆ ＾ＰＰＩ － １ ｑＩ ９ｎ
图２ 智能控制节点总体 结构框 图
且将它转化成非现场总线设备能接收的
信 息格式 ，又要将非现场 线设备上的 问 控 制 ＣＰ Ｕ处 理 Ｌ ｎ ａｋ７层 协 议 的 根 据 应 用 性 能 和 成 本 要 求 ，该 智 能 ｏ Ｔｌ
信 息转化传送 到现场总线控制模块 。它 第 １ 第 ２ ， 括驱 动通信 子系 统 节 点 的 外 部 存 储 器 采 用 Ｆ Ａ Ｈ和 到 层 包 ＬＳ 是实现 Ｌ ｎ ｒｓ ｏ Ｗｏｋ 现场总线 系统和非现 硬件和 执行 ＭＡＣ算 法 ； 网络 Ｃ Ｕ处 Ｒ Ｐ ＡＭ。Ｆ Ａ Ｈ ＲＯＭ不仅 能够在断 电 ＬＳ
２０ｍ ； ７０ 对于星 型或 自由拓扑 网络结 构 ，最 大 通信 距 离 可达 ５ ０ ０ ｍ，满 足
了远程测控的需求。 本 节 点 的最 主要 部 分 是 主处 理
控
模
及 外 设
接
器 ，选 用 Ｓ Ｃ ９ ５ ６ Ｄ ，它既要 接 Ｔ ８Ｃ １Ｒ ＋ 收现场总线控制模块并行发出的信息并
中，实 现基于 现场 总线 的控制 系统 ， 器和测控处理器 ，这类节点适合于 Ｉ ／ Ｏ
本 文 以 具 有 ＧＰＢ总 线 接 口 的 设备较简单 ， Ｉ 处理任务不复杂 的系统 。
设备 为 例 ，通 过 设计 基 于 Ｌ ＯＮ总 线
是一项非常有意义的工作 。 本文 的 目的是将 现场总线 技术 、

工业化计算机网络11---典型的现场总线-LonWorks技术

对复杂系统，需编制自定义模块。
ห้องสมุดไป่ตู้
8.2 LonTalk协议
1. LonTalk七层协议
LonTalk协议是LON总线旳专用协议，是LonWorks 技术旳关键。它符合1SO/OSI参照模型旳七层体系 构造，即具有物理层、链路层、网络层、传播层、 会话层、表达层和应用层。
LonTalk协议提供一系列通信服务，可使一台设备 旳应用程序能够在不了解网络拓扑、名称、地址或 其他设备功能旳情况下发送和接受网络上其他设备 旳报文。
①域地址(domain)： 域是一种信道或多种信道上旳节点旳逻辑集合。一
种域就是一种实际意义上旳网络，通信只能在同一 域中配置旳节点之间进行。 多种域能够占用同一种信道，所以，域地址能够用 来隔离不同网络上旳节点。域旳构造能够确保在不 同旳域中通信是彼此独立旳。 域标识符是唯一旳。
②子网地址(Subnet)： 一种子网是在同一域中节点旳逻辑集合，是一种或
各节点具有本地存储和处理能力，系统旳安全性很 高，能在系统规模大时防止网络通信旳冲突和网络 速度旳不足。
（1）物理层：定义通信信道上位流旳传播，它确保 源设备发送旳位流精确地被目旳设备接受。
（2）数据链路层：定义介质访问措施和单一信道旳 数据编码。
（3）网络层：定义设备名称和地址，源设备旳报文 怎样选择路由到达一台或多台目旳设备，以及当源 设备和目旳设备不在同一信道上时，怎样拟定报文 路由。
1）LonTalk协议旳网络地址构造 2）寻址格式
1）LonTalk协议旳网络地址构造
LonTalk地址唯一地拟定一种LonTalk数据包旳源 节点或目旳节点，路由器则利用这些地址在信道 之间选择数据包旳传播途径。
为了简化路由选择，LonTalk协议定义了分级旳网 络地址形式：

基于现场总线Lonworks技术的智能节点的开发与设计


中图分类 号 ： ２３ ＴＰ ７
文献 标识码 ： Ａ
基 于 现 场 总 线 Ｌ ｎ ｏ ｋ 技 术 ｏ ｗ ｒｓ 的 智 能 节 点 的 开 发 与 设 计
孙 君 曼１ 马 莉 ２ ，
（．郑州轻工学 院 信息 与控制工 程系，河南 郑州 １ ４００ ； ５ ０ ２
２ ．郑 州 轻 工 学 院 计 算 机 科 学 与 工 程 系 ， 河 南 郑 州
ａ ｌ ｚ ｄ．Ｔ ｈ ｒ ｎａｙ ｅ ｅ ｈａ ｄｗａ ｅ ｃｒ ｕ ｔｓｒ ｔｅｏｆｔ ｅ ｓ ａ ｔｎ ｄｅ ｉ ｉｃ ｓ ｄ ｅ ｐｈ ｉａ ｌ ｒ ｉｃ ｉ ｔｕｃ ｒ ｈ ｍ ｒ ｏ ｓ ｄｓ ｕｓｅ ｍ ａｔｃ ｌｙ．Ｔ ｈｅ ｓ ａ ｔ ｎ ｄｅ ｉ ｅ ｅｏ ｄ ａ ｓｇｎ ｄ， ｍ ｒ ｏ ｓ ｄ ｖ ｌｐｅ ｎｄ ｄｅ ｉ ｅ
