_LonWorks_现场总线技术综述

１″ＬｏｎＷｏｒｋｓ″现场总线的形成和发展现场总线（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）是２０世纪９０年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。

人们通常把现场总线系统的发展分为五代，即把２０世纪５０年代前的气动信号控制系统ＰＣＳ称作第一代；把４～２０ｍＡ等电动模拟信号控制系统称为第二代；把数字计算机集中式控制系统称为第三代；而把２０世纪７０年代中期以来的集散式分布控制系统ＤＣＳ称为第四代；把现场总线控制系统ＦＣＳ称为第五代。

ＦＣＳ作为新一代控制系统，一方面，突破了ＤＣＳ系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把ＤＣＳ的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。

可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。

其中具备较强实力和影响的有：ＬｏｎＷｏｒｋｓ（Ｌｏｎ）、ＦｏｕｄａｔｉｏｎＦｉｅｌｄｂｕｓ（ＦＦ）、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、ＨＡＲＴ、ＣＡＮ、Ｄｕ－ｐｌｉｎｅ等。

它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。

２现场总线的特点和Ｌｏｎ总线的优缺点２．１现场总线的技术特点（１）系统的开放性；（２）互可操作性与互用性；（３）现场设备的智能化与功能自治性；（４）系统结构的高度分散性；（５）对现场环境的适应性。

２．２Ｌｏｎ总线的优缺点优点：（１）节省硬件数量与投资；（２）节省安装费用；（３）节省维护开销；（４）用户具有高度的系统集成主动权；（５）提高了系统的准确性与可靠性。

缺点：是目前各Ｌｏｎ厂家生产的神经元芯片输入时钟的最大频率只有１０ＭＨｚ，这对于某些高速或者要求网络响应速度较快的情况，会有些力不从心，所以在使用的时候，为了以后扩展系统方便，一般都将神经元芯片和其他微处理器联合使用；Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的Ｌｏｎ技术是一套完整地解决方案，从硬件到软件，还包括各种开发工具，但是其昂贵的价格却令好多用户望而生畏。

３″ＬｏｎＷｏｒｋｓ″现场总线的核心技术和网络自由拓扑结构ＬＯＮ网络系统是由智能节点组成，每个智能节点可具有多种形式的Ｉ／Ｏ功能，节点之间可通过不同的传输媒介进行通信，并遵守ＩＳＯ／ＯＳＩ的７层模型。

ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术是诸多现场总线中唯一涵盖ＳｅｎｓｏｒＢｕｓ、ＤｅｖｉｃｅＢｕｓ和ＦｉｅｌｄＢｕｓ三种应用层次的总线技术；是目前各种现场总线中技术最完整、应用领域最广的一种技术。

ＬｏｎＷｏｒｋｓ作为一个完整的控制网络平台，包括网络的设计、开发、安装和调试、监控等一整套工具，以及从神经元芯片、智能收发器、网络接口、路由器、中继器、ＩＰ网络连接设备、网络操作系统一整套完整的端到端解决方案，其核心技术是神经元通信控制微处理器芯片和ＬｏｎＴａｌｋ通信协议。

＊黑龙江省教育厅２００６年科学技术研究计划项目（项目编号１１５１３０３７）；淮安市科技局２００６年科技计划项目＊＊高安邦哈尔滨理工大学（哈尔滨１５００８０）、淮安信息职业技术学院教授，主要研究方向：ＬｏｎＷｏｒｋｓ智能网络测控。

＊＊＊姜福详盛定高徐建俊淮安信息职业技术学院副教授、高级工程师（淮安２２３００３），主要研究方向：机电控制收稿日期：２００６－０５－０３２００６年１０月第５期“LonWorks ”现场总线技术综述＊电脑学习高安邦＊＊姜福详＊＊＊盛定高＊＊＊徐建俊＊＊＊摘要介绍了“ＬｏｎＷｏｒｋｓ”现场总线的形成和发展、特点和优缺点、核心技术和网络自由拓扑结构以及它的开发应用、展关键词Ｌｏｎ总线形成和发展核心技术与自由拓扑结构开发应用展望与发展趋势中图分类号ＴＰ３９３．０２文献标识码Ａ文章编号：１００２－２４２２（２００６）０５－０００２－０３ＴｈｅＳｕｍｍａｒｙｏｆＴｈｅＬｏｎＷｏｒｋｓＦｉｅｌｄｂｕｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧａｏＡｎｂａｎｇＪｉａｎｇＦｕｘｉａｎｇＳｈｅｎｇＤｉｎｇｇａｏＸｕＪｉａｎｊｕｎＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ、ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ、ｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅＬｏｎＷｏｒｋｓｆｉｅｌｄｂｕｓ．ＴｈｅｎＫｅｙｗｏｒｄｉｔｓｃｅｎｔｒａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔａｐａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｐａｐｅｒｇｉ－ｖｅｓｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔａｎｄｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄ．望与发展趋势。

ＬｏｎＦｉｅｌｄｂｕｓＦｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｅｎｔｒａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＮｅｔｗｏｒｋＴｏｐｏｌｏｇｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＴａｐＤｅｖｅｌｏｐｉｎｇＴｒｅｎｄ・２・３．１神经元通信控制微处理器芯片（ＮｅｕｒｏｎＣｈｉｐ）：它是ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术的核心器件，是一种集通信、控制、调度和Ｉ／Ｏ支持为一体的高级ＶＬＳＩ器件。

