Lon Works技术纵横谈

众所周知，自动监控系统(或称为测控系统)正在向分布式和网络化方向发展，分布式监控系统的关键在于其联网技术，即通常所说的现场总线技术。目前有多种现场总线技术并存，并在不同的应用领域得到了不同程度的应用，如在楼宇自动化领域，美国Echelon公司推出的Lon Works总线技术就得到了大量应用，并很快发展到工业现场网。Lon Works技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。

1、发展历史

Lon Works是局部操作网络（Local Operating Network）的缩写。它是由美国Echelon公司研制、于1990年正式公布的现场总线网络。它采用了ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了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，其最高通信速率为1.25Mbps（通信距离不超过130m），最远通信距离为27000m（通信速率为78Kbps），节点总数可达32000个。网络的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等。

Lon Works的信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0～288个。Lon Works所采用的Lon Talk通信协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中。芯片中有3个8位CPU，一个用于实现ISO/OSI模型中的第1层和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器；第二个用于完成3～6层的功能，称为网络处理器；第三个对应于第7层，称为应用处理器。芯片中还具有信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。

Lon Work技术发展经历的几个重要阶段如下：

• 1990年，发明Lon Works技术，Lon Talk协议
• 1993年，Lon Mark互操作协会成立
• 1997年，LNS网络操作系统架构
• 1998年，协议成为ANSI/EIA-709.1标准
• 2001/2002年，Lon Works/IP路由技术PLT-22电力线以及双绞线成为ANSI/EIA-790.2/3标准
• 2002年，第3代工具-NodeBuilder3

2、应用领域

Echelon公司于90年代初在美国推出Lon Works技术后即引起轰动。随后，Lon Works技术的用户、系统集成商和OEM产品生产商的队伍迅速扩大，其中包括世界上许多著名的自动化厂商如Honeywell， Johnsen Controls， ABB， Philips， Yokogawa， HP等。截止到1997年的统计，已有2500家生产厂商生产和使用Lon Works产品，已有500万个Lon Works节点在使用运行。已有3500种Lon Works OEM产品问世，其中30%～40%应用在工业方面。而Lon Works技术最大的应用领域在楼宇自动化（building automation）方面，它包括建筑物监控系统的所有领域，即入口控制、电梯和能源管理、消防／救生／安全、照明、供暖通风、测量、保安等等。在建筑业中，Lon Works协议中的介质访问控制层（MAC层），即七层协议中的第一、二层已被美国供暖、空调和制冷工程师学会（ASHRAE）接纳为建筑自动化控制网络（BACnet）的标准，同时也被美国国家标准协会（ANSI）制定的有关标准所采纳。在欧洲，Lon Works协议被认为是欧洲标准CENTC247和CENTC205的一部分。在工业控制领域，根据自动化研究协会（ARC）和风险开发协会（VDC）的独立研究，Lon Works网络被认为是工业传感器和设备总线网络市场的开拓者和领导者。Lon Works网络取消了那些复杂的配线约束，取消了PLC和PC，将控制分散到整个网络节点上去，在半导体制造工厂、气体压缩站、石油储罐区、石油和水泵站、印染厂、造纸厂等应用领域都占有重要的地位。

世界上有超过半数的半导体生产厂家安装了Lon Works控制网络，在通过严格的考察之后，半导体设备材料国际（SEMI）最后选择了Lon Works协议作为半导体生产的传感器总线标准之一。

美国国家航天航空总署（NASA）控制的AGATE工业协会选择Lon Works协议作为下一代民用飞行器标准的一部分。

美国铁路运输联盟选择Lon Works控制网作为将100多万节车厢改装成电控气动刹车系统的最佳方案。纽约城市运输管理局和新泽西州运输管理局已确定Lon Works网络为铁路车厢控制网络的标准。世界各地的运输业公司都正在将Lon Works网络用于急救车、活动住房车、铁道路口信号和栅栏等系统中。

