基于Lua腳本語言的嵌入式UART通信的實現(xiàn)

引言

隨著變電站智能化程度的逐步提高，對溫度、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)場應用中，此類設備多采用RS232或RS485等UART串行通信方式和IED（Intelligent Electronic Device，智能電子設備）裝置進行交互。一般來說，不同的設備采用的通信數(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備，裝置的靈活性不夠理想。本文針對此類問題，提出了一種基于Lua腳本語言的解決方案，可有效地提高IED裝置對各種類型串口數(shù)據(jù)報文幀格式的適應性。該方案將具體串口報文規(guī)約的組建和解析交給Lua腳本進行處理，從而使設計者在裝置的軟件開發(fā)中，可僅關注于相關接口的設計，而不用關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、免費的、輕量級的嵌入式腳本語言，源碼完全采用ANSI（ISO） C.這一點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。兩者之間實現(xiàn)交互的關鍵在于一個虛擬的棧，通過該虛擬棧和Lua提供的可對該棧進行操作的相關接口函數(shù)，可以很方便地在它們之間實現(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，結合其與平臺的高度無關以及充分的可擴展性［1］，這使得它越來越多地得到大家的關注。因此，在本文的方案中優(yōu)先選用Lua腳本來進行設計。

2 系統(tǒng)方案概述

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

圖1 系統(tǒng)框架

當IED裝置開始運行時，將創(chuàng)建一個用于UART通信的讀寫調度任務。在該任務中，首先通過Lua提供的接口函數(shù)來啟動其腳本引擎，并創(chuàng)建Lua虛擬機。然后即可將用戶編寫的C函數(shù)注冊到Lua虛擬機中去，并將存在于Flash文件系統(tǒng)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(tǒng)應用中，將需要發(fā)送到外圍設備的具體數(shù)據(jù)內容都放在Lua腳本文件中。當裝置C程序需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過通信讀寫調度程序及虛擬機的配合，將這部分數(shù)據(jù)取出，并調用串口驅動程序發(fā)送給外圍設備。當收到外圍設備發(fā)給IED裝置的報文時，再將相應數(shù)據(jù)傳給虛擬機中運行的腳本程序進行處理，并由Lua根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果來調用已注冊的C函數(shù)進行相關業(yè)務處理。

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來實現(xiàn)。它的4個通道可分別獨立編程，在3.3 V的操作電壓下，數(shù)據(jù)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的問答機制并結合查詢方式來對該串口通信方案進行設計。在方案實現(xiàn)中，裝置將每隔一定時間通過串口芯片發(fā)送一次查詢報文，當查詢到外圍設備發(fā)送的正確響應報文后，再進行相關業(yè)務處理。

3 功能實現(xiàn)

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

◆ 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)；

◆ 調用Lua函數(shù)設置發(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，但對應用來說卻比較簡單，通過“L=lua_open（NULL）；”即可實現(xiàn)。其中，L是一個指向結構類型為lua_State的指針變量，該結構將負責對Lua的運行狀態(tài)進行維護。

為了實現(xiàn)Lua腳本函數(shù)對系統(tǒng)程序中串口發(fā)送和接收緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進行訪問，定義了幾個C函數(shù)供腳本調用，即用于設置串口發(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)交互正常時調用的結果處理函數(shù)uart_ok_del.

在Lua腳本中，要成功調用以上函數(shù)，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(shù)庫的方法來實現(xiàn)。具體加載過程如下：

① 按以下格式定義調用函數(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 聲明一個結構數(shù)組，每個數(shù)組元素分別為C函數(shù)在Lua腳本中的調用名字及對應的C函數(shù)，即以“name-function”對的形式出現(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 調用以下函數(shù)對C函數(shù)庫進行注冊：luaL_register（L， “ied”， uartLib ）；其中，參數(shù)L即為創(chuàng)建虛擬機時的函數(shù)返回值（以下同），字符串“ied”為注冊到虛擬機中的庫名稱。第3個參數(shù)uartLib即為前面聲明的結構數(shù)組，對應需要注冊的庫函數(shù)表。

通過以上步驟，即可完成Lua腳本中需要調用的3個C函數(shù)的注冊過程，從而就可以在Lua腳本中通過“庫名稱。庫函數(shù)”的形式來對其進行調用，如“ied.set_tx_buf（函數(shù)參數(shù)）”。

腳本文件本身的加載則相對簡單，只需通過如下函數(shù)調用即可：

luaL_dofile（L， “uart_script.lua”）；

其中，參數(shù)L和以上的函數(shù)調用相同，第2個參數(shù)則為腳本文件在Flash中的具體存儲路徑。

至此，就成功建立了一個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)

