引言

　　在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，記錄儀起著十分重要的作用,，它可以實時采集、監(jiān)測和記錄一些影響工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù),，被廣泛應(yīng)用于石化,、冶金、電力,、機械,、醫(yī)藥、輕工業(yè)等行業(yè),。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,，記錄儀已從傳統(tǒng)的有紙模擬式發(fā)展到如今的無紙數(shù)字式[1]。與傳統(tǒng)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(shè)備耗材少,，因此被越來越多的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　隨著工業(yè)過程自動化的高速發(fā)展,，企業(yè)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(yōu)異的性價比等諸多優(yōu)勢,，而被越來越多的應(yīng)用于無紙記錄儀,，隨著硬件的改進，傳統(tǒng)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(tǒng)是在標(biāo)準(zhǔn)Linux的基礎(chǔ)上針對嵌入式系統(tǒng)進行內(nèi)核裁剪和優(yōu)化后形成[2]，它繼承了Linux的開放源代碼,、多任務(wù),、穩(wěn)定性高，內(nèi)核可裁剪等諸多優(yōu)點,，其內(nèi)核精簡而高效,具有非常好的網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)，并利用其多線程編程技術(shù)實現(xiàn)上位機與下位機的串口通信,。

　　1 記錄儀中的通信協(xié)議

　　由于無紙記錄儀主要在過程控制現(xiàn)場或監(jiān)控室中使用,，與之進行通信的現(xiàn)場設(shè)備接口以串口居多，因此在該裝置的開發(fā)過程中采用十分通用的MODBUS協(xié)議作為串口通信協(xié)議,。?MODBUS協(xié)議是MODICON公司于1979年為建立智能設(shè)備間的主從式通信而開發(fā)的一種通信協(xié)議,，它規(guī)定在一個系統(tǒng)中，每次命令應(yīng)由系統(tǒng)中主設(shè)備發(fā)起,，從設(shè)備通過解析地址位決定是否應(yīng)答[3],。該協(xié)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(jié)如表1,。由表1可知，兩種報文幀格式各有優(yōu)劣：ASCII格式使用的字符是RTU格式的兩倍,，但ASCII格式數(shù)據(jù)的譯碼和處理更為容易一些,；使用RTU報文幀格式傳輸數(shù)據(jù)時，報文字符必須以連續(xù)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中只采用一種報文幀格式進行數(shù)據(jù)交換,。但在一些特殊情況下，同一系統(tǒng)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?shù)臄?shù)據(jù)將分別簡稱為ASCII和RTU數(shù)據(jù),。

　　2 記錄儀的通信實現(xiàn)

　　2.1 整體設(shè)計

　　無紙記錄儀主要通信對象為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備,，因此通信過程中數(shù)據(jù)交換應(yīng)快速、準(zhǔn)確無誤,。在MODBUS協(xié)議中,，ASCII與RTU數(shù)據(jù)打包與解碼均不相同，數(shù)據(jù)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(shè)備注冊掃描模塊主要負責(zé)設(shè)備地址表的維護，每間隔一定時間掃描在線設(shè)備,，并記錄下設(shè)備地址和使用的報文幀格式,，同時根據(jù)掃描得到信息動態(tài)開辟ASCII和RTU數(shù)據(jù)緩存區(qū)。ASCII數(shù)據(jù)讀寫模塊負責(zé)打包和解碼ASCII數(shù)據(jù),，RTU數(shù)據(jù)讀寫模塊負責(zé)打包和解碼RTU數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊根據(jù)優(yōu)先級排列好打包好的數(shù)據(jù)依次發(fā)送。數(shù)據(jù)接收模塊僅解碼下位機儀表每次傳回數(shù)據(jù)的首位,，判斷是RTU數(shù)據(jù)還是ASCII數(shù)據(jù),，存入RTU或ASCII數(shù)據(jù)緩存區(qū)，以待處理,。

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

　　2.2 編程實現(xiàn)

　　軟件實現(xiàn)上,，采用Linux的多線程編程技術(shù),，可以更好的滿足工業(yè)現(xiàn)場的實時性要求。多線程程序采用多任務(wù),、并發(fā)的工作方式[4],，可以提高應(yīng)用程序響應(yīng)時間并且改善程序結(jié)構(gòu)。Linux操作系統(tǒng)中提供了Linuxthread 庫[5],它實現(xiàn)了符合POSIX1003.1c標(biāo)準(zhǔn)的多線程支持,而且是內(nèi)核級方式,。

　　串口通信通過三個線程來實現(xiàn),，主線程、發(fā)送子線程和接收數(shù)據(jù)處理子線程,，如圖4所示,。同時，為了使收發(fā)數(shù)據(jù)管理更加方便,，建立了四個數(shù)據(jù)緩存區(qū)：⑴ 發(fā)送緩存區(qū),，存放準(zhǔn)備發(fā)送的命令； ⑵ 已發(fā)送緩存區(qū),，存放已發(fā)送好但未經(jīng)接收確認的命令,；⑶ RTU接收緩存區(qū)，存放接收到的RTU數(shù)據(jù),；⑷ ASCII接收緩存區(qū),，存放接收到的ASCII數(shù)據(jù)。所有線程共享上述四個數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù),，并設(shè)置互斥鎖用來確保一個時間段內(nèi)只有一個任務(wù)在訪問共享數(shù)據(jù),。