采 集 监 控 报 警 等 功 能 的智 能 节 点 模 块 。
关 键 词 ：现 场 总 线 ；Ｌ ｎ ｏｋ ；智 能 节 点 ； 据 采 集 ｏ ｗ ｒｓ 数
Ｄｅ ｅ ｏ ｖ ｌ ｐｍ ｅ ｔ ａ ｓ ｇ ｎ ｎｄ Ｄｅ ｉ ｎ ｏｆＳｍ ａ ｔ Ｎｏ ｅ ｒ ｄ Ｂａ ｅ ｎ Ｆｉ ｌ ｓ Ｌｏ ｓ ｄ ｏ ｅ ｄ Ｂｕ ｎｗｏ ｋｓ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇ ｒ ｃ ｏｏ ｙ
２ Ｄ ｐ ． ｏ ｍｐ ｔｒＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ Ｚｈ ｎ ｚ ｏ ｎ ｔ ｏ ｉｇ ｔＩ ｄ ｓｒ ， Ｚｈ ｎ ｚ ｏ ４ ０ ０ ， Ｃｈｎ ； ． ｅ ｔ ｆＣ ｏ ｕ ｅ ｃｅ ｃ ｎ ｎ ｉｅ ｒ ， ｎ ｅ ｇ ｈ ｕ Ｉ ｓ． ｆＬｎ ｈ ｎ ｕ ｔｙ ｅ ｇｈ ｕ ５０ ２ ｉａ ）
ｈ ｖｎ ｈ ｕ ｃ ｉｎ ｆｄ ｔ ｌ ｃ ｉｎ ｔ ｎ ｉ ｄ ｏ ａ ｂ ｎ ｍｏ ｏ ｉ ｅ ｍｏ ｉ ｒｎ ｎ ｌｒ ｎ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｆ ｎ ｔ ｓｏ ａ ａ ｃ ｌ ｔ ｏ ａ ｎ ｏ ｒ ｃ ｒ ｏ ｎ ｘ ｄ ， ｏ ｏ ｅ ｏ ｎ ｔ ｉ ｇ ａ ｄ ａａ ｍｉ ｇ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｌ ｕ ；Ｌ ｎ ｒ ｓ ｓ ｒ ｎ ｄ ；ｄ ｔ ｏｌｃ ｉｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｄ ｂ ｓ ｅ ｏ ｗｏ ｋ ； ｍａ ｔ ｏ ｅ ａ ａ ｃ ｌ ｔ ｅ ｏ
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4 Lon智能节点的开发与设计实例
4.1 智能节点的硬件电路的实现 本节点以芯片 Neuron3150为核心构成一个数据
采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整 系统，实现底层设备自制，每一节点内部都具有实现 其特定 功 能 的 软 件，各 节 点 以 网 络 变 量（Network Variable）的形式进行通讯。该节点是基于对室内 CO 气体浓度监控而设计的，设计思路如下：由室内 CO 传感器（选用 MGS1100，是 Motorola生产的一种专
图3 Neuron3150与7135数据采集电路图
·700·
计算机测量与控制
第10卷
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门用于家庭用途的一氧化碳气体传感器）获得被测量 通用性、可靠性以及便于施工、调试、维护等方面的
于用户层的应用程序，还包括11个I／O 口，这样在 一个神经元芯片上就能完成网络和控制的功能。支持
多种 通 信 介 质 双 绞 线、 电 力 线、 电 源 线、 光 线、 无
线、红外等和它们的互连。它采用了ISO／OSI全部7
第10期
孙君曼：基于现场总线 Lonworks技术的智能节点的开发与设计
关键词：现场总线；Lonworks；智能节点；数据采集
DevelopLentandDesignofSLartNode BasedonFieldBusLonworksTechnology
SUNJun-man，MALi
（1.Dept.ofInformationandControllingEngineering，ZhengzhouInst.ofLinghtIndustry，Zhengzhou 450002，China； 2.Dept.ofComputerScienceandEngineering，ZhengzhouInst.ofLinghtIndustry，Zhengzhou 450002，China；） Abstract：ThestructurecharacteristicsofdistributedintelligentcontrolnetworksystembasedonLonworkstechnologyare