要正確地進行Lua和C的交互過程，首先必須對Lua和C交互時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責傳遞。Lua和C在棧的操作方式上稍有不同，在Lua中采用嚴格的LIFO方式，而C則還可以通過索引的方式進行。以3個參數(shù)為例，參數(shù)1首先入棧，參數(shù)2、3隨后順次入棧，Lua虛擬棧存儲結構及索引對應關系如圖3所示。

圖3 Lua虛擬棧結構示例圖

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

通常情況下，串口的配置主要有以下幾項：是否使能、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗標志位和波特率。因此，在Lua腳本中，本文采用Lua的表結構對其進行設置，示例如下（本文中斜體代碼表示為Lua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

baudRate=9600 --波特率

};

該例表示對UART芯片的P0口進行使能，并且采用8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、偶校驗（本文定義parityBit的值取0為無校驗，取1為奇校驗，取2為偶校驗）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 調用接口函數(shù)提取屬性值，該操作在C中可看作是一個先出棧再入棧的過程，結果將在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。

④ 調用接口函數(shù)取出棧頂中該屬性字段的值，并調用出棧函數(shù)，以恢復調用環(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，該操作將取出棧頂元素的數(shù)值，鑒于Lua中的數(shù)據(jù)都為浮點數(shù)，所以需將其強制轉換為整型數(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。虛擬棧中的內容變化如圖4所示。

圖4 提取表中屬性值時的虛擬棧操作示意圖

3.3 調用Lua函數(shù)設置發(fā)送緩沖區(qū)

為通過Lua腳本對串口發(fā)送緩沖區(qū)進行設置，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

從腳本內容可以看出，在此采用了一個Lua中的循環(huán)結構對發(fā)送緩沖區(qū)進行設置，并返回設置的數(shù)據(jù)個數(shù)。其中，全局變量data是Lua腳本中的表，類似于數(shù)組，在此表示需要設置的緩沖區(qū)內容；ied.set_tx_buf（）為在3.1節(jié)中提到的已注冊到虛擬機中的C函數(shù)庫中的一個函數(shù)。其參數(shù)port表示端口號，i-1表示緩沖區(qū)索引號，data［i］表示具體的數(shù)據(jù)內容。在應用中需要注意的是，在Lua中，數(shù)組索引默認從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)時并未設置參數(shù)，這主要是因為參數(shù)的提取必須借助于虛擬棧才能實現(xiàn)。在腳本中調用時，對其參數(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，按照其在棧中相應的索引號取出即可。在Lua中對每個函數(shù)的調用都有一個獨立的棧，因此，若以i取2時調用情況為例，在C函數(shù)set_tx_buf中看到的棧內容將如圖5所示。

圖5 函數(shù)調用時的虛擬棧示例

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

port=（int）lua_tonumber（L，1）；//取端口號

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;

當在C程序中需對串口發(fā)送緩沖區(qū)進行設置時，將按如下方法調用該腳本函數(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， //調用函數(shù)的參數(shù)個數(shù)

int nresults， //返回的參數(shù)個數(shù)

int errfunc //錯誤處理函數(shù)號

）；

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

對于腳本中的返回值，將在腳本函數(shù)調用結束時，置于lua_pcall調用環(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，就完成了對串口發(fā)送緩沖區(qū)的內容設置，然后就可以通過串口芯片的驅動程序將其發(fā)送到外圍設備。

在現(xiàn)場應用時，只需根據(jù)不同外圍設備問詢報文的要求來修改腳本中data數(shù)組以及p0_send_num變量的內容即可，而不用對裝置的C程序進行任何修改。

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。

當裝置通過串口驅動程序將外圍設備發(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，可通過調用注冊的C函數(shù)get_rx_buf來獲取接收緩沖區(qū)中的內容：

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，index為緩沖區(qū)的索引號，在C程序中通過以下語句對腳本返回所取數(shù)據(jù)值：

port=（int）lua_tonumber（L，1）；//取端口號

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)的內容后，就可根據(jù)具體的外圍設備在腳本中對其接收數(shù)據(jù)的正確性進行判斷，如果判斷結果正確，則調用前面注冊的C函數(shù)uart_ok_del進行相關業(yè)務處理。

ied. uart_ok_del （port）

結語

從本文提供的方案可以看出，從始至終，IED裝置的C語言應用程序在Lua虛擬機與外圍設備之間，除了報文的透明傳輸功能外，并不負責具體數(shù)據(jù)業(yè)務的處理，這就使在C程序的設計中完全不需要考慮外圍設備所采用的串口通信數(shù)據(jù)格式，具體的數(shù)據(jù)內容都可放在腳本文件中進行設置和處理。在現(xiàn)場應用中，就可以達到僅修改Lua腳本文件就能完成IED裝置與不同的串口通信外圍設備之間的數(shù)據(jù)交互功能，從而實現(xiàn)對裝置串口通信規(guī)約的現(xiàn)場可配置化。