Jste zde

Sběrnice LonWorks - 3.část - Neuron chip & ostatní hardware

Antonín Vojáček, 10. Červen 2005 - 10:06

Technologie LonWorks nabízí univerzální komunikaci vhodnou nejen pro řízení spotřebičů a automatizaci budov, ale i regulaci v průmyslu. Síť je složená z jednotlivých uzlů vzájemně mezi sebou komunikujících. Právě hardwarová struktura uzlu s příklady možné realizace včetně propojení LonWorks sítě s internetem je v 3. pokračování článku. Ten navazuje na předchozí 1.část - Úvod a 2. část - protokol LonTalk.

Třetí díl seriálu o sběrnici a síti LonWorks, který je volným pokračováním úvodního článku " Sběrnice LonWorks - 1.část - Úvod" a poté následujícího pokračování "Sběrnice LonWorks - 2.část - LonTalk protokol", bude stručně popisovat hardwarovou strukturu uzlu, tzv. Neuron chipu, který je součástí každého uzlu. Dále pro jen pro názornost uvedu některé příklady integrovaných obvodů a bloková zapojení rozhraní mezi neuron chipem a příslušným fyzickým médiem. Pro konkrétní aplikace však odkazuji na podrobné manuály a návody výrobců integrovaných obvodů.

Hardwarová struktura uzlu

Celý jeden uzel (angl. node) LonWorks sítě je hardwarově složen z několika částí, které lze rozdělit do následujících bloků dle obrázku 1.:

Neuron chip - řídící část uzlu, zajišťující komunikaci prostřednictvím protokolu LonTalk a případně i běh uživatelské aplikace jako například komunikaci se senzory, ovládání akčních členů nebo spolupráce s jiným CPU či MCU.
Napájecí zdroj (Power supply) - napájí každý uzel. Na obrázku 1. je příklad uzlu komunikujícího přes společné datové a napájecí vedení. Proto je vstupem uzlu pouze jedna "dvojlinka"
Obvody rozhraní (Coupling circuits) - zajišťují samotný interface mezi neuron chipem a samotným fyzickým médiem. Na obrázku se využívá integrovaného obvodu PLT-22, který umožňuje přenášet data a utvořit síť po napájecím vedení.

Obr. 1. Příklad obvodového řešení jednoho LonWorks uzlu s Neuron chipem (detail)

Neuron chip

Neuron chip je hlavní hardwarovou komponentou každého uzlu. Mezi hlavní, od začátku na výrobě neuron chipů podílející se společnosti, patří firmy Toshiba a Cypress. Na následujícím obrázku 2. je zhruba blokové schéma vnitřku takového Neuron chipu. Konkrétně by mělo odpovídat chipům Toshiba. Příklad některých vyráběných typů je na obrázku 3. a jejich stručný bližší popis v tabulce 1.

Obr.2. Blokové schéma vnitřku Neuron chipu (detail).

Základem každého aktivního chipu je CPU a paměť. V Neuron chipu se obvykle vyskytují tři nezávislé CPU vykonávající následující operace:

Media access CPU (CPU pro přístup na médium) - to ovládá a řídí všechny sériové komunikační porty (Communication Port, 600 až 1.25MBit/s na obr. 2.) na úrovni Linkové vrstvy (Data Layer) OSI modelu komunikace. Model je popsán v 2. části seriálu o LonWorks. Na výstupním portu je již kompletně "zapouzdřený" signál do paketu protokolu LonTalk, který je přímo určený pro přenos do dalšího uzlu. CPU má tedy na starosti i bufferování vstupů a výstupů, řízení vysílání paketů dle priority, detekce kolize na sběrnici, tvorbu rámců, opravný kód CRC apod.
Network CPU (síťový CPU) - to zpracovává veškeré informace a požadavky na služby poskytované protokolem LonTalk na úrovni síťové vrstvy (Network layer) OSI modelu komunikace. řídí časovací služby využívané v různých stavech zpracování signálů, adresování uzlů a správné směrování paketů apod.
Application CPU (aplikační CPU) - to provádí zpracování dané uživatelské aplikace napsané jazykem Neuron C. Přeložený a slinkovaný program se do neuron chipu může přenést po síti prostřednictvím komunikačního portu. Toto CPU však nemusí zastávat uvedenou funkci a může se použít libovolný externí CPU či MCU, které bude data, například ze senzorů, zpracovávat a poté vysílat přes I/O porty do neuron chipu na vyslání. Poté aplikační CPU vykonává jen funkci zprostředkovatele dat z I/O portů pro síťový CPU.

