Bases techniques de la Technologie LonWorks

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1 Bases techniques de la Technologie LonWorks LonMark Schweiz, Genossenschaft Schwendi 329, Postfach Heiligenschwendi / / Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 1

2 Auteur: Christoph Brönnimann, El. Ing. FH IBT Ingenieurbüro Brönnimann Thun Copyright by LonMark Schweiz, Genossenschaft, Schwendi 329, Postfach 27, CH-3625 Heiligenschwendi, Cette documentation est propriété de LonMark Suisse. Le contenu de ce document a été soigneusement vérifié, l utilisation de cette documentation n engage pas la responsabilité de LonMark. La reproduction et la diffusion inchangée de ce document sont autorisées, avec mention du refus de la responsabilité et en indiquant les auteurs et LonMark Suisse. Sous réserve des droits d auteur Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 2

3 Table des matières 1 BASES L idée derrière LON Philosophie LES QUATRE ÉLÉMENTS DE LON Le protocole LonTalk Structure de principe Qu est-ce qu est CSMA Les OSI Layer L attribution d adresses Modes d adressage Explizit Messages Variables réseau La configuration et la gestion du réseau Les noeuds La série des Neuron-Chip d Echelon MIP (Micro Processor Interface Program) Shortstack Implémentations ouvertes de protocoles Le LC3020 Chip de LOYTEC Termes techniques pour tous les LON Chips LonWorks Transceiver Twisted Pair TP Free Topology FTT RS Link Power Power Line Autres transmetteurs LonWorks Tools LE STANDARD LONMARK La couche physique (Layer 1) Layer L Application Layer (Layer 7) Objets LonMark La structure d un objet LonMark Le Node-Object Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 3

4 4 LES MODULES D UN RÉSEAU Noeuds Modules d organisation du réseau Repeater Bridges Learning Router Configured Router Pourquoi utiliser des routeurs? ANNEXE Termes techniques Abréviations Indication des sources Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 4

5 1 Bases Cette annexe au manuel du produit contient une introduction dans la technologie LonWorks. Ce document montre le contexte du LonTalk Standard et rend transparents ses possibilités et limites. Un petit ouvrage de référence est joint sous forme d ouvrage de référence, il sera utile lors de l étude d autres livres au sujet de LonWorks. Ce document veut fournir une vue d ensemble de la technologie LonWorks. 1.1 L idée derrière LON Philosophie LON, le Local Outed Network (réseau local distant) place le réseau d ordinateurs sur le chip, c est la vision des fondateurs d Echelon. La technologie recherche la possibilité de construire des réseaux sur la base de nombreux nœuds avantageux. Ces nœuds peuvent être produits par différents fabricants et communiquer entre eux à l aide d un protocole LonTalk. Image 1: Nœuds décentralisés Ces nœuds ont tous leur propre intelligence et peuvent échanger réciproquement des données. Ils mesurent, commandent, règlent et communiquent. Il en résulte un réseau extrêmement flexible de fonctions avec un degré de mise en réseau et de complexité presque illimité. Réaliser, au lieu de standardiser, était dès le début la devise des fondateurs de la technologie oeuvrant autour d A.C. Markkula, qui s est déjà fait un renommé comme Manager d entreprises High- Tech au stade de pionnier. Avec la disponibilité d une puce avec un système de communication intégré, Echelon a réussi, par une diffusion rapide, de créer un quasi-standard. La pièce maîtresse, le protocole LonTalk a, jusqu au moment où le standard s était établi, uniquement été fourni à travers ces chips spécifiques. Le protocole est actuellement normalisé et implémenté dans plusieurs microprocesseurs. LonWorks est intégré dans de nombreuses normes. Ainsi, p.ex. dans BACnet (ASHRAE American Society of Heating and Air-Conditioning Engineers), ISFS (International Forecourt Standard Forum, c'est-à-dire toutes les grandes sociétés pétrolières), CEN TC-247, SEMI (mètre de débit de masse), CELECT (UK pour chauffages), IEC et comme norme principale ISO X. Le standard le plus important est LonMark, une organisation dirigée par les utilisateurs de composants LON. LonTalk peut être transmis à travers de lignes bifilaires, réseaux 230 V, fibres optiques, réseaux radio et Ethernet Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 5

6 2 Les quatre éléments de LON Image 2: Les quatre éléments de LON La technologie LonWorks se base en principe sur quatre éléments: Le protocole LonTalk définit la langue parlée sur le média. Des microprocesseurs installés dans des appareils de contrôle peuvent interpréter cette langue et forment des nœuds capables d exécuter des fonctions mises en réseau à l aide du langage LonTalk. Les transmetteurs LonWorks peuvent reproduire LonTalk sur différents médias physiques, ainsi peut la langue être transmise à travers de différents Channels de communication. Finalement forment les outils la colonne vertébrale pour le développement de produits et la planification d installations. En conséquence on distingue entre les outils de développement (NodeBuilder, Microprocesseur Workbench) et les outils d installation (LonMaker, NL220, NL- Facilities). 2.1 Le protocole LonTalk Un LON-Chip parle LonTalk, c.à.d. il envoie et reçoit des télégrammes courts qui contiennent les données utiles effectives (variable de 0 à 228 bytes). Pour que cela se fasse de manière efficace et fiable, même si le média de transmission subit des effets perturbateurs extrêmes, comme le réseau 230 V, on a utilisé des procédures éprouvées du domaine des ordinateurs et équipé le protocole LonTalk de services complets, selon le modèle de référence ISO/OSI à 7 couches Structure de principe Mode de transmission Les données sont transmises par paquets. La composition et l émission de ces paquets sont faites par la Firmware; L utilisateur n a donc donc pas à s occuper de fonctions low-level. Le protocole LON prévoit quatre procédures de transmission (dénommées Services) unacknowledged acknowledged unacknowledged / repeated request / response Le paquet n est envoyé qu une fois. On n attend pas de confirmation du destinataire. Une confirmation du destinataire après l émission est attendue. Le paquet est encore une fois envoyé, si elle ne vient pas, où si elle est négative. Le nombre maximal de telles répétitions peut être défini librement. Le paquet est envoyé plusieurs fois de suite. On n attend pas de confirmation du destinataire. Le nombre de répétitions et les intervalles d attente peuvent être définies librement. Semblable à acknowledged. La confirmation peut comprendre des données supplémentaires, au lieu d un simple acknowledge. L utilisateur peut choisir la procédure à utiliser. Les paquets de données sont transmis au moyen d un Manchester-Code différentiel, c.à.d. l information des données correspond à une fréquence. Une période avec une fréquence rapide correspond à 0, une période lente signifie 1. Un changement du statut du signal est effectué au Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 6

