LonWorks总线实时性能分析与仿真研究任振兴摘要：该文对LonWorks总线网络的协议模型进行了分析，采用MATLAB7.4.0仿真软件对LonWorks总线网络通信实时性进行仿真分析。仿真结果表明，影响通信实时性能的主要因素是不同站点数下的负载提供情况。网络在轻负载情况下，如果提供负载不超过400包/s，节点数在一定数目下，冲突率就能控制在2%以下，同时平均访问延时在负载为400包/s时也是很小的；当网络在轻负载情况下，随着BL值的增加，插入的随机时间片减少，节点发送速度较快；在重负载下，随着BL值增加，插入的随机时间片较多，可有效避免冲突。最后初步提出几种改善LonWorks总线网络通信延迟的可行性方法。关键词：LonWorks总线；实时性；冲突；仿真：TP393文献标识码：A：1009-3044（2016）30-0217-03LonWorks（LocalOperatingNetwork，局部操作网络）是美国Echelon公司开发的一种局域网络控制系统能够建立生产过程现场级设备之间及其与更高控制管理层之间的通讯，负责底层设备数据的上传和管理层控制命令的下达。实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。已在电力监控系统、制造自动化、过程自动化、楼宇、交通领域得到广泛应用[1][2]。由于LonWorks網络为底层控制网必须满足对现场控制设备的实时性和信道数据传输的高效性要求。LonWorks总线使用LonTalk协议，其介质访问控制层采用带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）控制方式。各个站点采用“优先级可预测P—持续CSMA/CD”二进制指数退避算法来处理冲突，导致每次信号重发的等待时间不一致，使得通信延迟时间不确定。考虑LonWorks网络的通信延迟降低监控系统的实时性能，因而目前对LonWorks总线网络实时性能进行分析是LonWorks技术研究的重要内容之一。1LonWorks总线网络协议模型分析1.1协议模型LonWorks总线采用LonTalk协议，LonTalk协议的MAC子层的报文周期见图1[3]。由图1可知[β1]出现在一帧报文的后面，其中[β1]是一个空闲时间，作用是隔离信道上的所有报文帧，在[β1]期间没有任何信息传送才表示网络空闲，任何节点在发送数据前需先确定网络是否空闲。紧跟在[β1]后的是优先级时间片，它由大小相等的n个传送延时Tslot组成，LonTalk协议规定n值可以为128，紧跟在优先级时间片后面的是随机时间片，它由大小相等的传送延时[β2]组成，随机传送延时[β2]的个数允许为1008个，优先传送延时Tslot和[β2]的大小相等。LonTalk协议规定在一个报文周期内只能有一帧报文被发送，Tslot对应的节点比[β2]对应的节点优先级高，越靠近[β1]的传送延时对应的节点优先级就越高。节点发送报文前随机插入[0～w]个随机时隙，为此信道中的任一节点在发送报文之前平均插入了[w2]个随机时隙，公式为[w=BL×wbase]，其中[w]会根据网络负载变化而变化，[wbase]是基本随机窗口内随机时隙的个数，在此BL为某一时刻网上将发送消息包的数目的预估值，[wbase]=16。节点有报文需要利用信道发送时，首先需要在[β1]周期内确认网络是否空闲，是否有报文。若网络被确认为空闲，一个随机等待时间会被节点产生，随机等待时间为[0～w]随机时间片[β2]中的一个，待到延时结束，网络仍被确认为空闲，这个时候节点才可以发送报文；否则，节点检测是否需要接收信息，然后再重复MAC算法。BL值是某一时刻网上将发送信息包的数目的预估值，每个节点都有一个当前信道使用情况的BL估计值。当检测到一个MPDU（报文格式）发送或接收时，BL值会增加1；同时每隔一个固定报文周期BL值会减1，然后BL值会被放到MPDU/LPDU中。由于BL值需要大于等于1，所以当BL值为1时就不再减了。概率[p]值的动态变化与随机时隙数的动态变化之间的关系说明如下：（1）概率[p]值的动态变化取决于随机时隙数的动态变化。当网上将发送的信息包的数目增加时，数据将被节点分布在更多的时隙上发送，参数BL（backlog）决定了增加的时隙数量，其中BL为网络负载，BL的取值范围为1～63，随机时隙数目R=16×BL=16～1008。（2）节点对网络负载的预测能力决定了随机时隙数目的动态变化。每一个节点在网上启动发送信息之前，首先随机时隙数会根据BL值进行...