工業網絡第四章第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一引言（1）

LonWorks是又一具有強勁實力的現場總線技術，它是由美國Echelon公司推出并與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO之OSI模型的全部七層通訊協議（最大特點），采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達到2700m（78kbps，雙絞線），支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質，并開發相應的本安防爆產品，被譽為通用控制網絡。第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一引言（2）

LonWorks技術所采用的LonTalk協議被封裝在稱之為

Neuron（神經元）的芯片中并得以實現。集成芯片中有3個8位CPU；一個用于完成開放互連系統參考模型中第1～2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現介質訪問的控制與處理；第二個用于完成第3～6層的功能，稱為網絡處理器，進行網絡變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數路徑選擇、軟件計量時、網絡管理，并負責網絡通信控制、收發數據包等；第三個是應用處理器，執行操作系統服務與用戶代碼。第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一第二部分

LonWorks技術二、通信控制處理器三、LonWorks通信四、通信協議LonTalk本章小結一、LonWorks技術概要五、面向對象的編程語言技術概要第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonWorks

技術概要基于LonWorks技術的現場控制系統由LonWorks節點，、路由器、LonTalk協議、LonWorks收發器和LonWorks網絡管理五大部分構成，下圖為LON總線構成的一個現場網絡。LonWorks節點LonWorks路由器LonTalk協議LonWorks收發器LonWorks網絡管理第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonWorks

節點

LonWorks節點可以采用以神經元芯片為核心的方式,即神經元芯片加上收發器構成一個現場控制節點。由于神經元芯片功能有限，也可以采用神經元芯片加主處理器的方式，把神經元芯片作為通信協議處理器，用高性能的主處理器完成復雜的測控功能。第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一RTR-10路由器核心模塊電源安裝按鈕B口收發器A口收發器LonWorks

路由器

LonWorks路由器是LON總線中一個重要的組成部分，也是其他總線所不具備的。它使現場總線不再受通信介質通信距離和通信速率的限制。在LonWorks技術中，路由器包括以下幾種：中繼器、橋接器、路由器。右圖為采用RTR-10路由器核心模塊構成的路由器框圖。第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk

協議

LonTalk是ISO組織制定的OSI開放系統互連參考模型的七層協議的一個子集。

LonTalk協議提供四種報文服務：確認服務、請求/應答方式、非確認重發方式和非確認方式。第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonWorks收發器

LON總線的一個重要特點就是它對多通信介質的支持，可以根據不同的現場環境選擇不同收發器和介質。第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonWorks網絡管理在LON總線中，需要一個網絡管理工具，這也是LON總線與其他總線所不同的地方。

網絡安裝網絡維護網絡監控當單個節點建成以后，節點之間需要互相通信，這就需要一個網絡工具為網絡上的節點分配邏輯地址，同時也需要將每個節點的網絡變量和顯示報文連接起來；一旦網絡系統建成正常運行以后，還需要對其進行維護；對一個網絡系統還需要有上位機能夠隨時了解該網絡的所有節點網絡變量和顯示報文的變化情況。第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonWorks開發工具

開發工具通常包括一個在多個節點上開發和調試應用程序的環境，一個安裝和配置這些節點的網絡管理器和一個檢測網絡業務量以保證合適的網絡容量和檢出錯誤的協議分析器。埃施朗的LonBuilder工具能組合各種配置，具有一系列的待選工具。開發工具使制造商能方便、經濟地為基于LonWorks的控制網設計和測試各個節點。

現在有幾家公司供應開發、測試LonWorks裝置并為其編程的工具。此外，好多公司為網絡設計和系統管理供應軟件工具，例如埃施朗的LonMakerforWindows，以及HMI工具，例如Wonderware的Intouch。第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LON總線的性能特點具有三個CPU的神經元芯片-鏈路（MAC）CPU-網絡（NET）CPU-應用（APP）CPU支持多種通信介質支持OSI全部七層協議，提供一個固化的網絡操作系統提供完整的開發平臺支持面向對象的編程，易實現網絡的互操作性第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonWorks的優點

LonWorks技術的基本元件（Neuron芯片），同時具備了通訊與控制功能；改善了CSMA，使網絡在負載很重時不會導致網絡癱瘓；網絡通信采用了面向對象的設計方法，使網絡通信的設計簡化成為參數設置，不僅節省大量的設計工作量，同時增加了通信的可靠性；

