基于Lua脚本语言的嵌入式UART通信的实现

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）装置进行交互。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［1］，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。

图1 系统框架

　　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文件系统中独立于装置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本程序进行处理，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。

图2 系统程序流程

　　本系统的程序流程如图2所示。

　　其中，串口通信芯片采用TI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［2］。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，当查询到外围设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_open（NULL）；"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脚本中的调用名字及对应的C函数，即以"name-function"对的形式出现，如下所示：static const struct luaL_reg uartLib［］ ={

{"set_tx_buf"，set_tx