7 minimum par contenu des données. Le décodage Manchester permet de conduire des lignes sans faire attention aux polarités. La vitesse (nombre de bits transmis par seconde) correspond dans cette procédure à la fréquence, c.à.d. une transmission de données de 78.1 khz peut donc fournir 78.1 kbit / sec en informations. Cette vitesse de bauds n est cependant pas atteinte par le bus LON, car la longueur des télégrammes est limitée. Image 3: Format des données Un télégramme se compose toujours des bits de synchronisation adaptables au transmetteur respectif (suite de 1 ). Ils servent à la commutation d Image 3: Format des données du transmetteur, pour qu il puisse s adapter à l effet électrique transitoire de la fréquence d entrée. Le premier 0 signale de début des données d adresse qui indiquent au nœud récepteur s il doit considérer ou non le télégramme qui entre. L adresse est suivie par les données utiles ou bytes ACK / NACK pour confirmer la réception réussie du message Sécurité des données Les systèmes de bus ouverts permettent une sécurité des données en option. Avec une procédure de transmission particulière peut le destinataire vérifier l authenticité de l émetteur. Pour cela conviennent l émetteur et le récepteur d un numéro de code à 48 bits lors de l installation du réseau. Ce code est indépendant du numéro de contrôle spécifique du chip. Le numéro de code est envoyé sous forme cryptée qui change avec chaque transmission, ce qui garantit une grande sécurité. Si un nœud contient un message authentifié, il invite l expéditeur à prouver son autorisation en lui adressant un chiffre aléatoire crypté (64 bits). L expéditeur codifie ce chiffre en utilisant son mot-clé et retourne le résultat. Le récepteur compare la réponse au propre résultat crypté. En cas de concordance accepte la CPU du réseau du récepteur le message initial et le transmet au programme d application. Autrement ignore le nœud récepteur le télégramme d origine et incrémente un compteur d erreurs. L authentification peut être définie pour chaque variable réseau individuelle et pour des commandes de gestion du réseau Priorités Les différents nœuds peuvent avoir des priorités différentes. Des périodes (time bins) spéciales sont réservées à la fin de chaque paquet, pendant laquelle la transmission de l un de ces paquets peut commencer. Les nœuds avec une priorité plus basse peuvent commencer seulement plus tard avec la transmission, à condition que le Channel de transmission ne soit pas déjà occupé par un nœud avec une priorité supérieure. Un temps d accès plus court peut ainsi être attribué pour certains nœuds en cas d applications critiques dans le temps Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 7

8 Image 4: Fente horaire des priorités L image 4 illustre la suite des télégrammes avec la fente horaire réservée pour des messages avec une haute priorité. Le protocole permet ainsi de laisser la priorité à un nombre restreint de messages urgents. La temporisation à l intérieur des priority slots et des fentes horaires normales est attribuée de manière aléatoire au moyen de la procédure CSMA Qu est-ce qu est CSMA CSMA signifie Carrier Sense Multiple Access. Différents adhérents d un système peuvent accéder au média de communication, des algorithmes intelligents sont utilisés pour empêcher et détecter des collisions. Un mécanisme raffiné a été développé pour maintenir le risque de collision à un niveau bas. Un nœud qui veut envoyer un paquet, consulte d abord le bus pour s assurer que celui-ci ne soit pas déjà occupé. S il constate finalement la fin d un paquet étranger, il ne commence pas tout de suite à envoyer, mais attend un certain nombre d unités de temps, des time-bins (laps de temps de quelques bits). Il commencera finalement pendant l un de ces time-bins avec la transmission de son paquet. Les premiers time-bins sont réservés pour des nœuds avec une priorité supérieure (voir ci-dessus). Si le nœud a une priorité plus basse, il attend encore un certain nombre de time-bins avant d émettre. Ce nombre est défini par un générateur aléatoire. Pendant ce temps d attente, il observe toujours le trafic sur le bus. Si un autre nœud émet avant lui, recommence à nouveau la procédure. La probabilité que deux nœuds commencent à envoyer pendant exactement le même time-bin est, grâce à la commande par générateur aléatoire, relativement faible,. Le nombre de collisions peut donc être maintenu à un niveau relativement bas, même avec une grande charge du bus. Le protocole LonTalk se distingue par l algorithme predictive p-persistent CSMA, développé à l Université de Stanford. Cet algorithme permet la transmission d un nombre de données garanti en cas de surcharge du réseau. LonTalk est ainsi supérieur aux autres systèmes de bus de terrain par rapport au comportement en cas de surcharge. Image 5: predivite p-persistent CSMA Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 8

