基于Lua腳本語言的嵌入式UART通信的實現

　　引言

　　隨著變電站智能化程度的逐步提高，對溫度、濕度等現場狀態參量的采集需求也越來越多。就目前而言，在現場應用中，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腳本進行處理，從而使設計者在裝置的軟件開發中，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環境之中。兩者之間實現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，可以很方便地在它們之間實現各種類型數據的傳遞。

　　與其他腳本語言（如Perl、Tcl、Python等）相比，Lua表現出了足夠的簡單性以及非常高的執行效率，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，在本文的方案中優先選用Lua腳本來進行設計。

　　2 系統方案概述

　　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，系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架

　　當IED裝置開始運行時，將創建一個用于UART通信的讀寫調度任務。在該任務中，首先通過Lua提供的接口函數來啟動其腳本引擎，并創建Lua虛擬機。然后即可將用戶編寫的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的交互環境。在系統應用中，將需要發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程序需要發送數據時，通過通信讀寫調度程序及虛擬機的配合，將這部分數據取出，并調用串口驅動程序發送給外圍設備。當收到外圍設備發給IED裝置的報文時，再將相應數據傳給虛擬機中運行的腳本程序進行處理，并由Lua根據數據處理結果來調用已注冊的C函數進行相關業務處理。

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來實現。它的4個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通信環境中的應用［2］。基于裝置的應用環境，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。在方案實現中，裝置將每隔一定時間通過串口芯片發送一次查詢報文，當查詢到外圍設備發送的正確響應報文后，再進行相關業務處理。

　　3 功能實現

　　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的使用主要體現在如下幾個方面：

　　◆ Lua與C交互環境的建立；

　　◆ 提取腳本中的串口配置數據；

　　◆ 調用Lua函數設置發送緩沖區；

　　◆ 通過Lua函數處理接收緩沖區數據。

3.1 Lua與C交互環境的建立

　　要建立交互環境，首先要啟動Lua腳本引擎，并創建虛擬機。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。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的運行狀態進行維護。

　　為了實現Lua腳本函數對系統程序中串口發送和接收緩存區的數據進行訪問，定義了幾個C函數供腳本調用，即用于設置串口發送緩沖區的函數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函數庫的方法來實現。具體加載過程如下：

　　① 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）；