它内含３个８位的流水线ＣＰＵ。

在片内存储单元中固化了７层通信协议中的６层内容，只有第７层需用户编写。

它有１１个可编程的Ｉ／Ｏ引脚，可组成３４种工作模式（Ｉ／Ｏ对象），并有５个通信引脚可组成３种通信模式，最高时钟频率为４０ＭＨｚ，有２个１６位定时器／计数器，一个４８位编码的内部标识符ＮｅｕｒｏｎＩＤ，一个用于远程标识和诊断的Ｓｅｒｖｉｃｅ引脚。

３．２ＬｏｎＴａｌｋ通信协议：ＬｏｎＴａｌｋ是ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术的通信协议的标准，与其他现场总线技术不同的是，它提供了对应于ＩＳＯ／ＯＳＩ开放系统互连七层参考模型所有各层的服务。

ＬｏｎＴａｌｋ协议采用一种基于载波侦听多路访问／介质访问控制（ＣＳＭＡ／ＭＡＣ）并且针对控制应用进行了优化的新型通信模式，称为带预测的Ｐ－ＰｅｒｓｉｓｔｅｎｔＣＳＭＡ算法。

ＬｏｎＴａｌｋ协议支持多种传输介质，如双绞线、电力线、超声波、光纤、无线射频，红外线和信源线（ｌｉｎｋｐｏｗｅｒ）以及ＩＰ等。

每一种介质称为一种信道，每一种信道都有专用的收发器（ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ）作为智能节点和通信介质之间的接口器件。

不同信道之间使用路由器（ｒｏｕｔｅｒ）进行连接。

各种传输介质具有不同的传输速率，最高为１．２５Ｍｂｐｓ（ＩＰ信道可支持１０－１００Ｍｂｐｓ）。

传输报文每帧的最高有效字节为２２８个，普通双绞线信道最远的传输距离为２．７ｋｍ。

ＬｏｎＴａｌｋ协议支持各种规模的网络，每个域最多可连接３．２万个节点，可有３．２万个域。

ＬｏｎＴａｌｋ协议支持全分布式的对等层点到点（ＰｅｅｒｔｏＰｅｅｒ）的通信，节点可以组成总线型、环型、树型等多种拓扑网络结构，特别值得一提的是还可以组成自由拓扑结构，它是各种常规拓扑结构的组合。

其拓扑结构图如图１所示。

４Ｌｏｎ总线技术的开发应用Ｌｏｎ总线技术的应用开发使用ＮｏｄｅＢｕｉｌｄｅｒ开发工具。

它是开发ＬｏｎＷｏｒｋｓ节点的工作平台；是硬件和软件开发工具的集合；支持使用一种称为ＮｅｕｒｏｎＣ的语言进行编程，这是一种面向对象的开发和设计方法，可用来编程和调试单个节点。

与ＮｏｄｅＢｕｉｌｄｅｒ开发工具一起提供的ＬｏｎＭａｋｅｒ网络集成工具，可用来将单个节点集成到ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络中。

通过网络变量进行节点之间的逻辑安装，并提供网络设计、网络配置、网络启动、网络测试、网络管理和网络维护等一体化工具。

为了使用户方便地进行应用开发，Ｅｃｈｅｌｏｎ公司提供了多种模块化系列的硬件和软件产品，其中包括：（１）收发器：完成对发送和接收的信息进行编码和解码，不同的通信介质采用不同型号的收发器。

Ｅｃｈｅｌｏｎ公司最新的第三代双绞线和电力线智能收发器，将神经元芯片核心和收发器ＤＳＰ电路集成在一个芯片中，大大提高了产品的性能和开发应用的方便性。

（２）路由器：是连接不同信道的网络基础结构设备。

用于提供网络路由，连接不同通信媒介、扩展网络节点数和通信距离等功能。

不同信道之间使用的路由器具有不同的型号。

（３）ＬｏｎＴａｌｋ网络接口适配器：允许用户使用各种不同接口方式，包括ＰＣＩ总线插槽、ＰＣ卡接口、ＥＩＡ／ＲＳ－２３２串行口等，把ＰＣ连接到ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络上去。

（４）控制模块：是一块包含Ｎｅｕｒｏｎ３１５０神经元芯片、收发器（或智能收发器）、Ｆｌａｓｈ存储器和晶振的微缩电路・３・卡。

采用多层电路板和表面焊接的先进工艺，它是Ｌｏｎ－Ｗｏｒｋｓ技术中智能节点的核心。

不同的通信介质和不同的网络拓扑结构应采用不同型号的控制模块。

（５）ｉ．ＬＯＮ系列ＩＰ网络连接产品，包括ｉ．ＬＯＮ１０以太网适配器，ｉ．ＬＯＮ１００／ｉ．ＬＯＮ１０００互联网服务器、ｉ．ＬＯＮ６００ＩＰ路由器，提供不同通信媒体的ＬｏｎＷｏｒｋｓ控制网络与ＩＰ网的无缝连接，使ＬｏｎＷｏｒｋｓ局部控制网络扩展为广域网络，为地理分布的大范围、多地点的远程集中监控管理提供了广阔的应用前景。

Ｌｏｎ总线技术的应用开发技术线路如图２、图３所示。

５″ＬｏｎＷｏｒｋｓ″现场总线的展望与发展趋势发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点课题。

国际上现场总线的研究、开发，使机电传动测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上了开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。

现场总线技术是机械、控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛，笔者认为应不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开发。

自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。

现代网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有：智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系统集成技术等。

现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步，了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国机电与相关行业的发展，对自动化技术、机电一体化设备的改造和更新换代，无疑都具有重要的作用。

有理由认为：在从现在起的若干年内，可能会出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。

在连续过程自动化领域内，今后几年内，ＦＦ基金会现场总线将成为主流发展趋势，ＬｏｎＷｏｒｋｓ将成为有力的竞争对手，ＨＡＲＴ作为过渡性产品也能有一定的市场。

在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，ＬｏｎＷｏｒｋｓ则具有独特的优势。