Lua腳本語言介紹與如何實(shí)現(xiàn)嵌入式UART通信設(shè)計(jì)方案

引言

隨著變電站智能化程度的逐步提高，對(duì)溫度、濕度等現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)參量的采集需求也越來越多。就目前而言，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，此類設(shè)備多采用RS232或RS485等UART串行通信方式和IED（Intelligent Electronic Device,智能電子設(shè)備）裝置進(jìn)行交互。一般來說，不同的設(shè)備采用的通信數(shù)據(jù)幀格式并不相同。各式各樣的串口數(shù)據(jù)幀格式，對(duì)IED裝置的軟件定型造成一定的困難。傳統(tǒng)的做法一般是由裝置生產(chǎn)廠家指定和其配套的外圍設(shè)備，裝置的靈活性不夠理想。本文針對(duì)此類問題，提出了一種基于Lua腳本語言的解決方案，可有效地提高IED裝置對(duì)各種類型串口數(shù)據(jù)報(bào)文幀格式的適應(yīng)性。該方案將具體串口報(bào)文規(guī)約的組建和解析交給Lua腳本進(jìn)行處理，從而使設(shè)計(jì)者在裝置的軟件開發(fā)中，可僅關(guān)注于相關(guān)接口的設(shè)計(jì)，而不用關(guān)心具體的串口通信規(guī)約，從而方便軟件的定型，并提高了裝置自身在應(yīng)用中的靈活性。

1 Lua腳本語言介紹

Lua是一種源碼開放的、免費(fèi)的、輕量級(jí)的嵌入式腳本語言，源碼完全采用ANSI（ISO） C.這一點(diǎn)使它非常適合融入目前以C語言為主的嵌入式開發(fā)環(huán)境之中。兩者之間實(shí)現(xiàn)交互的關(guān)鍵在于一個(gè)虛擬的棧，通過該虛擬棧和Lua提供的可對(duì)該棧進(jìn)行操作的相關(guān)接口函數(shù)，可以很方便地在它們之間實(shí)現(xiàn)各種類型數(shù)據(jù)的傳遞。

與其他腳本語言（如Perl、Tcl、Python等）相比，Lua表現(xiàn)出了足夠的簡(jiǎn)單性以及非常高的執(zhí)行效率，結(jié)合其與平臺(tái)的高度無關(guān)以及充分的可擴(kuò)展性[1],這使得它越來越多地得到大家的關(guān)注。因此，在本文的方案中優(yōu)先選用Lua腳本來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)方案概述

本方案主要是圍繞著IED裝置和外圍串口設(shè)備之間的通信來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

當(dāng)IED裝置開始運(yùn)行時(shí)，將創(chuàng)建一個(gè)用于UART通信的讀寫調(diào)度任務(wù)。在該任務(wù)中，首先通過Lua提供的接口函數(shù)來啟動(dòng)其腳本引擎，并創(chuàng)建Lua虛擬機(jī)。然后即可將用戶編寫的C函數(shù)注冊(cè)到Lua虛擬機(jī)中去，并將存在于Flash文件系統(tǒng)中獨(dú)立于裝置C程序的Lua腳本文件加載到虛擬機(jī)中，從而建立起Lua和C的交互環(huán)境。在系統(tǒng)應(yīng)用中，將需要發(fā)送到外圍設(shè)備的具體數(shù)據(jù)內(nèi)容都放在Lua腳本文件中。當(dāng)裝置C程序需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過通信讀寫調(diào)度程序及虛擬機(jī)的配合，將這部分?jǐn)?shù)據(jù)取出，并調(diào)用串口驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送給外圍設(shè)備。當(dāng)收到外圍設(shè)備發(fā)給IED裝置的報(bào)文時(shí)，再將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳給虛擬機(jī)中運(yùn)行的腳本程序進(jìn)行處理，并由Lua根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果來調(diào)用已注冊(cè)的C函數(shù)進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)處理。

圖2 系統(tǒng)程序流程

本系統(tǒng)的程序流程如圖2所示。

其中，串口通信芯片采用TI公司的帶64字節(jié)FIFO的4通道可編程UART芯片TL16C754B來實(shí)現(xiàn)。它的4個(gè)通道可分別獨(dú)立編程，在3.3 V的操作電壓下，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)2 Mbps,適合多種UART通信環(huán)境中的應(yīng)用[2].基于裝置的應(yīng)用環(huán)境，本文采用RS485的問答機(jī)制并結(jié)合查詢方式來對(duì)該串口通信方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。在方案實(shí)現(xiàn)中，裝置將每隔一定時(shí)間通過串口芯片發(fā)送一次查詢報(bào)文，當(dāng)查詢到外圍設(shè)備發(fā)送的正確響應(yīng)報(bào)文后，再進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)處理。