LonWorks技術通信的速率可達1.25Mbps；

LonWorks技術一個監控網絡上的節點數可達32000個；

LonWorks技術的直接通信距離可達2700米。第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一第二部分

LonWorks技術二、通信控制處理器三、LonWorks通信四、通信協議LonTalk本章小結一、LonWorks技術概要五、面向對象的編程語言通信芯片第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一神經元芯片名稱的由來

為了經濟、標準化設計，埃施朗公司采用了神經元芯片。選擇神經元這一名稱是為了指出正確的網絡控制機制和人腦的相似性。人腦中沒有控制中心，幾百萬個神經元聯網，每個神經元通過為數眾多的路徑向其它神經元發送信息。每個神經元通常都奉獻于某一專門功能，但失去任何一個不一定影響網絡的整體性能。

就開發者和集成人員來說，神經元芯片之優越在于它的完整性。內裝協議和處理器免除了在這些方面的任何開發和編程。開發者和集成人員只需要提供應用層編程和配置就能運行。這樣就使協議的實施標準化，并使開發和配置較為容易。第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一神經元芯片簡介（1）

大部分LonWorks裝置利用神經元芯片的功能，并將其用作控制處理器。神經元芯片是一種半導體裝置，專門設計用于為低價控制裝置提供智能的聯網能力。神經元芯片包括使用用戶編碼和開發裝置的通信和應用處理能力。埃施朗公司設計了最初的神經元，但神經元派生產品現在通常都由埃施朗的合作伙伴設計和制造。Cypress半導體公司、摩托羅拉、東芝等是那些芯片的當前生產者。眾多供應商為神經元芯片造成一個競爭環境，有助于使價格下降。

神經元基本上是一個“芯片上的系統”，由多個微處理器，讀寫存儲器和只讀存儲器、通信和I/O接口組成。只讀存儲器包含操作系統、LonTalk通信協議和I/O功能數據庫系統。芯片有用于裝置數據和應用程序的非易失性RAM，兩者都可從通信網絡上下載。在制造時，每個神經元芯片被賦予一個永久的全世界唯一的名為神經元ID的48位碼。現在有不同速度、存儲器類型和容量、接口的許多系列的神經元芯片。至1999年初就發運了超過7百萬的神經元芯片，某些種類的價格低于$3。第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一神經元芯片簡介（2）

一個全面實施LonTalk協議的稱為LonTalk固件的程序包含在每個神經元芯片的ROM中。這使得神經元能保證在每個裝置中公共協議的應用以完全相同的方式實施。大部分LonWorks裝置包括一個具有完全相同的嵌入式LonTalk協議實施工具的神經元芯片。這個方法解決了“99%兼容性”問題，并保證LonWorks裝置在同一網絡上的連接只需要很少甚至于不需要額外的硬件。神經元芯片實際上是結合成一體的3個8位微處理器，其中2個優化以執行協議，第3個供節點應用。所以，神經元芯片既是網絡通信控制器，又是應用處理器。這保證了不論控制裝置/網絡來自哪個制造商，使這些裝置能相互通信的內在協議是相同的。

每個神經元芯片都有一個被保證是唯一的48位的ID。但是，這個ID通常只用于初始安裝和診斷。為了簡化正常的網絡運行，在網絡管理中使用了邏輯尋址方法。。第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一神經元芯片結構第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一神經元芯片外型第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一通信接口I/O接口網絡處理器應用處理器網絡緩沖器應用緩沖器共享存儲器MAC處理器處理器單元

MAC處理器：完成介質訪問控制，即OSI模型中的第1-2層，包括碰撞回避算法；網絡處理器：完成OSI模型中的第3-6層協議，處理網絡變量、地址、認證、后臺診斷、軟件定時、網絡管理和路由等進程；應用處理器：完成用戶的編程，其中包括用戶程序對操作系統的服務調用。第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一存儲器分配

EEPROM：（512Byte）網絡配置和地址表，48位ID號，用戶應用程序代碼和一般只讀數據。RAM：（2kB）堆棧段、應用程序和系統程序的數據區，協議應用緩沖區和網絡緩沖區。64kB存儲器空間：用戶最多能用58kB，剩余6kB用于系統內部映射。