9 2.1.3 Les OSI Layer La définition OSI (Open System Interconnection) est la base, sur laquelle la Technologie Internet / Intranet a été construite. LonWorks n a pas réinventé la roue concernant la structuration et utilise le modèle OSI. L overhead supérieur relatif dans la pratique ne diminue que légèrement le temps de transaction, resp. de réponse, mais facilité sensiblement la réalisation, la mise en service et la maintenance de réseaux. Parmi les services mentionnés, il faut relever les services suivants: - Accès efficace au média de transmission avec commande des priorités (comportement quasi déterminant) - transmission transparente, bidirectionnelle, resp. filtrage de télégrammes via des séparateurs (Routeurs) physiques-logiques. - plusieurs modes d adressage : Nœud individuel, groupe, à tous (broadcast) - émission et réception de télégrammes sans / avec quittance, répétition et vérification de l autorisation - demande ciblée de données d un ou de plusieurs nœuds (request-response, polling) - émission et réception prioritaire et automatique, commandées par des événements, de données à travers de variables réseau - utilisation de grandeurs normalisées OSI-Layer Signification LonTalk Service 7 Application Compatibilité au niveau application Définition de l'objet: Actionneur, senseur, contrôleur; Variables réseau standard, gestion du réseau, installation, Real Time Kernel 6 Présentation Interprétation Transport de cadres télégrammes quelconques 5 Session Action Mécanisme Request-Response- (Polling) 4 Transport Fiabilité Transmission avec / sans quittance adressage individuels et de groupes, messages authentifiés (clé, PIN-Code), reconnaissances de duplicatas, surv. De la séquence 3 Network Adressage destination Messages Broadcast, routeurs configurés et adaptatifs, nœuds par domaine, 2 48 domaines, code 48 bits dans chaque chip 2 Link Accès média et contrôle cadre Contrôle cadre, décodage des données, sauvegarde des données CRC-16. CSMA prédictive, empêchement de collisions avec attribution adaptive de fentes de temps d'accès, optionnel avec fentes de temps de priorité et détection de collisions Hardware 1 Physique Liaison électrique Support de différents médias: RS485, ligne bifilaire couplée au transformateur, réseau 230V, radio, IR, LWL, coax, ligne tél., etc., 610bit/s -1,25Mbit/s L attribution d adresses Le protocole LonTalk supporte la segmentation d un système LON et l utilisation de médias de transmission. La topologie réseau utilise les termes suivants: Image 7: Adressage d un système LON Domain Le domaine représente un nombre logique de nœuds sur un à plusieurs Channels. L échange de données est seulement possible entre des nœuds du même Domain. Un domaine forme donc une limite virtuelle d un système LON. Plusieurs Domains peuvent exister en parallèle sur un Channel. On peut les utiliser pour éviter une influence réciproque de nœuds dans différents systèmes LON sur le même Channel. Si les nœuds d une résidence familiale communiquent à travers le réseau, doivent les systèmes LON de deux appartements utiliser des adresses de domaine différents, afin que le réveil radio n enclenche pas la Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 9

10 machine à café du voisin en même temps que la nôtre. L adresse de domaine peut également servir de numéro de série pour le personnel de maintenance. Un domaine peut contenir noeuds. Un nœud peut participer au maximum à 2 Domains. Un domaine peut être défini à l aide de 0, 1, 3 ou 6 Bytes. Le domaine avec la longueur 0 sert à la transmission du message de service, le domaine avec la longueur 1 et l ID 0 est utilisé pour les outils de développement et des messages LNS. Le domaine fait partie de l adresse dans le télégramme, c'est-à-dire une longue identification de domaine génère une plus grande charge du réseau Channel Un Channel est le média de transmission physique sur lequel des données physiques sont transmises. Il peut être un câble, une fréquence radio ou, pour une communication Powerline, une partie du réseau de courant alternatif 230 V. Un Channel est séparé par un routeur ou un Gateway d un deuxième Channel. Channels peuvent être définis librement, des Channels spécifiques à l entreprise peuvent ainsi être construits Subnet Un Subnet est une combinaison logique de maximum 127 nœuds au sein d un Domain. 255 Subnets peuvent exister dans un Domain. Tous les nœuds d un Subnet doivent se trouver dans le même Domain. Un Channel peut comprendre plusieurs Subnets, c.à.d. les Subnets sont des groupes d adressage logiques qui peuvent être utilisés à travers différents médias physiques. Un Subnet ne peut pas traverser un routeur intelligent, c.à.d. des Channels qui traversent des Subnets, doivent être reliés à l aide de Bridge ou Repeater. Un Subnet peut comprendre tous les nœuds de lumières d une usine, bien que ceux-ci soient commandés via radio, le réseau 220 V ou à l aide d un bus bifilaire Node Chacun des 127 nœuds LON au sein d un Subnet est adressable via un numéro de Node de sept bits. Le nombre de nœuds LON adressable par domaine s élève donc à (127 noeuds x 255 Subnets) Groupe Différents nœuds LON au sein d un domaine peuvent être combinés en un groupe, les différents nœuds peuvent se trouver dans des Subnets différents. Jusqu à 256 groupes peuvent être définis dans un domaine à l aide d adresses de groupe à 1 Byte. Un Neuron-Chip peut appartenir à jusqu à 15 groupes. Lors d une transmission de données avec confirmation (acknowledged) peut un groupe contenir jusqu à 64 nœuds. Avec un télégramme sans confirmation (unacknowledged) peuvent tous les noeuds dans un domaine être contactés en même temps. L adressage groupé est un moyen probant pour diminuer le nombre de télégrammes nécessaires pour une communication Broadcast (one-to-many un à plusieurs). Un seul télégramme peut ainsi commander simlutanément plusieurs luminaires d une série de luminaires dans une salle de conférence. Ceci empêche un effet d éclairage en chaîne et le bus n est pas chargé avec un trafic de données inutile. Des outils d installation appropriés permettent, à l aide du group overloading le fractionnement d un groupe en plusieurs sous-groupes. Cf. chapitre Modes d adressage Différents modes d adressage peuvent être utilisés, en fonction des attributions d adresses possibles. La case d adresse LonTalk identifie l adresse émettrice et l adresse réceptrice d un télégramme LonTalk. Un adressage hiérarchique avec des adresses de Domain, de Subnet et de noeud est défini dans le protocole LonTalk. L adresse de domaine et de groupe permet en outre de contacter simultanément plusieurs nœuds LON. Un nœud LON peut donc être contacté sous différentes adresses. Au total il y a cinq modes d adressage: La case d adresse complète se compose de l adresse de domaine (0, 1, 3 ou 6 bytes), de l adresse destinataire et de l adresse émettrice. L adresse destinataire contient, en fonction du mode d adressage, la Neuron-ID (6 bytes), l adresse de groupe (1 bytes) ou Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 10