圖4  串口通信多線程程序流程圖

　　主線程主要負責(zé)設(shè)備的注冊，掃描是否有數(shù)據(jù)發(fā)送,，如果有發(fā)送數(shù)據(jù),，進行優(yōu)先級設(shè)置，將發(fā)送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為發(fā)送所需的ASCII和RTU格式,，存入發(fā)送緩存區(qū)以待發(fā)送,。串口初始化主要功能為設(shè)置串口通信屬性,，如波特率、數(shù)據(jù)位,、校驗位和流控制等,。串口通信采用異步通信模式，并以全局變量作為接收標(biāo)志,。解析數(shù)據(jù)時應(yīng)將已收到數(shù)據(jù)和已發(fā)送數(shù)據(jù)進行匹配,，根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)分析接收數(shù)據(jù)是否正確，如果接收數(shù)據(jù)正確則丟棄已發(fā)送命令,，否則重發(fā),。

3 快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法

　　由于上位機與下位機的個別數(shù)據(jù)存儲格式不同，需要轉(zhuǎn)換為對方能夠識別的數(shù)據(jù),。下面以浮點數(shù)為例,，說明本次設(shè)計中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機制。

　　上位機采用Linux操作系統(tǒng),，浮點數(shù)采用IEEE-754數(shù)據(jù)存儲格式,。IEEE規(guī)定一個浮點數(shù)在內(nèi)存中占四字節(jié)，其數(shù)據(jù)格式如圖5所示,。

圖5  IEEE浮點數(shù)數(shù)據(jù)格式

　　在IEEE浮點數(shù)數(shù)據(jù)存儲格式下,，第1位為符號位，指示浮點數(shù)的正負,。指數(shù)部分共8位,，第一個字節(jié)的后7位和第二個字節(jié)的第1位，表示范圍是0 ~ 255,。實際上的指數(shù)值應(yīng)是-128 ~ 127的有符號整數(shù)，為了存儲方便,，指數(shù)值都加127轉(zhuǎn)為0 ~ 255存儲,，即實際指數(shù)值是E-127。最后23位為小數(shù)部分,，需要注意的是,，在計算時，要將小數(shù)部分最高位補1,。因此,，實際的浮點數(shù)值可以通過下面的公式計算：

Real =（-1）*Sign*（D/224）*2E-126

　　下位機浮點數(shù)在內(nèi)存中同樣占四字節(jié)，其數(shù)據(jù)格式如圖6所示,。

圖6  下位機浮點數(shù)數(shù)據(jù)格式

　　下位機浮點數(shù)數(shù)據(jù)格式中,，數(shù)符用來指示浮點數(shù)的正負，階符用于指示指數(shù)的正負,，階碼有6位,，即指數(shù)范圍是0~64,，小數(shù)部分比IEEE浮點數(shù)數(shù)據(jù)格式中多1位，因此在計算時高位無需補1,。實際的浮點數(shù)數(shù)值可以通過下面公式計算：

Real =（-1）*Sign*（D/224）*2（-1）*SignE*E

　　實際傳輸過程中,，從下位機傳來的浮點數(shù)，需要先轉(zhuǎn)為IEEE標(biāo)準(zhǔn)格式,，傳給下位機的數(shù)據(jù)同樣需要轉(zhuǎn)為下位機能夠識別的格式,。由于浮點數(shù)存儲格式復(fù)雜，在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時應(yīng)盡量避免使用浮點數(shù)運算,。通過比較圖5和圖6可知,，兩種存儲格式的最后23位相同，可以共用,。因此,，在編程時，采用共同體能夠更快的解決兩者之間的轉(zhuǎn)換,。編寫共同體如下：

　　union {

　　float fdata;

　　unsigned char byte[4];

　　}data_change;

　　fdata中存放轉(zhuǎn)換前得浮點數(shù),，而字符型數(shù)組byte直接對應(yīng)浮點數(shù)在計算機中以二進制存儲的四個字節(jié)。通過對字符型數(shù)組的簡單的加減法及移位計算就可以快速在兩種存儲格式之間轉(zhuǎn)換,。 實際測試時,，采用共同體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在響應(yīng)時間上要明顯優(yōu)于未采用共同體的數(shù)制轉(zhuǎn)換，提高了串口通信的實時性,。

　　4 結(jié)論

　　本文創(chuàng)新點：（1）將嵌入式Linux系統(tǒng)應(yīng)用于無紙記錄儀,，使得該裝置體積小，功能強,，實時性能及可擴展性能良好,；（2）實現(xiàn)了MODBUS協(xié)議中RTU與ASCII傳輸模式的共存，使無紙記錄儀具有更強的通用性,；（3）通過在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換編程中采用共同體這方面的改進,，提高了無紙記錄儀串口通信的實時性。