16kB外部存儲器空間：用于存儲LON的操作系統。

剩余存儲器空間：可作為用戶編寫的應用代碼以及應用程序所需的額外讀寫數據區。第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一輸入輸出端口神經元芯片與其它設備的互連是通過其上的11個I/O引腳——IO0–IO10。這些引腳可根據不同外設I/O的要求，靈活配置I/O方式：

IO4–IO7：可以通過編程設置成上拉；IO0–IO3：帶有大電流接收（20mA）；IO0–IO10：帶有TTL標準的遲滯輸入；

IO0–IO7：帶有低電平檢測鎖存。神經元芯片的I/O引腳不僅可自由配置其輸入輸出功能，而且還可與定時器、UART模塊等配合完成相應功能。第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一定時器

神經元芯片內有兩個定時/計數器：T1為多路選擇T/C：其輸入可通過一個多路選擇開關，從IO4–IO7四個I/O中選擇一個，輸出可連至IO0。T2為專用T/C：其輸入是IO4，輸出為IO1。每個定時/計數器內包括：可以由CPU寫入的16位裝入寄存器、16位計數器，可以由CPU讀出的16位鎖存器。第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一通信端口（1）神經元芯片支持多種通信介質，其通信端口為適應不同的通信介質，可將5個通信管腳配置成3種不同的接口模式，已適應不同的編碼方案和不同的波特率。單端模式：此模式在LON系統中應用最多（無線、紅外、光纖和同軸）。數據通信通過單端輸入腳CP0和輸出腳CP1，采用差分曼徹斯特編碼。開始發送數據報文前，神經元芯片發送端初始化輸出數據（CP1）為低，然后發出允許發送信號（CP2），這樣確保數據發送的開始時電平是從低到高。正式發送報文前，先發送一個同步頭，確保接收節點接收時鐘同步。該同步頭包括一個位同步域（一串差分曼徹斯特編碼的“1”）和字節同步域（1位差分曼徹斯特編碼的“0”，表示同步頭結束）。接著就是正式報文的第1個字節。報文結束時，通信端口強制差分曼徹斯特編碼為一個線路空碼，并保持到接收端確認發送的報文結束。作為選項，神經元芯片支持一個低有效的收發器碰撞檢測信號。差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼CP0CP1NRZ數據NRZ數據CP2CP3CP4發送允許允許睡眠發送碰撞檢測第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼CP0CP1NRZ數據NRZ數據CP2CP3CP4發送允許發送碰撞檢測通信端口（2）差分模式：此模式下，神經元芯片支持內部的差分驅動。采用差分方式類似于單端方式，區別是差分方式時具有一個內部差分驅動，同時不再包括睡眠輸出。差分方式也是采用差分曼徹斯特編碼，數據格式完全和單端模式相同。第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一通信端口（3）專用模式：在一些專用場合，需要神經元芯片直接提供沒有編碼和不加同步頭的原始報文。在這種情況下，需要一個智能的收發器處理從網絡上或從神經元芯片上來的數據。發送的過程是：從神經元芯片接收到這種原始報文，重新編碼，并插入同步頭；接收的過程是：從網絡上收到數據，去掉同步頭，重新編碼，然后送入神經元芯片。第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一時鐘系統與睡眠-喚醒機制時鐘系統：在神經元芯片中包括一個分頻器，通過外部的一個輸入晶振來輸入時鐘。神經元芯片正常工作頻率可從10M–625kHz（625kHz是對于低電壓神經元芯片來說的）。睡眠–喚醒機制：神經元芯片可通過軟件設置進入低功耗的睡眠狀態。此時，系統時鐘、使用的程序時鐘和計數器均關閉，但使用的狀態信息（包括神經元芯片的內部RAM）被保留。當有如下的輸入轉換時，正常的系統操作被恢復（喚醒）。I/O管腳的輸入（可屏蔽）IO4–IO7ServicePin信號通信端口（可屏蔽）差分模式CP0或CP1單端模式CP0專用模式CP3第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一Service引腳輸出時ServicePin通過一個低電平來點亮外部的LED，LED保持為亮表示該節點沒有應用代碼或芯片已壞；LED以0.5Hz的頻率閃爍表示該節點處于未配置狀態。輸入時，一個邏輯低電平使神經元芯片傳送一個包括該節點48位的ID網絡管理信息。為完成輸入輸出功能，該管腳的輸入輸出以76Hz的頻率、50%的占空比復用。當ServicePin沒有連接外部LED和上拉電阻時，ServicePin有一個片內可選（通過軟件設置）的上拉以保證輸入是無效的狀態。

