基于嵌入式Linux的無紙記錄儀通信設計

　　在工業自動化控制系統中，記錄儀起著十分重要的作用，它可以實時采集、監測和記錄一些影響工藝過程和產品質量的重要參數，被廣泛應用于石化、冶金、電力、機械、醫藥、輕工業等行業。隨著電子技術的不斷發展，記錄儀已從傳統的有紙模擬式發展到如今的無紙數字式[1]。與傳統的有紙記錄儀相比，無紙記錄儀無機械磨損、顯示直觀、使用方便、故障率低和設備耗材少，因此被越來越多的應用于工業控制領域。

　　隨著工業過程自動化的高速發展，企業對無紙記錄儀提出了越來越高的要求，基于8位單片機的無紙記錄儀的功能已遠遠達不到用戶的要求。嵌入式ARM微處理核的32位RISC處理器以其強大的性能豐富的接口以及優異的性價比等諸多優勢，而被越來越多的應用于無紙記錄儀，隨著硬件的改進，傳統的串行通訊方法也迫切需要改進，因此本文提出了基于嵌入式Linux的串口通信方案。嵌入式Linux操作系統是在標準Linux的基礎上針對嵌入式系統進行內核裁剪和優化后形成[2]，它繼承了Linux的開放源代碼、多任務、穩定性高，內核可裁剪等諸多優點，其內核精簡而高效,具有非常好的網絡性能。本文將使用嵌入式Linux作為無紙記錄儀上位機操作系統，并利用其多線程編程技術實現上位機與下位機的串口通信。

　　1 記錄儀中的通信協議

　　由于無紙記錄儀主要在過程控制現場或監控室中使用，與之進行通信的現場設備接口以串口居多，因此在該裝置的開發過程中采用十分通用的MODBUS協議作為串口通信協議。MODBUS協議是MODICON公司于1979年為建立智能設備間的主從式通信而開發的一種通信協議，它規定在一個系統中，每次命令應由系統中主設備發起，從設備通過解析地址位決定是否應答[3]。該協議具有兩種報文傳送幀格式，ASCII和RTU報文幀格式，分別如圖1和圖2所示。

圖1 ASCII報文幀格式

圖2 RTU報文幀格式

　　將兩種報文傳送幀格式異同總結如表1。由表1可知，兩種報文幀格式各有優劣：ASCII格式使用的字符是RTU格式的兩倍，但ASCII格式數據的譯碼和處理更為容易一些；使用RTU報文幀格式傳輸數據時，報文字符必須以連續數據流的形式傳送，而使用ASCII格式，字符之間允許長達1s的時間間隔。

表1 ASCII與RTU報文幀格式比較

　　通常情況下，在一個MODBUS網絡中只采用一種報文幀格式進行數據交換。但在一些特殊情況下，同一系統中需要用到不同傳輸模式的控制器，即同時采用兩種報文幀傳輸格式。為了使無紙記錄儀具有更強的通用性，本文提出了一種新的可同時使用兩種報文幀格式的串口通信方案。在以下闡述過程中， 以ASCII和RTU報文幀格式傳輸的數據將分別簡稱為ASCII和RTU數據。

　　2 記錄儀的通信實現

　　2.1 整體設計

　　無紙記錄儀主要通信對象為工業現場設備，因此通信過程中數據交換應快速、準確無誤。在MODBUS協議中，ASCII與RTU數據打包與解碼均不相同，數據讀寫方面需要獨立起來。串口通信功能框架如圖3所示。

圖3 串口通信功能框架圖

　　設備注冊掃描模塊主要負責設備地址表的維護，每間隔一定時間掃描在線設備，并記錄下設備地址和使用的報文幀格式，同時根據掃描得到信息動態開辟ASCII和RTU數據緩存區。ASCII數據讀寫模塊負責打包和解碼ASCII數據，RTU數據讀寫模塊負責打包和解碼RTU數據。數據發送模塊根據優先級排列好打包好的數據依次發送。數據接收模塊僅解碼下位機儀表每次傳回數據的首位，判斷是RTU數據還是ASCII數據，存入RTU或ASCII數據緩存區，以待處理。

　　為了實現ASCII與RTU數據的共存，首要問題是每次設備掃描注冊時對使用ASCII和使用RTU數據的設備加以區分。由ASCII和RTU的報文幀格式可知，傳輸數據首位是判斷數據類型的關鍵，所以使用RTU報文幀格式的設備地址需避開ASCII數據的起始位和結束符。在未知在線設備情況下，上位機將所有設備地址輪詢一遍，解析接收數據首位，如果是ASCII的起始位，則ASCII設備注冊，反之，則RTU設備注冊。

　　2.2 編程實現

　　軟件實現上，采用Linux的多線程編程技術，可以更好的滿足工業現場的實時性要求。多線程程序采用多任務、并發的工作方式[4]，可以提高應用程序響應時間并且改善程序結構。Linux操作系統中提供了Linuxthread 庫[5],它實現了符合POSIX1003.1c標準的多線程支持,而且是內核級方式。