11 l adresse Subnet et de nœud (ensemble 2 bytes). L adresse émettrice comprend toujours l adresse Subnet et de nœud du Node émetteur. Un nœud LON peut à tout moment être contacté de manière ciblée via sa Neuron-ID. L adresse attribuée pendant la phase d installation par contre, peut changer pendant la vie d un nœud. La Neuron-ID ne devrait, en raison de sa longueur (6 bytes), seulement être utilisée pendant la phase d installation et de configuration d un réseau LON. Le nouveau nœud reçoit, s il faut remplacer un nœud, les mêmes informations d adresse que l ancien. Ses partenaires de communication sur le réseau restent inchangés. Un domaine est identifié par la Domain-ID (0, 1, 3 ou 6 bytes). Si on utilise la Neuron-ID d un nœud LON appartenant au domaine pour une Domain-ID de 6 bytes, est l unicité de la Domain-ID garantie. Dans un système LON sans possibilité d interférence entre les différents domaines, on devrait renoncer à la Domain-ID en faveur d un télégramme plus court. La longueur d une adresse LonTalk se situe, en fonction du mode d adressage, entre 3 et 9 bytes. La longueur de la Domain-ID (0 6 bytes) s ajoute encore. Les informations d adresse dans un télégramme LonTalk occupent donc entre trois bytes pour l adresse groupé et quinze bytes pour l adressage via la Neuron-ID avec adresse de domaine de 6 bytes Explizit Messages Tous les télégrammes LON sont des explizit messages. Ils peuvent être comparés à un train de données qui cherche son chemin à travers le réseau au nœud de destination correct. La locomotive contient comme conducteur l adresse qui règle automatiquement les aiguilles dans le réseau. Des données de formats différents peuvent donc être transmis, comme dans l Internet (Layer 6). Explizit messages sont utilisés par un grand nombre de fabricants pour la commande de leurs systèmes propriétaires. L adresse du destinataire peut être donnée par le programmateur ou configurée dans l EEPROM. Avantage : Plus efficace que les variables réseau Inconvénients : Une liaison n est pas possible sans connaissance exacte de la structure des messages (c.à.d. la connexion à un nœud de fabricants tiers n est que difficilement réalisable); les liaisons nécessitent davantage de travaux de programmation -> plus de codes. LON propose sur Layer 7 un explizit message particulier, qui permet une liaison directe de variables de programme avec le réseau. Le chapitre suivant traite ce format de messages Variables réseau Les variables réseau forment la base pour une propriété unique sous cette forme de LonWorks: l interopérabilité. Il s agit de la coopération sans problème et des règles simples de produits basés sur LonWorks de différents fabricants. L interopérabilité est une condition importante pour la diffusion de LonWorks dans l industrie et les systèmes de gestion technique de bâtiments, ceci en raison des interdépendances de techniques de production et d installation variées des fabricants, concepteurs de systèmes et entreprises d installation. On pourrait également dire : LonWorks permet la construction de systèmes complexes comme s ils étaient d une seule main Principe de communication Variables réseau (NV): Variables qui établissent des liaisons entre deux ou plusieurs nœuds. La liaison des variables se fait au choix dans la programmation de l application, lors du test final de l appareil, sur place dans le cadre de l installation ou pendant l exploitation du réseau. SNVT / SCPTS Pour l établissement de liaisons entre les nœuds de différents fabricants, on utilise des variables réseau standard (Standard Network Variable Types (SNVT) et des données de configuration standard (SCPTS). SNVT s peuvent être liés, c.à.d. un SNVT sait, grâce à une inscription dans la mémoire locale, quels Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 11

