基于Lua脚本语言的嵌入式UART通信方案设计

摘要：针对变电站中采用UART串口通信规约进行信息传递的各种外围设备，在需要与其进行通信的IED智能装置的开发中，设计了一种基于Lua脚本语言的嵌入式通信方案。通过该方案，可将具体串口报文规约的组建和解析交给Lua脚本进行处理，使设计者在具体装置的软件开发中，仅关注其与外围设备以及Lua脚本间交互接口的设计，而不用关心具体的串口通信规约，从而提供了一种装置串口通信的现场可配置化方案，提高了装置应用的灵活性。
关键词：Lua；UART；串口通信；智能电子设备

引言
随着变电站智能化程度的逐步提高，对温度、湿度等现场状态参量的采集需求也越来越多。就目前而言，在现场应用中，此类设备多采用RS232或RS485等UART串行通信方式和IED(Intelligent Electronic Device，智能电子设备)装置进行交瓦。一般来说，不同的设备采用的通信数据帧格式并不相同。各式各样的串口数据帧格式，对IED装置的软件定型造成一定的困难。传统的做法一般是由装置生产厂家指定和其配套的外围设备，装置的灵活性不够理想。本文针对此类问题，提出了一种基于Lua脚本语言的解决方案，可有效地提高IED装置对各种类型
串口数据报文帧格式的适应性。该方案将具体串口报文规约的组建和解析交给Lua脚本进行处理，从而使设计者在装置的软件开发中，可仅关注于相关接口的设计，而不用关心具体的串口通信规约，从而方便软件的定型，并提高了装置自身在应用中的灵活性。

1 Lua脚本语言介绍
Lua是一种源码开放的、免费的、轻量级的嵌入式脚本语言，源码完全采用ANSI(ISO)C。这一点使它非常适合融入目前以C语言为主的嵌入式开发环境之中。两者之间实现交互的关键在于一个虚拟的栈，通过该虚拟栈和Lua提供的可对该栈进行操作的相关接口函数，可以很方便地在它们之间实现各种类型数据的传递。
与其他脚本语言(如Perl、Tcl、Python等)相比，Lua表现出了足够的简单性以及非常高的执行效率，结合其与平台的高度无关以及充分的可扩展性，这使得它越来越多地得到大家的关注。因此，在本文的方案中优先选用Lua脚本来进行设计。

2 系统方案概述
本方案主要是围绕着IED装置和外围串口设备之间的通信来进行设计的，系统框架如图1所示。

当IED装置开始运行时，将创建一个用于UART通信的读写调度任务。在该任务中，首先通过Lua提供的接口函数来启动其脚本引擎，并创建Lua虚拟机。然后即可将用户编写的C函数注册到Lua虚拟机中去，并将存在于Flash文件系统巾独立于装置C程序的Lua脚本文件加载到虚拟机中，从而建立起Lua和C的交互环境。在系统应用中，将需要发送到外围设备的具体数据内容都放在Lua脚本文件中。当装置C程序需要发送数据时，通过通信读写调度程序及虚拟机的配合，将这部分数据取出，并调用串口驱动程序发送给外围设备。当收到外围设备发给IED装置的报文时，再将相应数据传给虚拟机中运行的脚小程序进行处理，并由Lua根据数据处理结果来调用已注册的C函数进行相关业务处理。

本系统的程序流程如图2所示。其中，串口通信芯片采用T1公司的带64字节FIFO的4通道可编程UART芯片TL16C754B来实现。它的4个通道可分别独立编程，在3．3 V的操作电压下，数据传输速率可高达2 Mbps，适合多种UART通信环境中的应用。基于装置的应用环境，本文采用RS485的问答机制并结合查询方式来对该串口通信方案进行设计。在方案实现中，装置将每隔一定时间通过串口芯片发送一次查询报文，当查询到外围没备发送的正确响应报文后，再进行相关业务处理。

3 功能实现
在嵌入式应用领域，串口通信的应用比较成熟，因此，本文将着重介绍Lua是如何服务于这一应用的。从图2可以看出，Lua的使用主要体现在如下几个方面：
◆Lua与C交互环境的建立；
◆提取脚本中的串口配置数据；
◆调用Lua函数设置发送缓冲区；
◆通过Lua函数处理接收缓冲区数据。
3．1 Lua与C交互环境的建立
要建立交互环境，首先要启动Lua脚本引擎，并创建虚拟机。其机制虽然相对复杂，但对应用来说却比较简单，通过“L=lua_opcn(NUL L)；”即可实现。其中，L是一个指向结构类型为lua_State的指针变量，该结构将负责对Lua的运行状态进行维护。
为了实现Lua脚本函数对系统程序中串口发送和接收缓存区的数据进行访问，定义了几个C函数供脚本调用，即用于设置串口发送缓冲区的函数set_tx_buf、读取串口接收缓冲区的函数get_rx_buf，以及在Lua脚本中判断串口数据交互正常时调用的结果处理函数uart_ok_del。
在Lua脚本中，要成功调用以上函数，必须将其加载到Lua虚拟机中去，本文采用Lua提供的一种注册C函数库的方法来实现。具体加载过程如下：
①按以下格式定义调用函数：
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声明一个结构数组，每个数组元素分别为C函数在Lua脚本中的渊用名字及对应的C函数，即以“namefunction”对的形式出现，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调用以下函数对C函数库进行注册：
luaL register(L．“ied”，uartLib)；
其中，参数L即为创建虚拟机时的函数返回值(以下同)，字符串“ied”为注册到虚拟机中的库名称。第3个参数uartLib即为前面声明的结构数组，对应需要注册的库函数表。
通过以上步骤，即可完成Lua脚本中需要调用的3个C函数的注册过程，从而就可以在Lua脚本中通过“库名称，库函数”的形式来对其进行调用，如“ied．set_tx_buf(函数参数)”。
脚本文件本身的加载则相对简单，只需通过如下函数调用即可：
luaL_dofile(L，“uart script．lua”)；
其中，参数L和以上的函数调用相同，第2个参数则为脚本文件在Flash中的具体存储路径。
至此，就成功建立了一个Lua与C的交互环境。
3．2 提取脚本中的串口配置数据
要正确地进行Lua和C的交互过程，首先必须对Lua和C交互时所采用虚拟栈的作用和操作有比较深入的了解。在Lua和C的交互中，它们彼此之间函数参数以及返回值都将由该栈来负责传递。Lua和C在栈的操作方式上稍有不同，在Lua中采用严格的LIFO方式，而C则还可以通过索引的方式进行。以3个参数为例，参数1首先入栈，参数2、3随后顺次入栈，Lua虚拟栈存储结构及索引对应关系如图3所示。