基于嵌入式Linux的無紙記錄儀通信設(shè)計
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(fù)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(fù)責(zé)打包和解碼ASCII數(shù)據(jù)，RTU數(shù)據(jù)讀寫模塊負(fù)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。[!--empirenews.page--]
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(rèn)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(fù)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(fù)。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(fù)，階符用于指示指數(shù)的正負(fù)，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。
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