ServicePin是神經元芯片中的一個非常重要的管腳，在節點的配置、安裝和維護的時候都需要使用該管腳。該管腳既能輸入也能輸出。第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一Watchdog定時器神經元芯片為防止軟件失效和存儲器錯誤，包含三個Watchdog定時器（每個CPU一個）。如果應用軟件和系統沒有定時地刷新這些Watchdog定時器，整個神經元芯片將自動復位。

Watchdog定時器的復位依賴于神經元芯片輸入時鐘的頻率，例如在輸入時鐘頻率為10MHz時，Watchdog定時器周期是0.84s。當神經元芯片處于睡眠狀態時，所有的Watchdog定時器被禁止。第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一第二部分

LonWorks技術二、通信控制處理器三、LonWorks通信四、通信協議LonTalk本章小結一、LonWorks技術概要五、面向對象的編程語言通信第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一概述

LON總線的一個非常重要的特點是它對多種通信介質的支持。由于突破了通信介質的限制，LON總線可以根據不同的現場環境選擇不同的收發器和傳輸介質。第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一雙絞線收發器（1）直接驅動型：直接驅動型使用芯片通信端口直接作為收發器，同時在外圍加入電阻和瞬態抑制器作為電流限制和ESD保護。直接驅動型適合網絡上的所有節點在同一個大設備中，使用同一個電源。直接驅動下最高傳輸速率為1.25Mbps（30米，使用UL級VI類線），此時，一條通道最多可掛64個節點。雙絞線收發器是LON總線最常用的裝置，主要支持的方式有：直接驅動方式、EIA-485方式和變壓器耦合方式三種。第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一雙絞線收發器（2）EIA-485型：

EIA-485接口也是現場總線中經常使用的電氣接口，LON總線同樣也支持。此方式下，最高傳輸速率可達1.25Mbps，但LonMark建議使用39kbps，在此速率下的典型電路如右圖所示，此時，一條通道上最多可掛32個節點，最大傳輸距離為660米。第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一雙絞線收發器（3）變壓器耦合型：

此方式可滿足系統的高性能、高共模隔離以及同時具有噪聲隔離的作用。此時，波特率可達1.25Mbps，最大傳輸距離2700米。

FTT-10收發器是使用最多的。FTT-10收發器包括一個隔離變壓器，一個曼徹斯特編碼器，采用厚膜電路集成在一個模塊中。第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一電源線收發器

所謂電源線方式，就是指通信線和電源線共用一對雙絞線。使用電源線方式的意義在于，所有節點通過一個48VDC的中央電源供電，這對于一些電力資源匱乏的地區具有非常重要的意義；另一方面，通信線與電源線共用一對雙絞線，可以節約一對雙絞線。

電源線收發器由于采用的是直流供電，所以它可以和變壓器耦合的雙絞線直接互連。第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一電力線收發器

電力線收發器，是將通信數據調制成載波信號或擴頻信號，然后通過耦合器耦合到220VAC或其它交直流電力線上，甚至是沒有電力的雙絞線。這樣做的好處是利用已有的電力線進行數據通信，大大減少通信中遇到的繁瑣的步線。

電力線（特別是我國）的固有缺陷是：間歇性噪聲較大；信號衰減很快；線路阻抗波動頻繁。埃施朗的改進：每個芯片含一DSP，完成數據收發；短報文頭糾錯技術，自動糾錯；動態調整收發器靈敏度算法；三態電源放大/過濾合成器。第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一其它類型收發器

除了前面討論的收發器，LON總線還支持其他一些收發器，這包括無線收發器、光纖收發器、紅外收發器，甚至是用戶自定義的收發器。無線收發器：

LON總線可以使用很寬的頻率范圍。對于低成本的無線收發器，典型的頻率是350MHz。使用無線收發器同時還需要一個大功率的發射機。當使用無線收發器時神經元芯片的通信接口要配置成單端模式，速率為4800bps。光纖收發器：

