基于嵌入式Linux的無(wú)紙記錄儀通信設(shè)計(jì)

1、基于嵌入式linux的無(wú)紙記錄儀通信設(shè)計(jì)在工業(yè)控制系統(tǒng)中，記錄儀起著非常重要的作用，它可以實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)和記錄一些影響工藝過(guò)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(jī)械、醫(yī)藥、輕工業(yè)等行業(yè)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)展，記錄儀已從傳統(tǒng)的有紙模擬式進(jìn)展到如今的無(wú)紙數(shù)字式1。與傳統(tǒng)的有紙記錄儀相比，無(wú)紙記錄儀無(wú)機(jī)械磨損、顯示直觀、用法便利、故障率低和設(shè)備耗材少，因此被越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的高速進(jìn)展，企業(yè)對(duì)無(wú)紙記錄儀提出了越來(lái)越高的要求，基于8位的無(wú)紙記錄儀的功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到用戶的要求。微處理核的32位risc處理器以其強(qiáng)大的性能豐盛的接口以及優(yōu)異的性價(jià)比等諸多優(yōu)勢(shì)，

2、而被越來(lái)越多的應(yīng)用于無(wú)紙記錄儀，隨著硬件的改進(jìn)，傳統(tǒng)的串行通訊辦法也迫切需要改進(jìn)，因此本文提出了基于嵌入式的串口通信計(jì)劃。嵌入式linux操作系統(tǒng)是在標(biāo)準(zhǔn)linux的基礎(chǔ)上針對(duì)嵌入式系統(tǒng)舉行內(nèi)核裁剪和優(yōu)化后形成2，它繼承了linux的開(kāi)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(diǎn)，其內(nèi)核精簡(jiǎn)而高效,具有十分好的網(wǎng)絡(luò)性能。本文將用法嵌入式linux作為無(wú)紙記錄儀上位機(jī)操作系統(tǒng)，并利用其多線程編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的串口通信。1 記錄儀中的通信協(xié)議因?yàn)闊o(wú)紙記錄儀主要在過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)或監(jiān)控室中用法，與之舉行通信的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口以串口居多，因此在該裝置的開(kāi)發(fā)過(guò)程中采納非常通用的modbus協(xié)議作為

3、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(kāi)發(fā)的一種通信協(xié)議，它規(guī)定在一個(gè)系統(tǒng)中，每次指令應(yīng)由系統(tǒng)中主設(shè)備發(fā)起，從設(shè)備通過(guò)解析地址位打算是否應(yīng)答3。該協(xié)議具有兩種報(bào)文傳送幀格式，ascii和rtu報(bào)文幀格式，分離1和圖2所示。將兩種報(bào)文傳送幀格式異同總結(jié)如表1。由表1可知，兩種報(bào)文幀格式各有優(yōu)劣：ascii格式用法的字符是rtu格式的兩倍，但ascii格式數(shù)據(jù)的譯碼和處理更為簡(jiǎn)單一些；用法rtu報(bào)文幀格式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，報(bào)文字符必需以延續(xù)數(shù)據(jù)流的形式傳送，而用法ascii格式，字符之間允許長(zhǎng)達(dá)1s的時(shí)光間隔。表1 ascii與rtu報(bào)文幀格式比較

4、通常狀況下，在一個(gè)modbus網(wǎng)絡(luò)中只采納一種報(bào)文幀格式舉行數(shù)據(jù)交換。但在一些特別狀況下，同一系統(tǒng)中需要用到不同傳輸模式的控制器，即同時(shí)采納兩種報(bào)文幀傳輸格式。為了使無(wú)紙記錄儀具有更強(qiáng)的通用性，本文提出了一種新的可同時(shí)用法兩種報(bào)文幀格式的串口通信計(jì)劃。在以下闡述過(guò)程中， 以ascii和rtu報(bào)文幀格式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將分離簡(jiǎn)稱為ascii和rtu數(shù)據(jù)。2 記錄儀的通信實(shí)現(xiàn)2.1 整體設(shè)計(jì)無(wú)紙記錄儀主要通信對(duì)象為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，因此通信過(guò)程中數(shù)據(jù)交換應(yīng)迅速、精確無(wú)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(xiě)方面需要自立起來(lái)。串口通信功能框架3所示。圖3 串口通信功能框架圖

5、設(shè)備注冊(cè)掃描模塊主要負(fù)責(zé)設(shè)備地址表的維護(hù)，每間隔一定時(shí)光掃描在線設(shè)備，并記錄下設(shè)備地址和用法的報(bào)文幀格式，同時(shí)按照掃描得到信息動(dòng)態(tài)開(kāi)拓ascii和rtu數(shù)據(jù)緩存區(qū)。ascii數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊負(fù)責(zé)打包和解碼ascii數(shù)據(jù)，rtu數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊負(fù)責(zé)打包和解碼rtu數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊按照優(yōu)先級(jí)羅列好打包好的數(shù)據(jù)依次發(fā)送。數(shù)據(jù)接收模塊僅解碼下位機(jī)儀表每次傳回?cái)?shù)據(jù)的首位，推斷是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(shí)現(xiàn)ascii與rtu數(shù)據(jù)的共存，首要問(wèn)題是每次設(shè)備掃描注冊(cè)時(shí)對(duì)用法ascii和用法rtu數(shù)據(jù)的設(shè)備加以區(qū)別。由ascii和rtu的報(bào)文幀格式可知，傳輸數(shù)據(jù)首

