Lonworks技术

　　LONMARK标准是以LonWorks技术为基础的一套标准。LonWorks技术由美国Echelon公司90年代开发推出。 LONWORK技术实际上是一种测控网技术，或者更确切一点说是一种工控网技术，也叫现场总线技术。它方便地实现现场的传感器、执行器、仪表等联网。 

　　这种网络不同于局域网LAN，而是一种工控网。因为它传输数据量较小的检测信息、状态信息和控制信息。Echelon公司叫做局部操作网LON(Local Operating Network)采用LONTalk协议的LON网称为Lonworks网。 

　　Lonworks技术有以下特点：　　 

　　Lonworks技术是一套开放式技术，其通讯协议LonTalk协议也是开放的，实现遵守该协议的各家产品互联成为可能；　　 

　　Lonworks技术的关键芯片Neuron Chip(神经元芯片)有很高的集成度，内部有3个8位CPU(CPU1， CPU2， CPU3)。CPU1负责媒体访问控制， CPU2、CPU3负责网络通讯。除此之外内部还有RAM、E2PROM、ROM，以及I/O接口等；　　 

　　Lonworks技术支持多种通讯介质。包括双绞线、电力线、同轴电缆、光纤、无线射频、红外线等，甚至多种介质能在同一网络中混合使用；　　 

　　Lonworks技术产品门类齐全。有四大类50多种硬件、软件模块，先进的开发设备和手段为用户开发带来方便。 

　　1993年在世界范围推广，其发展速度极快，到1995年已经有2500家生产商使用并且安装了200多万个节点(每个节点包括一个神经元芯片，平均可以有5个测控点)。其发展速度远远超过其它任何一种现场总线(如CANBUS、ProfiBus等)。其应用在智能建筑中(大型宾馆、饭店、写字楼、现代高档住宅)的建筑设备自动化系统(BAS)、工业自动化、航空航天技术等领域。但有50%以上的节点用于建筑物自动化领域。世界各大楼宇自控公司及工业控制公司一致认为Lonworks技术是当前“最先进的”、“有非常大的潜在能力的”，“该技术将引起控制市场方向性变化”，并表示要用这新技术改造自己的产品。因而在世界各地形成了大量OEM生产商(重要的OEM约1000家以上)，生产出大量Lonworks技术产品。其中多数是为楼宇自控系统配套的产品。由于不同的OEM虽然都按Lonworks技术制造产品，但由于在一些技术细节上不统一，因而不能互操作。为了解决这个问题， 180家重要的OEM组成了LONMARK可互操作协会，编制了一系列LONMARK标准，使每个技术细节都有标准文件的严密规定。凡产品按该规定生产，就可以结合在一起，互相通讯和工作。同类产品，不同厂家生产，可以相互替换，总之，实现了互操作。这样的产品饰以LONMARK标记； 

　　LoNMARK协议分有暖通空调组、家用设备组、照明组、工业组、本征安全组、网络管理组、石油组、冷冻技术组、出入控制组。每个组都在制定一系列LONMARK标准，称为功能概述Functional Profile，详细地描述了应用层接口。包括网络变量、组态特点、缺省值以及网络节点、加电状态等，把产品功能标准化。 

　　1996年3月第一次公布的暖通空调编制标准，包括有温度检测、二氧化碳检测、风门执行器、屋顶单元控制、变风量控制。其后又陆续编制出温控制器、冷冻机、单元通风器、墙挂式检测器、阀门执行器、报警及报警管理、数据记录及趋势分析等。 

　　根据LONMARK标准，美国Honeywell公司继1995年应用了Lonworks技术生产了50000台变风量箱控器以后，近期向市场投放了能够互操作的暖通空制产品。 

　　美国Andove公司的Continue楼宇自控系统、新加坡电子科技公司的ST8200楼宇自控系统留有Lonworks总线接口。德国的ISC已经开发出LonworkS技术的产品。 

　　Lonworks技术的通讯协议LonTalk协议1995年被美国国家标准ANSI/ASHRAE135- 1995 BACnet采纳为建筑物自动化中的传感器、执行器和控制器之间的网络化操作奠定了基础。LONMARK标准是在实时控制领域(简称控制域)中的一个开放系统标准。　　 

　　3.BACnet标准 

　　BACnet网络通讯协议是由ASIIRAE(美国暖通空调制冷工程师学会)发起制定并得到ANSI(美国国家标准局)的批准，由楼宇自动化系统的生产商、用户参与制定的一个开放性标准，由ASHRAE学会综合几个局域网LAN(注意！不是工控网)的协议而制定的，他们尽可能采用了LAN网络不同时期成熟的技术而制定的。 