目前常用的LON總線光纖收發器是美國Raytheon公司開發的系列產品，包括光纖和雙絞線的路由器。通信速率1.25Mbps，最長距離3.5公里，每一個收發器包含兩路獨立的光纖端口。第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一智能收發器

在LON總線中，一個具有網絡邏輯地址的智能設備稱為一個節點。節點的構成，一般可以用神經元芯片、收發器和應用電路組成。如果神經元芯片不能滿足數據處理的要求，可以采用主處理器加神經元芯片的方式，此時，神經元芯片作為通信協議處理器使用。主處理器和神經元芯片之間可以通過并口、SPI或SCI串口、雙端口RAM等方式實現彼此間數據的交換。埃施朗公司的智能雙絞線收發器和智能電力線收發器就是這樣的產品。第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一路由器

對多種介質的透明支持是LON總線的獨特能力，它使開發者能選擇最適合他們需要的介質和通信方法。對多種介質的支持需通過路由器才可能。路由器也能用于控制網絡業務量，將網絡分段，抑止從其它部分來的數據流量，從而增加網絡總通過量和容量。

路由器裝置使單一的對等網絡能跨接許多類型傳輸介質，支持成千上萬的裝置。路由器通常有2個互連的神經元芯片，每個神經元芯片有一個適用于2個信道的收發器，路由器就連接在這2個信道上。路由器對網絡的操作是完全透明的，但是它們并不一定傳輸所有的數據包。智能路由器充分了解系統配置，能將沒有遠程地址的包閉塞。在使用了另一類稱為穿越路由器的路由器，LON總線系統就能在像因特網這樣的廣域網上跨接巨大的距離。

路由器一般用來：（1）擴展通道的數量；（2）連接不同的通信介質；（3）提高LON總線的可靠性；（4）全面提高網絡性能。第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一第二部分

LonWorks技術二、通信控制處理器三、LonWorks通信四、通信協議LonTalk本章小結一、LonWorks技術概要五、面向對象的編程語言通信協議第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk協議概述（1）

LonTalk協議是LonWorks技術的核心。該協議提供一套通信服務，使裝置中的應用程序能在網上對其它裝置發送和接收報文而無需知道網絡拓撲、名稱、地址或其它裝置的功能。

LonTalk協議能有選擇地提供端到端的報文確認、報文證實和優先級發送以便設定有界事務處理時間。對網絡管理業務的支持使遠程網絡管理工具能通過網絡和其它裝置相互作用，包括網絡地址和參數的重新配置、下載應用程序、報告網絡問題和節點應用程序的起始、終止、復位。第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk協議概述（2）為了處理網絡上報文沖突，LonTalk協議使用類似以太網所用的“載波偵聽多路訪問”（CSMA）算法。LonTalk協議建立在CSMA基礎上，提供介質訪問協議，使得可根據預測網絡業務量發送優先級報文和動態調整時間片的數目。通過動態調整網絡帶寬（稱為預測性p堅持CSMA協議）的算法來使網絡在極高網絡業務量出現時能繼續運行，而在業務量較小時又不降低網絡速度。第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk協議概述（3）

LonTalk協議是一個分層的以數據包為基礎的對等的通信協議，設計用于控制系統而不是數據處理系統的特定的要求。每個包由可變數目的字節構成，長度不定，并且包含應用層的信息以及尋址和其它信息。信道上的每個裝置監視在信道上傳輸的每個包以確定自己是否是收信人。假如是，則處理該包以判明它是包含節點應用程序所需的信息或者它是否是網絡管理包。在應用包中的數據是提供給應用程序的，如果合適，要發一個確認內報文給發送裝置。第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk協議的特點發送的報文都是很短的數據（通常幾個到幾十個字節）；通信帶寬不高（幾kbps–2Mbps）；網絡上的節點往往是低成本、低維護的單片機；多節點、多通信介質；可靠性高；實時性高。第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk協議的物理層

LonTalk協議支持多種通信協議，以適應不同的通信介質：雙絞線——差分曼徹斯特編碼電力線——載波或擴頻無線電——頻移鍵控FSK第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk的MAC子層