12 nœuds attendent des données de sa part. Ces données sont ensuite transmises chaque fois que leur valeur change. Comme complément il y a des UNVTS / UCPTS (types de données définis par l utilisateur), qui définissent les fichiers de format supplémentaires fournis par le fabricant La configuration et la gestion du réseau Les variables réseau permettent la construction d un grand nombre de liaisons de communication entre les différents nœuds Neuron au niveau logique (des Binding). Ceci est généralement réalisé sur le terrain à l aide d un outil d installation (appareil manuel, PC sous DOS ou Windows), dans ce cas, on fait des inscriptions relatives dans l EEPROM des différents nœuds. Mais il y a également des cas, comme p.ex. dans la commande de machines, où tous les nœuds sont prédéfinis avec toutes les relations de communication. Plusieurs scénarii se proposent pour la mise en service d un système LON. Les relations de communication et le programme d application doivent être copiées dans le nœud selon l état des nœuds LON à installer. La variante la plus simple pour des petits systèmes est l installation Plug and Play par l utilisateur de nœuds préconfigurés. Pour la mise en service de systèmes plus importants, on utilise un nœud de gestion de réseau (NMK, appareil manuel ou PC). Un NMK est capable de balayer un système LON en vue de nouveaux nœuds et de configurer, de charger, d exécuter, d arrêter et de réinitialiser (Reset) un programme d application dans le nœud. Il peut, en plus, lire la statistique des communications gérée par les nœuds, configurer des routeurs et détecter la structure d un système LON actif. Une coordination entre la position physique de chaque nœud LON doit être établie pendant l installation. L installateur peut donner l ordre à un nœud avec la commande.., d exécuter une fonction spéciale (p.ex. lampe 1 clignote une fois), pour l identifier ou le trouver. Ensuite il établit avec le NMK les liaisons logiques avec d autres nœuds. Un autre scénario prévoit l établissement d une liste des Neuron-ID et des positions physiques (et ainsi les fonctions) des nœuds LON. Le MNK affecte ensuite aux Nodes les relations de communication souhaitées et leur fournit éventuellement le programme d application manquant. Pour faciliter l installation offrent les Neuron-Chip une chaîne d identification de nœuds d une longueur de 8 bytes Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 12

13 2.2 Les noeuds La série des Neuron-Chip d Echelon Single Chip Processeur 3120 Le Single Chip 3120 est utilisé pour des modules LowCost avec des fonctions restreintes, car les mémoires de données sont très limitées. Les programmes peuvent être chargés dans l EEPROM à travers le bus. CPUs: 3 EEPROM bytes: 512 RAM bytes: 1024 ROM bytes (Firmware): External Memory Interface: non 16-bit Timer / Counter: 2 Watchdog-Timer: oui Package: SOIC Pins: 32 Variables réseau: 62 Tabelles d adresses: Multiple Chip Processeur 3150 Le 3150 permet la commande d un bus de données externe et convient donc aux tâches complexes. Le 3150 est, par rapport à la puissance du processeur disponible pour l application, comparable à un 68HC11 ou un 80C535. CPUs: 3 EEPROM bytes 512 RAM bytes 2048 ROM bytes (firmware): 0 External Memory Interface: oui 16-bit Timer / Counter: 2 Watchdog-Timer oui Package: PQFP Pins: 64 Variables réseau: 62 Tabelles d adresses: Smart Transmetteur Chip Les Smart Transceiver Chips sont des Neuron-Chips avec un processeur de signal intégré pour le FTT ou le Powerline Transceiver. Il y a des Smart Transceiver pour tous les dérivés Neuron Neuron 500 et Chip CPUs: 4 (Internet) EEPROM/Flash: externe RAM: 64 kb ROM: 16 kb Watchdog: oui Package: 7 x 7 mm QFN Pins: 48 Variables réseau: 254 Tension d alimentation: 3,3 V Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 13

14 2.2.2 MIP (Micro Processor Interface Program) Afin que LonTalk puisse être reproduit sur des processeurs plus performants on a implémenté une interface parallèle vers d autres systèmes de processeur dans le Neuron-Chip. L interface est commandée à l aide d un Link Layer et un protocole Application-Message Layer et permet l accès intégral au protocole LonTalk avec le microprocesseur raccordé. Les nœuds MIP n ont plus de limites par rapport à la puissance du processeur. Un MIP peut traiter 4096 entrées de sélecteurs, la limitation concernant 15 tabelles d adresses et 2 tabelles de domaines (legacy mode) subsiste néanmoins. Le comportement d un nœud MIP vis-à-vis de l intégrateur système n est pas fondamentalement différent. Il offre seulement davantage de variables et une puissance supérieure Shortstack Semblable au MIP est le Shortstack une Firmware particulière pour les Neuron-Chip, mais qui est raccordé via l interface SCI ou CPI à un. Un nœud Shortstack peut traiter jusqu à 255 variables / sélecteurs. La limitation au legacy mode reste Implémentations ouvertes de protocoles Plusieurs fabricants proposent des Stacks pour les implémentations LonTalk dans des processeurs plus puissants. Généralement doivent ses Stacks être montés dans des systèmes à temps réel qui supportent des Timer avec une résolution en millisecondes Les fournisseurs les plus connus sont Loytec, Adept et Echelon. De tels Stacks permettent aussi l intégration de périphériques directement à travers Ethernet (p.ex. L- Vis de Loytec, PCD de SaiaBurgess, InfraDALI de Infranet Partners, i.lon d Echelon) Le LC3020 Chip de LOYTEC Le LC3020 Chip est un microprocesseur ARM7 de Loytec / NEC. Il supporte Ethernet et les canaux FTT et travaille avec les systèmes d exploitation Open Source RTEMS. Ceci permet la réalisation de solutions Embeddes quelconques Termes techniques pour tous les LON Chips Firmware, EEPROM, PROM, Flash PROM, RAM Firmware Sous Firmware on entend le programme qui tourne dans le Chip. EEPROM Places mémoire électroniquement effaçables qui peuvent, de manière limitée, contenir de la Firmware. L EEPROM est généralement utilisé pour la mémorisation des données de configuration. Un EEPROM peut être chargé via le réseau. FLASH-EPROM Un FLASH-EPROM peut être effacé avec un Flash UV intégré dans le Chip et reprogrammé des milliers de fois. Un FLASH peut être chargé à travers le réseau et permet d adapter les fonctions dans des appareils déjà installés. RAM La RAM est une mémoire volatile, qui peut être maintenue à l aide d une batterie ou qui perd son contenu si on la débranche Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 14

