LonWorks物理接口兼容性的实验研究

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美国Echelon公司在1990年推出了LonWorks现场总线技术^[1]。这是一种完全开放的技术，通过开放的系统设计平台，使不同厂家的产品在该网络上能实现无缝通信。

LonWorks支持的传输介质和收发器类型很多，对其在实际应用中的互操作性进行研究和验证很有必要。本文在分析了LonWorks网络物理接口的基础上，设计了一种具有典型意义的LonWorks混合节点通信系统，通过在使用不同收发器的节点之间进行通信实验，验证LonWorks系统的互操作性，即物理接口的兼容性。

计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的信息。这些数据通常以离散的二进制0，1序列的方式表示。将数字数据进行数字编码，就是将数据的“0”“1”用矩形脉冲信号的高低电平来表示。LonWorks网络采用了差分曼彻斯特编码技术，与曼彻斯特编码不同，其在每个时钟位的中间有一次跳变，所传输的数据是“1”还是“0”，依据每个时钟位的开始有无跳变来进行判断，没有跳变，表示传输的数据是“1”，有跳变，则代表传输的数据是“0”。

LonWorks网络数据传输支持多种通信介质。这使得LonWorks网络能依据不同的现场应用环境与需求使用不同的收发器和通信介质。而LonWorks的神经元芯片（Neuron）使用了CMOS VLSI技术，使其能以低廉的成本运行控制网络。传输介质使用最为广泛的是双绞线，同样具有成本低的特点，故本文所选用了双绞线作为的通信传输介质。

双绞线收发器与Neuron芯片的接口有三种基本类型：直接驱动、EIA-485和变压器耦合。下面重点说明EIA-485和变压器耦合接口。

（1）LonWorks网络支持EIA-485收发器接口，该接口在现场总线中被广泛使用。当外部技术参数保持不变，能支持多种数据传输速率（最高可达1.25Mbps）与多种类型传输线，其公共供电范围为-7V~＋13V，可以添加光电隔离器来提高其电压范围。要实现EIA-485网络，Neuron芯片的通信端口需采用单端工作方式。为确保网络节点间的互操作性，LonMaker建议使用EIA-485收发器的节点采用39kbps的通信速率^[2]。

（2）对需要高性能、高隔离度、高抗干扰能力的应用更适合使用变压器耦合收发器，其类型较多，Echelon公司提供有TPT/XF-78、TPT/XF、FTT-10、LPT-10等，设计人员可开发自己的2线制或4线制的变压器耦合电路。本文选用了FTT-10收发器。

本文主要通过对使用EIA-485收发器的节点与使用FTT-10收发器的节点的通信实验验证LonWorks物理接口的兼容性。对使用这两种收发器的网络进行对比如下：

（1）Neuron芯片的通信端口必须在单端模式下才能与使用EIA-485收发器的网络相连，数据传输使用差分曼彻斯特编码。逻辑“1”以AB两线间的电位差为+(2-6)V表示，逻辑“0”以AB两线间的电位差为-(2-6)V表示。含FTT-10收发器的网络工作在差分模式下，数据传输同样采用差分曼彻斯特编码，数据格式则完全与单端模式相同。但与使用EIA-485收发器的网络相比，当LonWorks网络使用FTT-10收发器时，神经元芯片支持内部的差分驱动，但不再包括睡眠输出。

（2）按照EIA-485规范，采用总线拓扑结构，其上所有设备均通过总线相连，用屏蔽双绞线将一个线路的接收与发送连接在一起，来限制线路反射，保证信息可靠传输。代价是整个网络安装与维护的时间和费用高。另外，传输EIA 485总线数据的差分信号是有极性的，只能正接不能反接，在通信距离较远、或网络上节点较多的EIA-485所组成的测控系统中，接线工作十分麻烦，甚至会影响信号的正常传输。

FTT-10收发器则支持无极性自由拓扑结构，可采用多种网络结构，使系统安装与维护费用降低，同时极大地增加了组网灵活性^[3]。另外，该收发器具有隔离噪声作用，可防止干扰信号进入传输网络中，提高网络可靠性。

（3）自由拓扑控制模块TP/FT-10是严格按照LonMark协会的设计要求进行设计的，从而方便用户构建具有互操作性的网络^[4]。本系统将中使用EIA-485收发器的节点与使用FTT-10收发器的节点都连接在自由拓扑控制模块TP/FT-10上，两节点通过网络变量进行通信。

2.1  系统硬件组成

为了实现LonWorks物理接口的兼容性，本文设计了一套LonWorks网络系统，该系统包含四个下位机节点和一个上位机（PC机）节点，下位机节点包括：两个数字量输入节点（节点一、二），一个数字量输出节点（节点三）和一个模拟量输入节点（节点四），四个下位机节点是互联的，且均通过USB适配器TP/FT-10 连接至上位机节点，如图1所示。节点一、二与节点三、四使用不同类型的收发器，其中节点一、二使用FTT-10收发器；节点三、四使用EIA-485收发器。通过使用这两种收发器的节点间的通信，在实验中验证LonWorks总线物理接口的兼容性。