LonWorks的介質存取控制采用帶預測的P-堅持CSMA方式，CSMA／CD方式具有算法簡單、可靠性高、存取對各節點平等，低中負荷時實時性較好等優點。其缺點是實現沖突檢測比較復雜，重負荷下一個節點可能很長時間無法發送。LonWorks采用了一種稱為帶預測的P-堅持退避算法，較好地解決了CSMA在重負荷時的性能。另外還有一種總線仲裁協議的介質存取控制方式，它類似于多機系統中并行總線的管理機制。上述MAC方式在現場總線中均有采用，有的還得到了較廣泛的應用，經受了工業現場的考驗。第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一帶預測的

P堅持CSMA（1）

LonTalk協議采用帶預測P堅持CSMA，CSMA是載波偵聽多路訪問的英文縮寫，是一種隨機訪問方法。其含義是：任何結點要訪問傳輸介質發送消息時，首先要偵聽介質上是否有其它結點正在傳送信息（即有無載波，如果介質無載波，未被占用，則可以利用信道進行信息傳送，如果其它結點正在利用傳輸介質進行通信，則必須等待信道空閑之后才能進行傳送。

CSMA方案有許多處理方法，主要區別在于檢測出信道上的情況之后，發送時間的確定。

所謂帶預測P堅持CSMA的意思是：要求發送數據的節點監聽信道，若信道閑，則以概率P發送信息包，并以1—P的概率延遲一個時隙重新監聽信道，若信道仍然閑，則重復上述過程。若發送節點一開始就監聽到信道忙，則繼續監聽，直到信道由忙變閑后以概率P發送信息包，以1—P的概率延遲一個時隙再監聽。第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一帶預測的

P堅持CSMA（2）

LonTalk協議采用帶預測P堅持CSMA。它在保留CSMA協議的優點的同時，注意克服CSMA

協議在控制系統中的不足。帶預測P堅持CSMA

中，所有的節點根據網絡積壓參數等待隨機時間片來訪問介質，這就有效地避免了網絡的頻繁碰撞。每個節點發送前隨機的插入0～W個很小的隨機時間片，因此網絡中任一節點在發送普通報文前平均插入W/2個隨機時間片，而W則根據網絡積壓參數（Backlog）變化進行動態調整，其公式是W=BL*Wbase，其中Wbase=16，BL為網絡積壓的估計值，它是對當前發送周期有多少個節點需要發送報文的估計。當一個節點有信息需要發送而試圖占用信道時，首先在Beta1周期檢測信道有沒有信息發送，以確定網絡是否空閑。隨后節點產生一個隨機等待T，T為0～W時間片Beta2中的一個，如圖所示。當延時結束時，網絡仍為空閑，節點發送報文；否則節點檢測有信息發送，接收信息，然后再重復上述MAC算法。報文周期平均等待時間報文報文Beta1Beta2Beta1：空閑時間Beta1>1bit+物理延時+MAC響應時間Beta2：隨機時間片Beta2>2╳物理延時+MAC響應時間第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一帶預測的

P堅持CSMA（3）BL值是對當前網絡繁忙程度的估計。每個節點都有一個BL值，當偵測到一個MPDU時或發送一個MPDU時BL加1；同時再每隔一個固定報文周期BL減1。把BL值加入到MPDU/LPDU的頭中。當BL值減到1時，就不再減，總是保持BL≧1。可以看出采用帶預測P堅持CSMA

允許網絡在輕負載情況下，插入的隨機時間片較少，節點發送速度快，而在重負載情況下，隨著BL值增加，插入的隨機時間片較多，又能有效避免碰撞。對照實驗表明：36個LonWorks節點互聯，采用一般P堅持算法，當每秒要傳輸的報文達500～1000包時，碰撞率從10%上升到54%，而采用帶預測P堅持

的算法時在500包以下時碰撞率相當低，而在500～1000包時，穩定在10%。綜上所述，LonWorks的MAC子層具有一下優點：支持多介質的通信，支持低速率的網絡，可以在重負載下保持網絡性能，支持大型網絡。第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一報文周期平均等待時間報文報文Beta1Beta2優先級時間片帶預測的