15 Service Le Service-Pin est un raccord particulier du Neuron-Chip. Il est un outil auxiliaire pour la configuration, la mise en service et la maintenance du nœud réseau auquel le Neuron-Chip appartient. Si on raccorde une touche et connecte le Service-Pin à la masse, il (ou plutôt la Firmware Neuron) émet un télégramme de gestion de réseau particulier, avec lequel il communique e.a. son numéro de série unique à 48 bits (Neuron-Chip-ID) à tous les nœuds dans le réseau. Cette information peut être utilisée par un gestionnaire de réseau pour l attribution de l adresse réseau logique du nœud lors de l installation et la configuration suivante. Si on branche le Service-Pin à une diode électroluminescente (LED), peut celle-ci signaler le statut de fonctionnement actuel du nœud de réseau par des modes de clignotement différents. Image: Mode de clignotement de la Service LED Voici les significations de l affiche LED: A) NORMAL OPERATION: Lors du démarrage s allume la diode brièvement (<1 seconde) et s éteint pour toujours. Le Neuron-Chip est configuré et travaille correctement. B) FATAL ERROR: le Neuron-Chip ne pouvait pas démarrer (Clock, CPU-Bus, Reset ou problème de la Firmware). Généralement est le circuit imprimé ou un composant endommagé. C) APPLICATIONLESS: A l état applicationless aurait le Neuron-Chip pu démarrer, mais il a trouvé une application qui ne correspond pas au Hardware. Dans ce cas, il faut charger une nouvelle Firmware. La LED indique au démarrage normal operation, mais le LED reste ensuite allumée en permanence après 3 secondes. D) UNCONFIGURED: Avec un nœud non configuré clignote la LED avec une fréquence de 1 Hz. Le Hardware fonctionne correctement, mais n exécute pas le logiciel d application. Le nœud doit être configuré (attribution d une adresse logique) pour atteindre le normal operation mode. E) WATCHDOGING: La Watchdog interne du Neuron-Chip redémarre le Chip toutes les 750 ms, ce qui est signalé par un bref clignotement de la LED. Le nœud veut démarrer normalement, mais trouve une erreur de temps de marche. La cause peut être des ports parallèles défaillants ou interfaces bitsérielles non synchronisées. La Firmware du Chip est exécutée dans tous les cas lors de l activation du Service-Pin, indépendant du fait que le nœud ait déjà un logiciel d application et si la configuration du réseau ait été faite. Le Service-Pin est contrôlé par le logiciel (Firmware), s il est raccordé à un I/O-Pin. Le programme principal du processeur réseau scrute le Service-Pin régulièrement après chaque télégramme émis ou reçu. Il est également possible d accéder au Service-Pin avec le logiciel d application. Le programmateur doit cependant tenir compte de certaines différences, dépendantes du type du processeur et de la version de la Firmware, dans la coordination logique du Service-Pin Configurabilité avec nœud Legacy Les nœuds Legacy ont une structure de données qui permet une liaison avec leurs partenaires sur le réseau. Cette structure de données est généralement gérée par un outil d installation qui reprend le Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 15

16 contrôle des fonctions système. Deux tabelles de domaine servent à l enregistrement de l appartenance au Domain. 64 sélecteurs pour des variables réseau, qui permettent l inscription des Binding, peuvent en outre être inscrits. 14 tabelles d adresses permettent au nœud de connaître les adresses de destination des données. Chaque fois que la variable de sortie reçoit une nouvelle valeur, regarde le programme dans la tabelle nv_tab quel sélecteur est inscrit et quelle tabelle d adresses doit être utilisée. La tabelle d adresses est informée sur le domaine à utiliser. Ceci donne l adresse du télégramme. Un Legacy Chip peut adresser directement 15 autres nœuds au maximum. Maximal 15 groupes peuvent être desservis, si on utilise des adresses groupées, les messages de groupes entrants doivent également être inscrits dans la tabelle d adresses. Les tabelles de groupes peuvent utiliser plusieurs sélecteurs, ainsi il est possible de relier un nœud avec plus de 15 destinataires Nœuds ECS Les nœuds ECS (Enhanced Command Set) supportent un nombre plus grand de tabelles d adresses et d autres configurations plus flexibles. Les nœuds ECS utilisent des commandes réseau supplémentaires. Les nœuds ECS peuvent être intégrés dans les réseaux sans problèmes de compatibilité à travers des LNS-Tools Tabelles Alias Les tabelles Alias permettent une intégration des appareils plus flexible dans des structures de réseau complexes. Ces alias-bindings sont gérés automatiquement par les LNS-Tools. 2.3 LonWorks Transceiver Les transmetteurs sont le grand avantage de la technologie LonWorks. Ces composants permettent au constructeur d accéder efficacement aux différents médias. Des topologies de bus peuvent être construites sur la base des différentes technologies de transmetteur. Illustration: Topologies de bus possibles Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 16