　　我们特别要强调的这是管理信息域(简称信息域)方面的一个标准。 

　　美国BACnet和德国FND为不同厂商生产的建筑物的自动化系统，集成为整体系统而提出的方法，规定了通讯协议。 

　　1995年6月BACnet成为ASHRAE B5-90标准，并于同年12月成为美国国家标准，并得到欧共体的承认，成为欧共体的标准草案。 

　　由于网络及通讯技术的发展，业主对集成技术提出了更高的要求，要求建筑物自动化系统与高一级的企业管理系统加强联系，提高管理效率。这就是说要在信息管理网一级上互连，是解决不同厂家的自动化系统如何集成。因此厂家可以按照BACnet标准开发与BACnet兼容的控制器或接口，可在这一标准协议下实现相互交换数据的目的。BACnet比LONMARK有更为量大的数据通讯，运作高级复杂的大信息量。是可以实现不同厂家的楼宇自动化系统之间互连的通讯技术。例如要使Honeywell公司的一套系统与其它公司的一套系统进行通讯交换信息，即可通过BACnet把它们连成一个整体并在一个工作站上可以实现对这两个系统的全部监控。 

　　BACnet和LONMARK是两项标准，这两个标准既有重叠的地方，又有不同的地方。两项标准互相补充，互为依托。BACnet用于多个供应商不同系统之间的集成。LONMARK是解决真正的开放的分布式控制的一种有效的方法 

　　BACnet一共有四层协议包括应用层、网络层、链路层、物理层 

　　该标准规定LONTALK与其他四种通讯方式并列为物理层、数据链路层的基本结构。BACnet采用五种网络技术进行通讯(Ethernet、ARcnet、MS/TP、PTP、LONTALK).选择多种网络技术的原因是对于不同要求的系统采用不同的通讯速度和通讯量的网络，采用不同的网络技术适用于不同的要求。其中，PTP(POINTTOPOINT)是BACnet独有的，由BACnet制定的通讯协议，它提供了通过Modem和电话线的联网通信。采用现代Modem协议，也支持EIA-RS232标准直接用电缆连接，速度在9.6K-56.0K之间。 

　　MS/TP也是BACnet独有的，使用EIA-485标准，这是一个屏蔽双绞线局域网，速度可达76.0Kbps。 

　　BACnet信息数据的表示方式定义了318种标准“对象类型”，通过不同对象的组合实现DDC不同的控制功能。 

　　这些对象类型有模拟输入/输出、二进制输入/输出、环路控制、程序等。 

　　BACnet的服务功能则用于访问和管理这些对象发出的信息及其他一些功能。 BACnet定义了35种服务功能分为6组。这6足足分别为：报警和事件、文件访问、对象访问、远程设备管理、虚拟终端以及安全保护。 

　　BACnet目前尚有待进一步完善。如BACnet支持传统的暖通空调系统，但不十分适合加上其它监控系统。 ASHRAE最近组织了一个“常设标准方案委员会”-SSPC135，继续对标准进行完善和扩充。SSPC的另一个任务是加强BACnet与国际互联网协议的应用。　　 

　　4.两种标准之间的关系 

　　这两个标准均是开发性标准，两者互相渗透，交叉实时控制域的LONTALK标准和信息管理域的BACnet标准尽管目标不尽一致，但两套标准有重叠的地方。编写BACnet标准中的许多成员也是编写LoNMARK标准的成员。所以，他们正在把两者重叠的部分想办法理顺和统一起来(见表2)。 

　　LONMARK标准是实时控制域方面，为建筑物自控系统中传感器与执行器之间的网络化，实现互操作性产品制定的标准；是控制现场传感器与执行器之间实现互操作的网络标准。因此，适合智能型大楼中HVAC、电力供应、照明系统、消防系统、保安系统之间进行通讯、互操作，此时，LONMARK可以提供一种较为经济的方法，因为该协议对这种类型的运用效果最佳。 

　　BACnet标准是信息管理域方面为实现不同的系统互联而制定的标准。 BACnet有比LONMARK更为大量的数据通讯，运作高级复杂的大信息量，有更强大的过程处理、组织处理能力。适于大型智能建筑，大型智能建筑其分为若干区域，此时很有可能几个不同的系统(不同厂家的)存在。如果希望可以在一个用户界面进行整个系统的操作，BACnet是最经济、最理想的选择。 

　　总之，在实时控制域方面，尤其在设备级适于采用LONMARK标准，而在信息管理域方面、在上层网之间互联适用BACnet标准，这二者之间不是竞争而是互补。

5.CAN基本知识 

什么是CAN ? 

CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。 

一个由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所。例如，当使用Philips P82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN 可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。 

CAN 是怎样发展起来的？ 

CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993年，CAN 已成为国际标准ISO118(高速应用)和ISO11519（低速应用）。 

CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。 

由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。 

CAN 是怎样工作的？ 

CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型（OSI）一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。下表中展示了OSI开放式互连模型的各层。应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案。已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的标准是DeviceNet，这是为PLC和智能传感器设计的。在汽车工业，许多制造商都应用他们自己的标准。 

表1 OSI开放系统互连模型 

7 应用层 最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。如：DeviceNet 

6 表示层 将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式

5 会话层 依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递。

4 传输层 两通讯节点之间数据传输控制。操作如：数据重发，数据错误修复

3 网络层 规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。如：路由和寻址

2 数据链路层 规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。如：数据校验和帧结构

1 物理层 规定通讯介质的物理特性。如：电气特性和信号交换的解释 

CAN能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V 。 

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CAN 有哪些特性？ 

CAN具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括： 

低成本 

极高的总线利用率 

很远的数据传输距离(长达10Km) 

高速的数据传输速率（高达1Mbit/s） 

可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文 

可靠的错误处理和检错机制 

发送的信息遭到破坏后，可自动重发 

节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 

报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息 

Philips制造的CAN芯片有哪些？ 

表2 CAN芯片一览表 

类别 型号 备注

CAN微控制器 P87C591 替代P87C592 

XA C37 16位MCU 

CAN控制器 SJA1000 替代82C200 

CAN收发器 PCA82C250 高速CAN收发器

PCA82C251 高速CAN收发器

PCA82C252 容错CAN收发器

TJA1040 高速CAN收发器

TJA1041 高速CAN收发器

TJA1050 高速CAN收发器

TJA1053 容错CAN收发器

TJA1054 容错CAN收发器

LIN收发器 TJA1020 LIN收发器 

什么是CSMA/CD ? 

CSMA/CD是“载波侦听多路访问/冲突检测”（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）的缩写。 

利用CSMA访问总线，可对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种方法，可以允许多个节点挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，所有节点重新回到‘监听’总线状态，直到该冲突时间过后，才开始发送。在总线超载的情况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多延迟。为了避免发送时延，可利用CSMA/CD方式访问总线。当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的的报文优先发送。在CAN总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个11位或29位数字的ID。CAN总线状态取决于二进制数‘0’而不是‘1’，所以ID号越小，则该报文拥有越高的优先权。因此一个为全‘0’标志符的报文具有总线上的最高级优先权。可用另外的方法来解释：在消息冲突的位置，第一个节点发送0而另外的节点发送1，那么发送0的节点将取得总线的控制权，并且能够成功的发送出它的信息。 

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CAN的高层协议 

CAN的高层协议（也可理解为应用层协议）是一种在现有的底层协议（物理层和数据链路层）之上实现的协议。高层协议是在CAN规范的基础上发展起来的应用层。许多系统（像汽车工业）中，可以特别制定一个合适的应用层，但对于许多的行业来说，这种方法是不经济的。一些组织已经研究并开放了应用层标准，以使系统的综合应用变得十分容易。 

一些可使用的CAN高层协议有： 

制定组织主要高层协议 

CiA CAL协议 

CiA CANOpen协议 

ODVA DeviceNet 协议 

Honeywell SDS 协议 

Kvaser CANKingdom协议 

什么是标准格式CAN和扩展格式CAN? 

标准CAN的标志符长度是11位，而扩展格式CAN的标志符长度可达29位。CAN 协议的2.0A版本规定CAN控制器必须有一个11位的标志符。同时，在2.0B版本中规定，CAN控制器的标志符长度可以是11位或29位。遵循CAN2.0B协议的CAN控制器可以发送和接收11位标识符的标准格式报文或29位标识符的扩展格式报文。如果禁止CAN2.0B,则CAN 控制器只能发送和接收11位标识符的标准格式报文，而忽略扩展格式的报文结构，但不会出现错误。 

目前，Philips公司主要推广的CAN控制器均支持CAN2.0B协议，即支持29位标识符的扩展格式报文结构。