收稿日期：2002-02-27。 基金项目：河南省自然科学基金（1999510009）； 省科委自然科学基金（0111060900） 作者简介：孙君曼（1969-），女，河南省正阳县人，研究生， 主要从事控制工程方向的研究。 马莉（1954-）女，河 南 省 开 封 市 人，工 学 博 士，副 教 授，主 要从事智能控制、神经网络等方向的研究。
业、工业过程控制等行业，并且 在 开 发 智 能 通 信 接
口，智能传感器方面 Lonworks神经元芯片也具有独 特的优势。由于现场总线技术是一种新型智能全分散
系统，所以系统智能节点的开发与设计是构成全分布
式控 制 系 统 的 重 要 环 节，本 文 基 于 现 场 总 线 Lonworks技术给出智能节点的设计思路与设计方法，设 计开发出一个具有对室内有害气体 CO 进行数据采集 监控报警等功能的智能节点模块，利用该节点可构成
系统的数据采集取决于采用的 A／D 转换芯片， 由于室内气体浓度变化缓慢，选用了低速高精度的
A／D 转换芯片ICL7135，它是一种常用的4位半双积 分单片集成 ADC 芯片，分辨率相当于14位二进制 数，转换精度高，芯片采用了自动校零技术，可保持
IO-0inputnibbleio-all-points；
点 硬 件 配 置 为： 晶 振 10 MHz， 存 储 器 选 用 AT29C256，收发器选用 FTT-10。 图 3 为 该节点数 据采集电路图，它是按照特定的应用要求而设计的，
只要通过配置I／O 对 象 和 编 制 NeuronC 应 用 程 序， 就能控制该应用系统工作，从而实现室内 CO 有毒气 体监控报警等功能。
LonWorks网络智能控制系 统 在 功 能 实现上分为两级，如图1所示，现场控制 级和上层监控、管理级。现场控制级的核 心即分 布 于 设 备 现 场 的 一 个 个 智 能 节 点， 主要用于接收和处理来自传感器的输入数 据、执行通讯和控制任务以及控制执行器 操作等。节点采用自由拓扑结构，分散自 制，每个节点一方面分散独立地解决其测 控任务，另一方面通过点对点、点对多点 的通讯，解决节点之间的信息传输，实现 分散基础上的融合。在现场智能节点的基 础上，通过 DDE 服务器建立上层的监控 应用，实现系统地监控、管理、维护以及 与其它计算机系统之间的信息交互，从而
3 Lon智能节点构成
Lon网 上 的 每 个 控 制 点 称 为 Lon 节 点 或 LonWorks智能设备或称为智能节点SmartNode，它的核 心是 NeuronChip芯片根据实际需要配以相应的外围 接口电路，以完成控制电路的各种要求，如模拟量的 输入／输出、数字量的输入／输出、24V 继电器的开关 量输出以及干接触输入等数据采集和驱动单元的外围 电路。一个典型的现场控制节点框图如图2所示。主 要包含以 下 几 部 分 功 能 块：Neuron 芯 片、 传 感 和 控 制设备、收发器（用于建立 Neuron芯片和传输之间 的物理连接）和电源。其中 Neuron芯片是节点的核 心部分，它主要包括3个8位 CPU，非易失性随机 存储器，应用输入输出口和可执行 Lontalk协议的网 络通信口。Lon节点通过固件完成 Lontalk协议的数 据传输，并通过事件调度完成用户定义的各种计算、 I／O 事件处理及网络报文处理等功能。
LON 监控网络，能及时准确地对室内有害气体进行 浓度监控和报警，使用这种监控系统可避免灾难的发
生，为人民生命安全及国家财产安全提供保障。
2 LonWorks网络智能控制系统
2.1 LonWorks技术概述 LonWorks总线技术是由 美 国 Echelon 公 司 研 制
的，它 由 Motorala，IBM，Toshiba等 公 司 共 同 倡 导 于1999年正式公布而形成的，其性能特点如下：拥 有3个处理单元的神经元芯片（Neuron芯片），一个 用于链路层控制，一个用于网络层的控制，另一个用