3 功能實(shí)現(xiàn)

在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，串口通信的應(yīng)用比較成熟，因此，本文將著重介紹Lua是如何服務(wù)于這一應(yīng)用的。從圖2可以看出，Lua的使用主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

◆ Lua與C交互環(huán)境的建立；

◆ 提取腳本中的串口配置數(shù)據(jù)；

◆ 調(diào)用Lua函數(shù)設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)；

◆ 通過Lua函數(shù)處理接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。

3.1 Lua與C交互環(huán)境的建立

要建立交互環(huán)境，首先要啟動(dòng)Lua腳本引擎，并創(chuàng)建虛擬機(jī)。其機(jī)制雖然相對(duì)復(fù)雜，但對(duì)應(yīng)用來說卻比較簡(jiǎn)單，通過"L=lua_open（NULL）；"即可實(shí)現(xiàn)。其中，L是一個(gè)指向結(jié)構(gòu)類型為lua_State的指針變量，該結(jié)構(gòu)將負(fù)責(zé)對(duì)Lua的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)。

為了實(shí)現(xiàn)Lua腳本函數(shù)對(duì)系統(tǒng)程序中串口發(fā)送和接收緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，定義了幾個(gè)C函數(shù)供腳本調(diào)用，即用于設(shè)置串口發(fā)送緩沖區(qū)的函數(shù)set_tx_buf、讀取串口接收緩沖區(qū)的函數(shù)get_rx_buf,以及在Lua腳本中判斷串口數(shù)據(jù)交互正常時(shí)調(diào)用的結(jié)果處理函數(shù)uart_ok_del.

在Lua腳本中，要成功調(diào)用以上函數(shù)，必須將其加載到Lua虛擬機(jī)中去，本文采用Lua提供的一種注冊(cè)C函數(shù)庫的方法來實(shí)現(xiàn)。具體加載過程如下：

① 按以下格式定義調(diào)用函數(shù)：

static int set_tx_buf（lua_State *L）；

static int get_rx_buf（lua_State *L）；

static int uart_ok_del（lua_State *L）；

② 聲明一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組，每個(gè)數(shù)組元素分別為C函數(shù)在Lua腳本中的調(diào)用名字及對(duì)應(yīng)的C函數(shù)，即以"name-function"對(duì)的形式出現(xiàn)，如下所示：static const struct luaL_reg uartLib[] ={

{"set_tx_buf",set_tx_buf},

{"get_tx_buf", get_tx_buf},

{"uart_ok_del", uart_ok_de},

{NULL, NULL}

};

③ 調(diào)用以下函數(shù)對(duì)C函數(shù)庫進(jìn)行注冊(cè)：luaL_register（L, "ied", uartLib ）；其中，參數(shù)L即為創(chuàng)建虛擬機(jī)時(shí)的函數(shù)返回值（以下同），字符串"ied"為注冊(cè)到虛擬機(jī)中的庫名稱。第3個(gè)參數(shù)uartLib即為前面聲明的結(jié)構(gòu)數(shù)組，對(duì)應(yīng)需要注冊(cè)的庫函數(shù)表。

通過以上步驟，即可完成Lua腳本中需要調(diào)用的3個(gè)C函數(shù)的注冊(cè)過程，從而就可以在Lua腳本中通過"庫名稱。庫函數(shù)"的形式來對(duì)其進(jìn)行調(diào)用，如"ied.set_tx_buf（函數(shù)參數(shù)）".

腳本文件本身的加載則相對(duì)簡(jiǎn)單，只需通過如下函數(shù)調(diào)用即可：

luaL_dofile（L, "uart_script.lua"）；

其中，參數(shù)L和以上的函數(shù)調(diào)用相同，第2個(gè)參數(shù)則為腳本文件在Flash中的具體存儲(chǔ)路徑。

至此，就成功建立了一個(gè)Lua與C的交互環(huán)境。

3.2 提取腳本中的串口配置數(shù)據(jù)

要正確地進(jìn)行Lua和C的交互過程，首先必須對(duì)Lua和C交互時(shí)所采用虛擬棧的作用和操作有比較深入的了解。在Lua和C的交互中，它們彼此之間函數(shù)參數(shù)以及返回值都將由該棧來負(fù)責(zé)傳遞。Lua和C在棧的操作方式上稍有不同，在Lua中采用嚴(yán)格的LIFO方式，而C則還可以通過索引的方式進(jìn)行。以3個(gè)參數(shù)為例，參數(shù)1首先入棧，參數(shù)2、3隨后順次入棧，Lua虛擬棧存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及索引對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 Lua虛擬棧結(jié)構(gòu)示例圖

如需在C中訪問參數(shù)1,則既可以通過索引號(hào)1進(jìn)行，也可通過索引號(hào)-3進(jìn)行。其中，正索引按入棧順序從1依次遞增，負(fù)索引按出棧順序從-1依次遞減。

通常情況下，串口的配置主要有以下幾項(xiàng)：是否使能、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)標(biāo)志位和波特率。因此，在Lua腳本中，本文采用Lua的表結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，示例如下（本文中斜體代碼表示為L(zhǎng)ua腳本，以下同）：

uart_p0={

enable=1,--使能位

dataBits=8 , --數(shù)據(jù)位數(shù)

stopBits=1 , --停止位數(shù)

parityBit=2 , --奇偶校驗(yàn)

baudRate=9600 --波特率

};

該例表示對(duì)UART芯片的P0口進(jìn)行使能，并且采用8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、偶校驗(yàn)（本文定義parityBit的值取0為無校驗(yàn)，取1為奇校驗(yàn)，取2為偶校驗(yàn)）的幀格式，波特率為9 600 bps.

在C語言中，要獲取表中enable屬性字段的值，可采用以下步驟：

① 調(diào)用接口函數(shù)并以表名稱作為參數(shù)，將該表入棧：

lua_getglobal（L, "uart_p0"）；

② 調(diào)用接口函數(shù)將enable屬性字段的屬性名稱入棧：

lua_pushstring（L, "enable"）；

③ 調(diào)用接口函數(shù)提取屬性值，該操作在C中可看作是一個(gè)先出棧再入棧的過程，結(jié)果將在②中已入棧的屬性名稱所在位置填入屬性值：

lua_gettable（L, -2）；

其中，參數(shù)"-2"為棧中的索引號(hào)。

④ 調(diào)用接口函數(shù)取出棧頂中該屬性字段的值，并調(diào)用出棧函數(shù)，以恢復(fù)調(diào)用環(huán)境：

p0_enable = （int）lua_tonumber（L, -1）；

lua_pop（L, 1）；

其中，lua_tonumber函數(shù)的參數(shù)"-1"也為棧中的索引號(hào)，該操作將取出棧頂元素的數(shù)值，鑒于Lua中的數(shù)據(jù)都為浮點(diǎn)數(shù)，所以需將其強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為整型數(shù)據(jù)。lua_pop中參數(shù)"1"為非索引，僅說明從棧頂將1個(gè)元素出棧。

通過以上操作，就可以正確地取出腳本中p0口參數(shù)設(shè)置表中enable屬性字段的值。其他屬性字段的提取與其相同。虛擬棧中的內(nèi)容變化如圖4所示。

圖4 提取表中屬性值時(shí)的虛擬棧操作示意圖

3.3 調(diào)用Lua函數(shù)設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)

為通過Lua腳本對(duì)串口發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行設(shè)置，在腳本中定義了如下函數(shù)：

data ={0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55 };

function uart_p0_set_txBuf（）

local port=0;

local p0_send_num=5;

for i=1, p0_send_num do

ied.set_tx_buf（port,i-1, data[i]）

end

return p0_send_num

end

從腳本內(nèi)容可以看出，在此采用了一個(gè)Lua中的循環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行設(shè)置，并返回設(shè)置的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。其中，全局變量data是Lua腳本中的表，類似于數(shù)組，在此表示需要設(shè)置的緩沖區(qū)內(nèi)容；ied.set_tx_buf（）為在3.1節(jié)中提到的已注冊(cè)到虛擬機(jī)中的C函數(shù)庫中的一個(gè)函數(shù)。其參數(shù)port表示端口號(hào)，i-1表示緩沖區(qū)索引號(hào)，data[i]表示具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容。在應(yīng)用中需要注意的是，在Lua中，數(shù)組索引默認(rèn)從1開始，而不像C中從0開始。另外，在C中定義set_tx_buf函數(shù)時(shí)并未設(shè)置參數(shù)，這主要是因?yàn)閰?shù)的提取必須借助于虛擬棧才能實(shí)現(xiàn)。在腳本中調(diào)用時(shí)，對(duì)其參數(shù)將按照從左到右的順序依次入棧，在C中要取出參數(shù)時(shí)，按照其在棧中相應(yīng)的索引號(hào)取出即可。在Lua中對(duì)每個(gè)函數(shù)的調(diào)用都有一個(gè)獨(dú)立的棧，因此，若以i取2時(shí)調(diào)用情況為例，在C函數(shù)set_tx_buf中看到的棧內(nèi)容將如圖5所示。

圖5 函數(shù)調(diào)用時(shí)的虛擬棧示例

從而在C程序中，只需要調(diào)用下面語句即可將該串口發(fā)送緩沖區(qū)中索引為1的內(nèi)存區(qū)域設(shè)置成0x22:

port=（int）lua_tonumber（L,1）；//取端口號(hào)

index=（int）lua_tonumber（L,2）；//取索引

data=（char）lua_tonumber（L,3）；//取數(shù)據(jù)

uart_port_tx_buf[port].data[index]=data;

當(dāng)在C程序中需對(duì)串口發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，將按如下方法調(diào)用該腳本函數(shù)：

lua_getglobal（L, "uart_p0_set_txBuf "）；

lua_pcall（L, 0, 1, 0）；

其中，函數(shù)lua_getglobal的參數(shù)"uart_p0_set_txBuf"為要調(diào)用的腳本函數(shù)名，函數(shù)lua_pcall的函數(shù)原型為：

int （lua_pcall） （

lua_State *L,

int nargs, //調(diào)用函數(shù)的參數(shù)個(gè)數(shù)

int nresults, //返回的參數(shù)個(gè)數(shù)

int errfunc //錯(cuò)誤處理函數(shù)號(hào)

）；

因所調(diào)用的腳本函數(shù)uart_p0_set_txBuf沒有參數(shù)，有一個(gè)返回值，所以分別將nargs、nresults置為0、1,而錯(cuò)誤處理函數(shù)暫不使用，故置為0.

對(duì)于腳本中的返回值，將在腳本函數(shù)調(diào)用結(jié)束時(shí)，置于lua_pcall調(diào)用環(huán)境所在的虛擬棧的棧頂中，可由C程序根據(jù)索引取出。

經(jīng)以上過程，就完成了對(duì)串口發(fā)送緩沖區(qū)的內(nèi)容設(shè)置，然后就可以通過串口芯片的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑵浒l(fā)送到外圍設(shè)備。

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，只需根據(jù)不同外圍設(shè)備問詢報(bào)文的要求來修改腳本中data數(shù)組以及p0_send_num變量的內(nèi)容即可，而不用對(duì)裝置的C程序進(jìn)行任何修改。

3.4 通過Lua函數(shù)處理接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)

通過Lua和C的交互來對(duì)串口接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的處理方法同發(fā)送緩沖區(qū)的處理基本相似。

當(dāng)裝置通過串口驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑼鈬O(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)置入接收緩沖區(qū)后，在C函數(shù)中調(diào)用腳本函數(shù)：

lua_getglobal（L, "uart_p0_del_rxBuf"）；

lua_pushnumber（L, size）；

ret=lua_pcall（L, 1, 1, 0）；

其中，參數(shù)uart_p0_del_rxBuf為腳本中定義的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)處理函數(shù)名，通過lua_pushnumber將接收數(shù)據(jù)的大小入棧，從而傳給Lua腳本函數(shù)，腳本函數(shù)的原型如下：

function uart_p0_del_rxBuf（rx_size）

在該函數(shù)中，可通過調(diào)用注冊(cè)的C函數(shù)get_rx_buf來獲取接收緩沖區(qū)中的內(nèi)容：

data[i] = ied.get_rx_buf（port,index）

其中，data為腳本中類似于數(shù)組的表類型。port為串口芯片的端口號(hào)，index為緩沖區(qū)的索引號(hào)，在C程序中通過以下語句對(duì)腳本返回所取數(shù)據(jù)值：

port=（int）lua_tonumber（L,1）；//取端口號(hào)

index=（int）lua_tonumber（L,2）；//取索引

data=uart_port_rx_buf[port].data[index];

lua_pushnumber（L, data）；//返回值入棧

可以看出，在腳本中也是借助于虛擬棧來獲取C程序的返回值。通過以上方法成功獲取了串口接收緩存區(qū)的內(nèi)容后，就可根據(jù)具體的外圍設(shè)備在腳本中對(duì)其接收數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行判斷，如果判斷結(jié)果正確，則調(diào)用前面注冊(cè)的C函數(shù)uart_ok_del進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)處理。

ied. uart_ok_del （port）

結(jié)語

從本文提供的方案可以看出，從始至終，IED裝置的C語言應(yīng)用程序在Lua虛擬機(jī)與外圍設(shè)備之間，除了報(bào)文的透明傳輸功能外，并不負(fù)責(zé)具體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的處理，這就使在C程序的設(shè)計(jì)中完全不需要考慮外圍設(shè)備所采用的串口通信數(shù)據(jù)格式，具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容都可放在腳本文件中進(jìn)行設(shè)置和處理。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，就可以達(dá)到僅修改Lua腳本文件就能完成IED裝置與不同的串口通信外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置串口通信規(guī)約的現(xiàn)場(chǎng)可配置化。