17 2.3.1 Twisted Pair TP 78 Pour la topologie de bus conventionnelle, on peut utiliser le Twisted Pair Transceiver pour 78.1 kbit/s ou 1.25 MBit/s. Le bus séparé par transformateur garantit une grande résistance contre les perturbations. TP-78 Tronçon: 1400 m, avec terminaison aux deux extrémités Nœuds par Channel: 64 Hub: maximal 3 M Particularités: en cas de températures négatives, seulement 44 nœuds par Channel Plage voltage zéro: +220 V..220 V rms Free Topology FTT-10 Le FTT-10 est sans doute le transmetteur le plus apprécié, qui s imposera comme standard. La gestion d un bus de terrain en topologie libre est actuellement toujours une performance technique de pointe. A mentionner est également l intégration aisée de ce composant dans des produits, les directives concernant le Design garantissant pratiquement à coup sûr une certification CE réussi. FTT-10 Tronçon: Nœud pas Channel: 64 Plage voltage zéro: +220 V V rms 2700 m, avec terminaison aux deux extrémités et en topologie bus 400 m en topologie libre et avec terminaison à une extrémité RS-485 Le RS-485 est toujours la solution la plus avantageuse, mais offre (en fonction du type de spécification) seulement une plage de voltage zéro de -7 à +12 V. Il convient particulièrement pour des petites installations. Type Média kbit/s Longueur / Topologie / Rem. Nbre noeuds TP- RS485 Ligne torsadé 39 bis m avec 39kBit/s, bus, 32 par bifilaire. avec ou sans séparation segment bus TPT/XF 78 Trafo TPT/XF1250 Trafo FTT10 Trafo LPT10 Link Power PLT20 Power Line PLT30 Power Line Ligne torsadé bifilaire. Ligne torsadé bifilaire. Ligne torsadé bifilaire. galvanique m, bus avec câbles de dérivation de 3m, isolation 277V RMS m, bus avec câbles de dérivation de 0,3m, isolation 277V RMS m comme bus, 500m avec topologie libre, Isolation 277V RMS Ligne torsadé bifilaire m, topologie libre, 42V DC, 5V / 100mA par nœud 230 VAC ou DC 4,8 50 m 5 km, BPSK Modulation Cenelec Band C, 132.5kHz 230 VAC ou DC 2 50m - 5km, Spread Spectrum Cenelec Band A, 9-95kHz IP-852 Tunneling via IP Tous les canaux IP 64 par segment bus 64 par segment bus 64 par segment bus par segment bus Selon réseau Selon réseau Link Power Lors de l utilisation de Link-Power-Transceiver coulent les données et l énergie d alimentation (48 V) ensemble et protégées contre une inversion de la polarisation à travers une ligne bifilaire torsadée. Un bloc d alimentation de commutation intégré dans le transmetteur peut alimenter le nœud LON y Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 17

18 compris la commutation de l application avec jusqu à 100 ma et +5 V. Un bloc d alimentation central alimente un segment de bus d une longueur jusqu à 320 m. L extension du bus peut être augmentée par la liaison de plusieurs segments Link-Power. L installateur ne doit plus respecter des longueurs maximales de branchements de bus ou d autres restrictions topologiques lors de la pose des lignes de bus, car le LPT-10-Transceiver permet un choix libre de la topologie (étoile, anneau, Multidrop). était Le déclencheur pour le développement du FTT-10 suivait la même philosophie. Contrairement au LPT-10 a chaque nœud LON sa propre alimentation en courant. Les deux variantes peuvent être mélangées Power Line Des générations d ingénieurs de développement ont déjà traité le sujet "Transmission des données via la ligne d alimentation". Le média ligne d alimentation à un énorme avantage: Il est déjà présent dans des immeubles résidentiels ainsi que dans des bâtiments fonctionnels, et l ouverture des murs pour la pose de lignes de bus n est donc plus nécessaire. Mais la ligne d alimentation prévue pour la transmission d énergie représente un désavantage tout aussi important: La caractéristique de la ligne diffère d un endroit à l autre et peut changer d un moment à l autre en fonction du type et du nombre des consommateurs raccordés. Les blocs d alimentation de commutation, les moteurs électriques ou les variateurs de lumière sont dans ce cas des sources de perturbation courantes, qui faussent ou rendent illisibles les signaux de données modulées sur la ligne d alimentation. Grâce à l utilisation de la largeur de bande de transmission disponible, par le choix des modes de modulation appropriés et un filtrage des signaux adapté, on peut quand même utiliser la ligne d alimentation pour la transmission d informations. LonWorks propose pour cela trois modules Power-Line-Transceiver. Les bandes de fréquences autorisées par les autorités pour la transmission des données à travers la ligne d alimentation sont différentes à l Amérique du Nord, au Japon et en Europe. En Amérique et au Japon est la plage de fréquence de 0 à 500 khz libérée. Cette grande largeur de bande permet l utilisation d un mode de modulation à spectre étalé (Spread Spectrum Modulation). Dans ce cas on transmet les informations dans une bande large sur une grande plage de fréquence. Les dérangements, qui sont souvent limités dans leur largeur de bande, ne peuvent donc pas gêner la transmission des données sur l ensemble de la bande de fréquence. Le Power-Line-Transceiver PLT- 10, qui est seulement homologué aux Etats-Unis, travaille selon cette procédure dans une plage de 100 khz à 450 khz et atteint alors une vitesse de transmission de données nette de 10 kbit/s. CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique; Europäisches Komitee für Elektrotechnische Normung)n a seulement libérée la plage de fréquence jusqu à 150 khz (début de la radio à ondes longues) pour la communication à travers la ligne d alimentation en Europe. Cette plage est en plus fractionnée en plusieurs bandes. La bande CENELEC-A (9 khz à 95 khz) est réservée à l échange des données des opérateurs (Enterprise d'approvisionnement en électricité et distributeurs). La bande CENELEC-B (95 khz à 125 khz) sert à la communication sans protocole d accès pour applications de clients finaux. Dans la bande CENELEC-C (125 khz à 140 khz) se déroule la communication de données pour applications clients commandées par protocole. Le transmetteur de bande A PLT-30 utilise également le mode Spread Spectrum et atteint ainsi dans cette bande de fréquences une vitesse de données de 2 kbit/s. La bande C étroite demande un autre mode de modulation. Le PLT-20 utilise BPSK (Binary Phase Shift Keying). Ce transmetteur atteint une vitesse de données de 4 kbit/s. Echelon fournit le Power Line Communications Analyzer (PCLA) pour l analyse de réseaux à basse tension (230 V) existants en vue de leur aptitude d utilisation comme média de communication de données. Cet appareil permet la réalisation d une série de tests, qui fournissent, en plus du taux d erreur de télégrammes, également des renseignements sur les paramètres de transmission analogiques (atténuation, perturbations et distorsion des signaux). En plus existe un set de test basé sur PC (PLE-30), qui permet l établissement d une liaison de communication entre deux ou plusieurs PC et la simulation d émission et de réception de télégrammes avec des paramètres de transmission modifiables Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 18