Uživatel / programátor má však možnost příkazy přímo ovládat jen aplikační CPU. Zbylá CPU již pracují samostatně automaticky dle vnitřního firmwaru a parametrů v programu pracovaných v aplikačním CPU. Pro uložení aplikačního programu a aktualizovatelné části firmwaru neuron chipu se využívá vnitřní Flash EEPROM paměti, případně externí paměti (dle konkrétního typu Neuron chipu). Vnitřní RAM slouží klasicky pro datové proměnné aplikačního programu a část také jako prostředek pro uchování dočasných dat komunikace (například pro buffery komunikačního portu). Vnitřní ROM obsahuje pevnou neměnnou část firmwaru neuron chipu. Externí softwarově ovládané I/O piny chipu mohou obvykle sloužit k libovolné komunikaci s okolím nebo pro monitorování firmwaru či čtení ID neuron chipu.

Obr. 3. Některé Neuron chipy vyráběné firmou Toshiba

Tab. 1. Stručné parametry Neuron chipů Toshiba

IO pro přístup na médium - tranceivery

Pro úspěšnou komunikaci po daném typu sběrnice či sítě je však nutné na výstup komunikačního portu Neuron chipu připojit buï daný transceiver nebo někdy jen oddělovací transformátor, který bude zajišťovat ochranu neuron chipu, přizpůsobení nebo modulaci signálů pro daný typ fyzického média ( koax, dvojlinka, optika, radiový přenos, přenos po síťovém vedení apod.). V tabulce 2. jsou uvedeny některé integrované obvody tranceiverů, vyráběné nebo podporované firmou Echelon, pro médium typu vodič a pro různé uspořádání a konfiguraci sítě (sběrnice - Line, volná topologie - free apod.). Popis topologií podporovaných standardem LonWorks je v 2. části seriálu o LonWorks.

Z hlediska napojení různých transceiverů, neuron chip obsahuje 5 vývodů komunikačního portu, které lze široce softwarově konfigurovat jak po stránce funkce (klasický sériový signál proti signálové zemi, nebo pro diferenční signál apod.), tak i po stránce nastavení komunikační rychlosti v malých krocích od 600 bit/s do 1,25 Mbit/s. Proto je možné použít různé tranceivery od různých výrobců.

Tab. 2. Přehled některých tranceiverů pro LonWorks od firmy Echelon

Tranceiver RS - 485 / RS-422

Jako pro přístup na sběrnici RS-485 lze využít libovolné tranceivery podporující standard EIA-485, tedy i například známé tranceivery firmy Maxim. Příklad propojeni neuron chipu s tranceiverem RS-485 je na následujícím obrázku 4.

Obr. 4. Příklad připojení Neuron chipu na sběrnici RS-485 prostřednictvím RS-485 tranceiveru

Free topology tranceiver - tranceiver pro libovolnou topologii sítě)

V nabídce firmy Echelon je několik integrovaných obvodů tranceiverů vhodné pro LonWorks sítě libovolné topologie (tvaru). Na obrázku 5. je příklad propojení neuron chipu s tranceiverem FTT10A. činnost obvodu lze přiblížit jeho označením jako integrovaný oddělovací transformátor, který chrání neuron chip před zničím prostřednictvím zkratu, nějakého výboje nebo přepětí v síti. Tento tranceiver je určen pro fixní přenosovou rychlost 78 kbit/s.

Obr. 5. Příklad propojení Neuron chipu a tranceiveru pro libovolnou topologii sítě

Link Power Transceiver - tranceiver pro přenos dat po napájecím vedení

V nabídce firmy Echelon lze například najít tranceiver LPT-10, který umožňuje přenášet data a po jedné zkroucené dvojlince (twisted pair) společně s napájením uzlu +5 V DC & 100 mA. Vzdáleně to lze přirovnat k telefonní lince, kde společně se signálem se přenáší i napájecí napětí telefonního přístroje. LPT-10 rovněž umožňuje kombinovat libovolné topologie v síti LonWorks a v datové komunikaci je přímo kompatibilní s předchozím tranceiverem FTT10A.