6、位是推斷數(shù)據(jù)類型的關(guān)鍵，所以用法rtu報(bào)文幀格式的設(shè)備地址需避免ascii數(shù)據(jù)的起始位和結(jié)束符。在未知在線設(shè)備狀況下，上位機(jī)將全部設(shè)備地址輪詢一遍，解析接收數(shù)據(jù)首位，假如是ascii的起始位，則ascii設(shè)備注冊(cè)，反之，則rtu設(shè)備注冊(cè)。2.2 編程實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)上，采納linux的多線程編程技術(shù)，可以更好的滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性要求。多線程程序采納多任務(wù)、并發(fā)的工作方式4，可以提高應(yīng)用程序響應(yīng)時(shí)光并且充實(shí)程序結(jié)構(gòu)。linux操作系統(tǒng)中提供了linuxthread 庫(kù)5,它實(shí)現(xiàn)了符合posix1003.1c標(biāo)準(zhǔn)的多線程支持,而且是內(nèi)核級(jí)方式。串口通信通過(guò)三個(gè)線程來(lái)實(shí)現(xiàn)，主線程、發(fā)送子線程和接收數(shù)據(jù)

7、處理子線程，4所示。同時(shí)，為了使收發(fā)數(shù)據(jù)管理越發(fā)便利，建立了四個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)： 發(fā)送緩存區(qū)，存放預(yù)備發(fā)送的指令； 已發(fā)送緩存區(qū)，存放已發(fā)送好但未經(jīng)接收確認(rèn)的指令； rtu接收緩存區(qū)，存放接收到的rtu數(shù)據(jù)； ascii接收緩存區(qū)，存放接收到的ascii數(shù)據(jù)。全部線程分享上述四個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，并設(shè)置互斥鎖用來(lái)確保一個(gè)時(shí)光段內(nèi)惟獨(dú)一個(gè)任務(wù)在拜訪分享數(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(cè)，掃描是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，假如有發(fā)送數(shù)據(jù)，舉行優(yōu)先級(jí)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(yàn)位和流

8、控制等。串口通信采納異步通信模式，并以全局變量作為接收標(biāo)記。解析數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)將已收到數(shù)據(jù)和已發(fā)送數(shù)據(jù)舉行匹配，按照發(fā)送的數(shù)據(jù)分析接收數(shù)據(jù)是否正確，假如接收數(shù)據(jù)正確則丟棄已發(fā)送指令，否則重發(fā)。3 迅速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法因?yàn)樯衔粰C(jī)與下位機(jī)的個(gè)別數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式不同，需要轉(zhuǎn)換為對(duì)方能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)。下面以浮點(diǎn)數(shù)為例，解釋本次設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制。上位機(jī)采納linux操作系統(tǒng)，浮點(diǎn)數(shù)采納ieee-754數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。ieee規(guī)定一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)在內(nèi)存中占四字節(jié)，其數(shù)據(jù)格式5所示。圖5 ieee浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)格式在ieee浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式下，第1位為符號(hào)位，指示浮點(diǎn)數(shù)的正負(fù)。指數(shù)部分共8位，第一個(gè)字節(jié)的后7位和其次個(gè)字節(jié)的第1

9、位，表示范圍是0 255。事實(shí)上的指數(shù)值應(yīng)是-128 127的有符號(hào)整數(shù)，為了存儲(chǔ)便利，指數(shù)值都加127轉(zhuǎn)為0 255存儲(chǔ)，即實(shí)際指數(shù)值是e-127。最后23位為小數(shù)部分，需要注重的是，在計(jì)算時(shí)，要將小數(shù)部分最高位補(bǔ)1。因此，實(shí)際的浮點(diǎn)數(shù)值可以通過(guò)下面的公式計(jì)算：real =（-1）*sign*（d/224）*2e-126下位機(jī)浮點(diǎn)數(shù)在內(nèi)存中同樣占四字節(jié)，其數(shù)據(jù)格式6所示。圖6 下位機(jī)浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)格式下位機(jī)浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)格式中，數(shù)符用來(lái)指示浮點(diǎn)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064，小數(shù)部分比ieee浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)格式中多1位，因此在計(jì)算時(shí)高位無(wú)需補(bǔ)1。實(shí)際的浮點(diǎn)數(shù)數(shù)值可以通過(guò)

10、下面公式計(jì)算：real =（-1）*sign*（d/224）*2（-1）*signe*e實(shí)際傳輸過(guò)程中，從下位機(jī)傳來(lái)的浮點(diǎn)數(shù)，需要先轉(zhuǎn)為ieee標(biāo)準(zhǔn)格式，傳給下位機(jī)的數(shù)據(jù)同樣需要轉(zhuǎn)為下位機(jī)能夠識(shí)別的格式。因?yàn)楦↑c(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)格式復(fù)雜，在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)用法浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。通過(guò)比較圖5和圖6可知，兩種存儲(chǔ)格式的最后23位相同，可以共用。因此，在編程時(shí)，采納共同體能夠更快的解決兩者之間的轉(zhuǎn)換。編寫(xiě)共同體如下：union float fdata;unsigned char byte4;data_change;fdata中存放轉(zhuǎn)換前得浮點(diǎn)數(shù)，而字符型數(shù)組byte挺直對(duì)應(yīng)浮點(diǎn)數(shù)在計(jì)算機(jī)中以二進(jìn)制存儲(chǔ)的四個(gè)字節(jié)。通過(guò)對(duì)字符型數(shù)組的容易的加減法及移位計(jì)算就可以迅速在兩種存儲(chǔ)格式之間轉(zhuǎn)換。 實(shí)際測(cè)試時(shí)，采納共同體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在響應(yīng)時(shí)光上要顯然優(yōu)于未采納共同體的數(shù)制轉(zhuǎn)換，提高了串口通信的實(shí)