基于Lua腳本語言的嵌入式UART通信方案設計

李英明，閆志輝，周水斌

（許繼電氣技術中心，許昌 461000）

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。

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3.3V的操作電壓下，數據傳輸速率可高達2Mbps，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。

圖2 系統程序流程

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：

②聲明一個結構數組，每個數組元素分別為C函數在Lua腳本中的調用名字及對應的C函數，即以“name—function”對的形式出現，如下所示：

③調用以下函數對C函數庫進行注冊：luaL＿register（L，"ied"，uartLib）；

其中，參數L即為創建虛擬機時的函數返回值（以下同），字符串“ied”為注冊到虛擬機中的庫名稱。第3個參數uartLib即為前面聲明的結構數組，對應需要注冊的庫函數表。

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

腳本文件本身的加載則相對簡單，只需通過如下函數調用即可：

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

至此，就成功建立了一個Lua與C的交互環境。

3.2 提取腳本中的串口配置數據

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，它們彼此之間函數參數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個參數為例，參數1首先入棧，參數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、數據位數、停止位數、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）：

該例表示對UART芯片的P0口進行使能，并且采用8位數據位、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 600bps。

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調用接口函數并以表名稱作為參數，將該表入棧：lua＿getglobal（L，"uart＿p0"）；

②調用接口函數將enable屬性字段的屬性名稱入棧：

③調用接口函數提取屬性值，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：

其中，參數“－2”為棧中的索引號。

④調用接口函數取出棧頂中該屬性字段的值，并調用出棧函數，以恢復調用環境：

其中，lua＿tonumber函數的參數“－1”也為棧中的索引號，該操作將取出棧頂元素的數值，鑒于Lua中的數據都為浮點數，所以需將其強制轉換為整型數據。lua＿pop中參數“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函數設置發送緩沖區

為通過Lua腳本對串口發送緩沖區進行設置，在腳本

中定義了如下函數：

從腳本內容可以看出，在此采用了一個Lua中的循環結構對發送緩沖區進行設置，并返回設置的數據個數。其中，全局變量data是Lua腳本中的表，類似于數組，在此表示需要設置的緩沖區內容；ied.set＿tx＿buf（）為在3.1節中提到的已注冊到虛擬機中的C函數庫中的一個函數。其參數port表示端口號，i－1表示緩沖區索引號，data［i］表示具體的數據內容。在應用中需要注意的是，在Lua中，數組索引默認從1開始，而不像C中從0開始。另外，在C中定義set＿tx＿buf函數時并未設置參數，這主要是因為參數的提取必須借助于虛擬棧才能實現。在腳本中調用時，對其參數將按照從左到右的順序依次入棧，在C中要取出參數時，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set＿tx＿buf中看到的棧內容將如圖5所示。

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

圖5 函數調用時的虛擬棧示例

當在C程序中需對串口發送緩沖區進行設置時，將按如下方法調用該腳本函數：

其中，函數lua＿getglobal的參數“uart＿p0＿set＿txBuf”為要調用的腳本函數名，函數lua＿pcall的函數原型為：

因所調用的腳本函數uart＿p0＿set＿txBuf沒有參數，有一個返回值，所以分別將nargs、nresults置為0、1，而錯誤處理函數暫不使用，故置為0。

對于腳本中的返回值，將在腳本函數調用結束時，置于lua＿pcall調用環境所在的虛擬棧的棧頂中，可由C程序根據索引取出。

經以上過程，就完成了對串口發送緩沖區的內容設置，然后就可以通過串口芯片的驅動程序將其發送到外圍設備。

在現場應用時，只需根據不同外圍設備問詢報文的要求來修改腳本中data數組以及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函數處理接收緩沖區數據

通過Lua和C的交互來對串口接收緩沖區數據的處理方法同發送緩沖區的處理基本相似。

當裝置通過串口驅動程序將外圍設備發來的數據置入接收緩沖區后，在C函數中調用腳本函數：

其中，參數uart＿p0＿del＿rxBuf為腳本中定義的緩沖區數據處理函數名，通過lua＿pushnumber將接收數據的大小入棧，從而傳給Lua腳本函數，腳本函數的原型如下：

在該函數中，可通過調用注冊的C函數get＿rx＿buf來獲取接收緩沖區中的內容：

其中，data為腳本中類似于數組的表類型。port為串口芯片的端口號，index為緩沖區的索引號，在C程序中通過以下語句對腳本返回所取數據值：

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的內容后，就可根據具體的外圍設備在腳本中對其接收數據的正確性進行判斷，如果判斷結果正確，則調用前面注冊的C函數uart＿ok＿del進行相關業務處理。

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，并不負責具體數據業務的處理，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據格式，具體的數據內容都可放在腳本文件中進行設置和處理。在現場應用中，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據交互功能，從而實現對裝置串口通信規約的現場可配置化。

［1］Ierusalimschy.Lua程序設計［M］.周惟迪，譯.2版.北京：電子工業出版社，2008.

［2］TI.TL16C754BQUAD UART With 64－Byte FIFO Revised，2004.