networkoutputunsignedlonginttempcount； ／／内部自加变量，便于监控
5 结论
零点在常 温 下 的 长 期 稳 定 性。7135 工 作 的 外 围 电 路 及与芯片的连接如图3所示，MC1403组成的电路模 块为7135提供标准的1V 参考电压，4049组成的振 荡电路为7135提供125kHz的工作时钟。7135与芯 片的连接是通过4位2选1数据多路开关74LS157来 实现的，选通B 或 A 通道，芯片读入相映的状态位或 读入 8421 码值 B8、B4、B2、B1，这 样 可 节 约 I／O 口资源，3150芯片I0~I3 配置为半字节输入端口， 此外3150芯片 CLK1、CLK2端应接入晶振电路，由 于3150芯片上无 ROM 它 还 必 须 连 接 外 接 存 储 器， 用于存储应用程序和数据、存储 Neuron芯片固件及 预留区。
特性，于是定义了一个上限 CO 浓度值的网络变量 （nz）直接从网络上送入上限值，方便调试，并可减
少等待时间。监控时可直接查看内部累加网络变量
超标，如超标立即向光隔离接口输出控制信号，通过 继电器打开排气扇等，如长时间处于危险状态通过上 位机通讯报警或者通过捆绑节点关闭气源。该智能节
（tempcount），以确保 程 序 编 写 无 误。 应 用 程 序 流 程 图如图4所示。应用程序中部分IO 口及网络变量定 义如下：
中图分类号：TP273
文献标识码：A
基于现场总线 Lonworks技术 的智能节点的开发与设计
孙君曼1，马 莉2
（1.郑州轻工学院 信息与控制工程系，河南 郑州 450002； 2.郑州轻工学院计算机科学与工程系，河南 郑州 450002）
摘要：简要介绍了现场总线 Lonworks控制网络技术，并对其构建的分散智能控制网络系统的结构特征进行了分 析，着重探讨了 Lonworks测控网络前端智能节点的硬件电路组成，设计开发出一个具有对室内有害气体 CO 进行数据 采集监控报警等功能的智能节点模块。
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实现控制信息和管理信息的集成。
图1 LonWorks智能控制及监控系统结构图
图2 一个典型的 Lon智能节点方框图
层通信协议，采用了面向对象的设计方法，提供了一 个固化在神经元芯片的网络操作系统。提供了一个完 整的开 发 平 台， 这 包 含 现 场 调 试 工 具lonbuilder， 协 议分析，网络开发语言 NeuronC 等。由于支持面向 对象的编程（网络变量 NV）从而很容易实现网络的 互操作。LonWorks技术包括以下几个组成部分：（1） LonWorks节点和路由器；（2）Lontalk协议；（3）LonWorks收发器；（4）LonWorks网络和节点 开发工具。 2.2 LonWorks网络智能控制系统结构
4.2 智能节点的软件设计 该智能节点主要功能是完成对 CO 气体浓度进行
数据采集及监控报警，所以软件程序设计主要完成信
号采集，定义网络变量与上位机通信。考虑到系统的
Keywords：fieldbus；Lonworks；smartnode；datacollection
1 引言
现场总线（FieldBus）是一种多点、多站、多变 量、全分布式智能双向串行的数字通讯链路，它直接 沟通生产现场的测量、控制与执行设备，以及更高层 的自动化控制设备，它不仅是一个网络，而且是一个 开放式的控制系统。现场总线技术的出现，将传统的 DCS集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型智 能全分散结构，使构建高性能的分散式智能化工业检 测系统 成 为 可 能。 目 前 几 种 流 行 的 现 场 总 线 各 有 优 势，但 Lon总线以其突出的统一性、开放性、互操作 性及其可适用多种通信媒介、网络结构和网络拓扑等 优良性能，成为众多现场总线产品中的佼佼者，被誉 为通用控制网络。它广泛应用在楼宇自控系统、环境 检测系统、保安系统、办公设备、交通运输、化工行