在家电市场，电子工业协会（EIA）的集成家用系统（IHS）技术委员会正在计划最终建立一个基于Lon Works技术的全新家用控制网络标准EIA709。

在加油站系统中，国际加油站标准论坛（IFSF）已把Lon Works技术选定为加油站通信标准。欧洲的加油站使用Lon Works网络来控制泵、油罐计量、电子信号、轿车清洗、付款终端、照明、保安和制冷等服务。

由此可见，Lon Works技术已深入到很多领域，在新一代自动化控制系统中占有重要的地位。图1展示了在一个生产车间中采用Lon Works监控网络的情况。

图1 在生产车间中采用Lon Works监控系统

3、Lon Works 技术的优点

Lon Works是唯一涵盖全部三个层次（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，Lon Works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。另外，LONWORKS技术的另一个特点是无行业限制。它不是针对某特定应用领域而设计，所以智能设备/系统，智能仪器/仪表，智能I/O模块，智能控制器等等，都可以使用这一技术。

Lon Works技术的核心是神经元芯片(Neuron chip)，它由美国摩托罗拉公司和日本东芝公司生产，有以下几个特点：

• Lon Works技术的基本元件--Neuron芯片，同时具备了通信与控制功能，并且固化了ISO/OSI的全部七层通信协议，以及34种常见的I/O控制对象。
• 改善了CSMA，Lon Works称之为Predictive P-Persistant CSMA。这样，在网络负载很重时，不会导致网络瘫痪。
• 网络通信采用了面向对象的设计方法，Lon Works技术将其称之为"网络变量"。使网络通信的设计简化成为参数设置。这样，不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。
• Lon Works技术的通信的每帧有效字节可以从0到228个字节。
• Lon Works技术的通信速度可达1.25MBps（此时有效距离为130M）。
• Lon Works技术一个测控网络上的节点数可以达到32000个。
• Lon Works技术的直接通信距离可以达到2700m（双绞线，78KBps）。
• 针对不同的通信介质有不同的收发器和路由器。
• 有LON-WEB网关，可以连接INTERNET。

4、技术核心

Lon Works技术的核心是神经元芯片(Neuron Chip)。它是由美国Echelon公司研制的一种集通信、控制、调度和I／O支持为一体的高级VLSI器件。并只受权由美国MOTOROLA和日本TOSHIBA公司生产。通过对硬件和固件（firmware）的有机结合，芯片可以提供Lon Works网络节点需要的所有关键功能。即处理所有Lon Talk通信协议消息，传感信号输入和控制信号输出，存储和安装指定的参数及程序，实现各种应用功能等。

神经元芯片内部含有3个8位流水线作业的微处理器（CPU）。其中处理器1＃为介质访问控制处理器（media　access　control），它控制Lon Talk七层协议中的第1层物理层和第2层数据链路层，并可以驱动通信子系统的硬件来完成冲突避免算法。处理器1＃通过共享存储器中的网络缓冲区与处理器2＃通信。处理器2＃为网络处理器（network），它控制网络协议中的第3层到第6层（网络层、运输层、会话层和表示层），可完成网络变量进程、编址、处理事项进程、报文鉴定、软件定时器、网络管理和路由寻址等功能。处理器2＃使用共享存储器中的网络缓冲区与处理器1＃通信，使用应用缓冲区与处理器3＃通信。处理器3＃为应用处理器（application），它实现网络协议中的第7层应用层，执行用户代码和用户代码调用的操作系统来进行工作，大部分应用程序的编程语言为Neuron　C。处理器3＃使用共享存储器中的应用缓冲区与处理器2＃通信。除应用层需由用户编程外，其余6层都由固件来完成。所谓固件就是固化在芯片内（或芯片外）ROM中的有关通信协议的软件。用户可以完全不必关心网络底层的事情，例如网络介质访问控制等等，这些都由处理器1＃和处理器2＃自动完成。神经元芯片内3个处理器功能如图2所示。