基于Lua腳本語(yǔ)言的嵌入式UART通信的實(shí)現

　　引言

　　隨著(zhù)變電站智能化程度的逐步提高，對溫度、濕度等現場(chǎng)狀態(tài)參量的采集需求也越來(lái)越多。就目前而言，在現場(chǎng)應用中，此類(lèi)設備多采用RS232或RS485等UART串行通信方式和IED（Intelligent Electronic Device，智能電子設備）裝置進(jìn)行交互。一般來(lái)說(shuō)，不同的設備采用的通信數據幀格式并不相同。各式各樣的串口數據幀格式，對IED裝置的軟件定型造成一定的困難。傳統的做法一般是由裝置生產(chǎn)廠(chǎng)家指定和其配套的外圍設備，裝置的靈活性不夠理想。本文針對此類(lèi)問(wèn)題，提出了一種基于Lua腳本語(yǔ)言的解決方案，可有效地提高IED裝置對各種類(lèi)型串口數據報文幀格式的適應性。該方案將具體串口報文規約的組建和解析交給Lua腳本進(jìn)行處理，從而使設計者在裝置的軟件開(kāi)發(fā)中，可僅關(guān)注于相關(guān)接口的設計，而不用關(guān)心具體的串口通信規約，從而方便軟件的定型，并提高了裝置自身在應用中的靈活性。

　　1 Lua腳本語(yǔ)言介紹

　　Lua是一種源碼開(kāi)放的、免費的、輕量級的嵌入式腳本語(yǔ)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(yǔ)言為主的嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境之中。兩者之間實(shí)現交互的關(guān)鍵在于一個(gè)虛擬的棧，通過(guò)該虛擬棧和Lua提供的可對該棧進(jìn)行操作的相關(guān)接口函數，可以很方便地在它們之間實(shí)現各種類(lèi)型數據的傳遞。

　　與其他腳本語(yǔ)言（如Perl、Tcl、Python等）相比，Lua表現出了足夠的簡(jiǎn)單性以及非常高的執行效率，結合其與平臺的高度無(wú)關(guān)以及充分的可擴展性［1］，這使得它越來(lái)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(lái)進(jìn)行設計。

　　2 系統方案概述

　　本方案主要是圍繞著(zhù)IED裝置和外圍串口設備之間的通信來(lái)進(jìn)行設計的，系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架

　　當IED裝置開(kāi)始運行時(shí)，將創(chuàng )建一個(gè)用于UART通信的讀寫(xiě)調度任務(wù)。在該任務(wù)中，首先通過(guò)Lua提供的接口函數來(lái)啟動(dòng)其腳本引擎，并創(chuàng )建Lua虛擬機。然后即可將用戶(hù)編寫(xiě)的C函數注冊到Lua虛擬機中去，并將存在于Flash文件系統中獨立于裝置C程序的Lua腳本文件加載到虛擬機中，從而建立起Lua和C的交互環(huán)境。在系統應用中，將需要發(fā)送到外圍設備的具體數據內容都放在Lua腳本文件中。當裝置C程序需要發(fā)送數據時(shí)，通過(guò)通信讀寫(xiě)調度程序及虛擬機的配合，將這部分數據取出，并調用串口驅動(dòng)程序發(fā)送給外圍設備。當收到外圍設備發(fā)給IED裝置的報文時(shí)，再將相應數據傳給虛擬機中運行的腳本程序進(jìn)行處理，并由Lua根據數據處理結果來(lái)調用已注冊的C函數進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)處理。

圖2 系統程序流程

　　本系統的程序流程如圖2所示。

　　其中，串口通信芯片采用TI公司的帶64字節FIFO的4通道可編程UART芯片TL16C754B來(lái)實(shí)現。它的4個(gè)通道可分別獨立編程，在3.3 V的操作電壓下，數據傳輸速率可高達2 Mbps，適合多種UART通信環(huán)境中的應用［2］?；谘b置的應用環(huán)境，本文采用RS485的問(wèn)答機制并結合查詢(xún)方式來(lái)對該串口通信方案進(jìn)行設計。在方案實(shí)現中，裝置將每隔一定時(shí)間通過(guò)串口芯片發(fā)送一次查詢(xún)報文，當查詢(xún)到外圍設備發(fā)送的正確響應報文后，再進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)處理。

　　3 功能實(shí)現

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

　　◆ 調用Lua函數設置發(fā)送緩沖區；

　　◆ 通過(guò)Lua函數處理接收緩沖區數據。

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。其機制雖然相對復雜，但對應用來(lái)說(shuō)卻比較簡(jiǎn)單，通過(guò)“L=lua_open（NULL）；”即可實(shí)現。其中，L是一個(gè)指向結構類(lèi)型為lua_State的指針變量，該結構將負責對Lua的運行狀態(tài)進(jìn)行維護。

　　為了實(shí)現Lua腳本函數對系統程序中串口發(fā)送和接收緩存區的數據進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，定義了幾個(gè)C函數供腳本調用，即用于設置串口發(fā)送緩沖區的函數set_tx_buf、讀取串口接收緩沖區的函數get_rx_buf，以及在Lua腳本中判斷串口數據交互正常時(shí)調用的結果處理函數uart_ok_del.

　　在Lua腳本中，要成功調用以上函數，必須將其加載到Lua虛擬機中去，本文采用Lua提供的一種注冊C函數庫的方法來(lái)實(shí)現。具體加載過(guò)程如下：

　?、?按以下格式定義調用函數：

　　static int set_tx_buf（lua_State *L）；

　　static int get_rx_buf（lua_State *L）；

　　static int uart_ok_del（lua_State *L）；