图1 节点通信系统示意图

2.2  实验验证

本文为了验证LonWorks总线物理接口兼容性的可行性，将节点一、节点二、节点三、节点四与上位机节点进行组网。然后进行节点间的通信：节点一、节点二、节点三、节点四分别与上位机节点进行通信；节点一与节点三进行通信，上位机组网界面如图2所示。

2.3  材料裂缝

混凝土是一个综合体，由水泥、砂石等按照一定比例混合而成，如果该比例存在问题，那么混凝土的质量就会受到影响。同时，水泥、砂石等材料本身的质量，也会直接影响混凝土的质量，导致出现大量裂缝。

图2 上位机组网界面

节点一为数字量输入节点，采集16路数字信号通过隔离驱动电路传输给神经元芯片，再经由FTT-10收发器将数据发送到LonWorks网络，以网络变量的形式在上位机LonMaker界面上显示。程序里定义网络变量状态为ST_ON时表示节点接收到数字信号，网络变量状态为ST_ OFF表示节点未接收到数字信号。上位机LonMaker界面上网络变量显示的结果，与预期结果一致，证明通信成功。节点二与节点一的结构、实现功能及通信方式完全一 致，不再详述。

节点三为数字量输出节点。利用SPI接口及通用I/O接口输出14路数字信号，其中8路通过SPI接口扩展输出，6路由Neuron芯片其他I/O口输出，网络变量形式为14个发光二极管。数字量输出节点通过EIA-485收发器与LonWorks网络进行通信，程序里定义网络变量状态为ST_ON时表示点亮发光二极管；网络变量状态为ST_OFF时表示熄灭发光二极管。上位机LonMaker界面上网络变量的状态即可控制发光二极管的亮灭。上位机LonMaker界面上显示的结果，完全符合预期设计结果，证明通信成功。

所采集的总线电平波形显示中，高电平值为2.20V，低电平为-2.28V，周期T=22.6us，完全符合EIA-485的电平要求，再一次证明通信成功。

节点四为模拟量输入节点。8路模拟量（即8路电压值），经由TLC2543轮询采集、AD转换后发送神经元芯片，再通过节点的EIA-485收发器以网络变量形式送到LonWorks 网络，并在上位机LonMaker界面上显示，通信值与预期设计完全一致，证明通信成功。

节点一数字量输入节点与节点三数字量输出节点进行通信，当节点一接收到数字信号，上位机LonMaker界面上的网络变量状态ST_ON表示点亮发光二极管，此时发现二极管确实发光；当节点一未接收到数字信号，上位机LonMaker界面上的网络变量状态ST_OFF表示熄灭发光二极管，此时发现二极管确实不发光，与预期通信结果完全符合，证明通信成功。

本实验系统里的四个下位机节点均是通过USB适配器TP/FT-10连接至上位机节点，同时USB适配器TP/FT-10中使用了FTT-10收发器，而节点三数字量输出节点与节点四模拟量输入节点均使用了EIA-485收发器，并且均与上位机节点成功通信，故验证了LonWorks总线物理接口的兼容性。另一方面，节点一数字量输入节点使用FTT-10收发器；节点三数字量输出节点使用EIA-485收发器，并且节点一与节点三成功通信，再一次验证了LonWorks 总线物理接口的兼容性。

EIA-485 和FTT-10均采用差分曼彻斯特编码，该编码对信号的极性不敏感，通信链路中的极性变化不会影响数据接收，这对于远程通信非常有意义。从总线波形中也可以看出，均满足EIA-485和FTT-10的电平要求。从而，进一步验证了Lonworks总线物理接口的兼容性。

本文对LonWorks总线物理接口的兼容性进行了深入研究，对FTT-10收发器通信节点与EIA-485收发器通信节点进行共同组网，并结合不同数据类型，进行了完备的实验性能分析，与上位机节点进行通信验证，并验证成功，同时采集了各节点通信时的总线电平波形。从LonMaker界面上的监控结果到总线电平的采集都验证了LonWorks总线物理接口的兼容性。

参考文献

1 王秀霞.基于LonWorks现场总线过程控制实验平台[J]. 实验技术与管理, 2010(04):100-102+105.

2  裴立云,邵家玉,高安邦.LonWorks智能测控系统的设计与实现[J].测控技术, 2008(11):45-48.

3 王振宇,成立.基于LonWorks的智能小区控制系统的研发[J]. 低压电器, 2008(12):32-34.

4 潘浩.基于现场总线的异步串行通信接口转换系统设计[J]. 现代电子技术, 2020(21):25-28,34.

5 方运涛,刘柯楠.现场总线电动执行机构在高强电磁场环境中的研究与应用[J].中国仪器仪表, 2024(05):45-49.