Powerline Transceiver (EIA 709.2-A-2000) - tranceiver pro přenos dat po síťovém napájecím vedením 230V

Tranceiver PLT-22 umožňuje provádět komunikaci po klasickém síťovém měděném vedení 230V splňující standard EIA 709.2-A-2000. Blokové zapojení uzlu LonWorks sítě pro tento tranceiver je na obrázku 6. Komunikace splňuje regule FCC (USA) a European CENELEC EN50065-1 pro signalizaci a přenos dat pro síťovém napájecím vedení v pásmu 125 až 140 kHz - viz. obrázek 7. Taková to komunikace má však pomalý přenos dat pouze přenosovou rychlostí 4,8 kbit/s, což je značně nevýhodné. Naopak lze takto vytvořit síť pro řízení budov a provozů bez nutnosti natahování nové kabeláže, což představuje finančně výrazně nižší náklady.

Obr. 6. Blokové schéma uzlu pro komunikaci po síťovém napájecím vedení

Obr. 7. Rozložení frekvenčních pásem pro komunikaci po síťovém nap. vedení

Síťový hardware a rozhraní

Pro LonWorks síť existují i zařízení pro rozhraní LonWorks s jinými sítěmi. Zde třeba zmíním Router CISCO i.LON 1000 pro propojení s Internet / Intranet sítí typu Ethernet 10Base-T. To umožňuje nejen komunikaci zařízení v rámci LonWorks sítě například uvnitř budovy, ale i dálkové řízení nebo přenos dat prostřednictvím internetu. Stejně tak lze v kancelářských budovách využít páteřového rozvodu Ethernetu a propojit tak všechny patra.

Router pracuje na 3. síťové hladině OSI modelu a umožňuje i v LonWorks síti vytvořit tzv. virtuální sítě = Virtual Network Interfaces (VNI), což umožňuje jednu fyzickou síť rozdělit z pohledu komunikace na více virtuálně oddělených LonWorks sítí, podobně jako u routerů pro LAN sítě typu Ethernet - viz. obrázek 8.

Obr. 8. Propojeni Ethernet sítě s LonWorks přes routery CISCO

Kompletní moduly pro LonWorks

V dnešní době se výrobou zařízení komunikujících prostřednictvím sítě LonWorks zabývá tisíce firem. V následujících řádcích uvádím příklad některých výrobců a výrobků, které na trhu existují.

Firmy ATD s.r.o a ZPA Trutnov - Modulární systém LONET - komunikační centrály, senzory, měřiče spotřeby energie, tepla apod. Komunikace a přenos dat i po médiích typu optické kabely, radiový přenos RF.

Firma Echelon - LonWorks síťové rozhraní všeho druhu včetně USB, PCI, Type II PC Card (PCMCIA), EIA-232, a IP (Ethernet a PPP modem dial-up). Například lze jmenovat U10/U20 USB Network Interfaces využívající neuron chipy TP/FT-10 a PL-20 nebo PCLTA-20 PCI Network Interface pro PC.

Firma Regmet - Snímače teploty Lon Works® využívající neuron chip FTT-10A a LonTalk protokol umožňují měřit teploty v rozsahu -30 až 150°C.

Firma Schneider-electric - produkuje široké množství výrobku pro automatizaci budov, dále měniče frekvence typu Altivar, časová relé, přístroje pro detekci polohy (čidla, spínače, snímače), ovládače apod.

Firma Honeywell - také nabízí nepřeberné množství výrobků umožňující komunikaci po LonWorks. Například lze jmenovat centrálu SynopSys, která je přímo určena pro komunikaci s LON sítěmi, řada Excel 10 pro individuální regulaci místností, regulátor Excel 50 je vhodný pro aplikace ve vytápění a klimatizaci, modulární regulátory Excel 500 založené na kartovém systému vhodné pro větší aplikace ve vytápění a klimatizaci, snímače teploty využitelné v klimatizaci, vzduchotechnice i vytápění, snímače tlaku, snímače diferenčního tlaku,frekvenční měniče s výkony od 0,55 kW do 1,5 MW apod.

Firma Elpro Drive - nabízí tzv. Softstartéry, což jsou elektronická výkonová zařízení, sloužící k realizaci plynulých rozběhů a doběhů pohonů s asynchronními motory.

Závěr

Tento článek je třetím dílem v seriálu článků o LonWorks, kde jsem se snažil na co nejmenší ploše přehledově uvést co nejvíc informací o hardwaru okolo LonWorks. Někdy v budoucnu se pravděpodobně ještě k tomuto tématu vrátím a podrobněji představím některé výrobky firem uvedených v předcházející odstavcích. V následujícím 4. díle bych chtěl krátce popsat programovací jazyk Neuron C pro programování uživatelských aplikací pro Neuron chipy a standard LonMark pro návrh zařízení pro LonWorks. článek bude opět nejdříve vydán na stránkách automatizace.HW.cz .

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz