基于Lua腳本語言的嵌入式UART通信的實(shí)現(xiàn)

 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)場狀態(tài)參量的采集需求也越來越多。就目前而言，在現(xiàn)場應(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。

　　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。

　　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）；