19 2.3.6 Autres transmetteurs Les transmetteurs suivants sont également disponibles sur le marché: - Transmetteur à sécurité intrinsèque de 78 kbit/s - Radio 432 MHz - Câbles à fibres optiques - Infrarouge - Coax - Ligne Tf - Microwave 2.4 LonWorks Tools Le quatrième élément, les LonWorks Tools, comprennent les outils de développement et d installation. Ils servent au développement de nœuds ou à la planification et la réalisation d installations. Dans le cadre de cette introduction, on ajoute seulement une liste des outils les plus courants, car ces Tool seront traités dans le cadre d un cours pour développeurs ou d intégrateurs systèmes. D autres outils, qui sont surtout importants pour les développeurs, sont des outils de développement pour Neuron-C et pour des applications Host. Il est possible de construire des installations, au moyen de compilateurs de terrain,de sorte à ce que chaque nœud peut être supporté par le logiciel de code source et élargi avec des nouveaux programmes à travers le réseau. Cette capacité est unique pour des systèmes de bus de terrain, mais est en général seulement mise à disposition sur demande spéciale (divulgation des codes sources de la Firmware). Dans le domaine runtime-library est une maintenance transparente du logiciel sur tous les nœuds absolument normal. Outils d installation: - LonMaker - NL NL-Facilities Tous les outils courants sont basés sur les standards pour Windows Workstations et permettent une présentation orientée vers l objet (Active-X OXC-Components) du logiciel de gestion ainsi que de leurs composants spécifiques pour les nœuds. Lors du choix d un outil d installation, il faut s assurer que des Device Plug Ins sont disponibles pour le Hardware choisi. Un tel Plug-In fournit à l intégrateur système une surface graphique intégré dans l outils d installation pour un paramétrage simple du nœud. Un double-clic dans la reproduction du nœud ouvre la fenêtre Plug-In respective. Une redevance par nœud pour un tel outilest généralement facturée. Ceci permet d obtenir les outils pour des petites installations à un prix acceptable. Les charges d une configuration du système par rapport à la planification et le temps sont souvent sous-estimées. Lors d installations conventionnelles sont les différents points de données reliés par des câbles, tandis que la connexion LonWorks doit être réalisée par le Tool. L effort pour le traitement de l information reste le même. Mais il n est, à première vue, pas aussi évident que c est le cas avec des dossiers remplis de schémas électriques Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 19

20 3 Le standard LonMark 3.1 La couche physique (Layer 1) La couche physique de LonMark reprend la spécification du Transmetteur et est définie pour les Transmetteur suivants: - TP-RS TP/XF-78 - TP/XF TP/FT-10 - PL-10 (L-E) - PL-20 (L-N) - PL-20 (L-E) - PL-30 (L-N) - IP Layer 2-6 LonMark définit seulement dans Layer 2 et 4 des conditions supplémentaires minimales: - Layer 2: fréquences quartz minimales par rapport au transmetteur - Layer 4: définition de la grandeur minimale des tampons de transaction à 66 bytes 3.3 L Application Layer (Layer 7) Les variables réseau sont, dans le but d assurer l interopérabilité, combinées en objets qui représentent, d un point de vue logique, des fonctions de senseurs, d actionneurs et de contrôleurs. Ici intervient LonMark, et a déjà défini plus de cent SNVTs (Standard Network Variable Type) et SCPTs (Standard Configuration Parameter Types), qui garantissent l interopérabilité de variables en signification, valorisation et domaine. Illustration: Documentation d un nœud avec des objets LonMark Une SNVT reçoit un numéro qui définit le type. Une information par rapport à la SNVT qui peut être lue par les outils d installation est également introduite dans le nœud. Ce texte d information contient généralement le nom de la variable qui permet de comprendre la fonction Copyright by LonMark Schweiz, 3625 Heiligenschwendi 20

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