P堅持CSMA（4）在MAC層中，為提高緊急事件的響應時間，提供一個可選擇的優先級的機制。該機制允許用戶為每一個需要優先級的節點分配一個特定的優先級時間片，在發送過程中，優先級數據報文將在那個時間片里將數據報文發送出去，優先級時間片是從0～127，0表示不需要等待立即發送，1表示等待一個時間片，2表示等待兩個時間片，……，127表示等待127個時間片，低優先級的節點需要等待較多的時間片，而高優先級的節點需要等待較少的時間片。這個時間片加在p-概率時間片之前，非優先級的節點必須等待優先級時間片都完成后，才再等待p-概率時間片后發送，因此加入優先級的節點總比非優先級節點具有更快的響應時間。下圖為優先級帶預測p-堅持CSMA的概念。第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk網絡變量（1）

LonTalk協議體現網絡變量（NV）的革新觀念。NV大大簡化LonWorks應用程序的設計工作，并方便了以信息為基礎而不是以指令為基礎的控制系統的設計。所謂網絡變量就是任何數據項（溫度、開關值或執行器位置設定），它們是一個特定裝置應用程序期望從網上其它裝置得到的（輸入NV）或期望提供給網上其它裝置的（輸出NV）。

裝置中的應用程序根本不需要知道輸入NV來自何處或輸出NV走向何方。應用程序的輸出NV的值變化時，它就只是把這個新值寫入一個特定的存儲單元。在網絡設計和安裝期間會發生一個叫“捆綁”的過程，通過這個過程配置LonTalk固件，以確定網上要求NV的裝置組或其他裝置的邏輯地址，匯集和發送適當的包到這些裝置。類似地，當LonTalk固件收到它的應用程序所需的輸入NV的更新數值時，就把它放在一個特定的存儲單元。應用程序知道在這個單元總是能找到最新數據。這樣，捆綁過程就在一個裝置中的輸出NV和另一個裝置或裝置組的輸入NV之間建立了邏輯連接。這個連接可想象為“虛擬線路”。假如一個節點有一個物理開關和相應的稱為“開關on/off”的輸出NV，而另一個節點驅動有稱為“燈on/off”輸入節點的一個燈泡，連接這兩個NV建立一個邏輯連接，其功能效應就如同從開關到燈泡連接一條物理線路。第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk網絡變量（2）第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk報文類型

LonTalk協議提供三種基本報文服務并且支持鑒別的報文。最優化的網絡會經常使用這些業務。第1類報文服務提供端到端的確認，稱為確認的報文發送。在使用確認的報文發送時，一個報文發送給一個節點或節點組，并期望從每個接收者得到個別的確認。假如未收到確認，發送者做超時安排并重試事務處理。重試和超時安排的次數都是可選擇的。第2類報文是不確認的重復報文。使用這類報文可把一個報文發送到節點或節點組許多次。這個業務通常在向一個大的節點組廣播信息時使用，因為確認報文會造成所有的接收節點同時嘗試發出一個響應。第3類報文簡單地就是不確認報文，發送節點或節點組一次，并且不期望響應。報文鑒別服務使報文接收者能確定發送者是否有權發送這個報文。這樣，鑒別就能防止對節點的未經授權的訪問。鑒別功能是在安裝時分布48位密鑰到節點而設立的。第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk信道類型

LonTalk協議在設計上是獨立于介質的，這使LonWorks系統可以在任何物理傳輸介質上通信。這點使網絡設計者能充分利用提供給控制網的各種信道。協議還提供可改變的配置參數，以便折衷某一特殊應用的餓性能、安全和可靠性。信道是個特殊的物理通信介質（如雙絞線或電力線）。LonWorks裝置通過專用于此信道的收發器與其連接。每類信道在最多可連接的節點數、通信位速率和物理距離限值方面都有不同的特征。下表總結幾類廣泛應用的信道的特征。特別重要的是靈活拓撲雙絞線信道TP/FT10，它使裝置可用單雙絞線的線段在任何配置中連接。沒有對短截線長度、裝置間距或分線的限制。第54頁，共60頁，2023年，2月20日，星期一LonTalk標準直到幾年前，LonTalk協議還只嵌在神經元芯片內。這保證了所有制造商的一致應用。現在已安裝了大量遵守LonTalk協議的裝置，埃施郎公布了LonTalk協議并使其成為EIA709.1控制聯網標準下的一個公開標準。所以該協議現在可以自由提供給任何人。取得該協議復制件的簡捷方法是訪問因特