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在工業(yè)自動(dòng)化控制系統中，記錄儀起著(zhù)十分重要的作用，它可以實(shí)時(shí)采集、監測和記錄一些影響工藝過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數，被廣泛應用于石化、冶金、電力、機械、醫藥、輕工業(yè)等行業(yè)。隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，記錄儀已從傳統的有紙模擬式發(fā)展到如今的無(wú)紙數字式[1]。與傳統的有紙記錄儀相比，無(wú)紙記錄儀無(wú)機械磨損、顯示直觀(guān)、使用方便、故障率低和設備耗材少，因此被越來(lái)越多的應用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 隨著(zhù)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的高速發(fā)展，企業(yè)對無(wú)紙記錄儀提出了越來(lái)越高的要求，基于8位單片機的無(wú)紙記錄儀的功能已遠遠達不到用戶(hù)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?xún)r(jià)比等諸多優(yōu)勢，而被越來(lái)越多的應用于無(wú)紙記錄儀，隨著(zhù)硬件的改進(jìn)，傳統的串行通訊方法也迫切需要改進(jìn)，因此本文提出了基于嵌入式Linux的串口通信方案。嵌入式Linux操作系統是在標準Linux的基礎上針對嵌入式系統進(jìn)行內核裁剪和優(yōu)化后形成[2]，它繼承了Linux的開(kāi)放源代碼、多任務(wù)、穩定性高，內核可裁剪等諸多優(yōu)點(diǎn)，其內核精簡(jiǎn)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(wú)紙記錄儀上位機操作系統，并利用其多線(xiàn)程編程技術(shù)實(shí)現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(wú)紙記錄儀主要在過(guò)程控制現場(chǎng)或監控室中使用，與之進(jìn)行通信的現場(chǎng)設備接口以串口居多，因此在該裝置的開(kāi)發(fā)過(guò)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年為建立智能設備間的主從式通信而開(kāi)發(fā)的一種通信協(xié)議，它規定在一個(gè)系統中，每次命令應由系統中主設備發(fā)起，從設備通過(guò)解析地址位決定是否應答[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。 將兩種報文傳送幀格式異同總結如表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格式數據的譯碼和處理更為容易一些；使用RTU報文幀格式傳輸數據時(shí)，報文字符必須以連續數據流的形式傳送，而使用ASCII格式，字符之間允許長(cháng)達1s的時(shí)間間隔。 表1 ASCII與RTU報文幀格式比較 通常情況下，在一個(gè)MODBUS網(wǎng)絡(luò )中只采用一種報文幀格式進(jìn)行數據交換。但在一些特殊情況下，同一系統中需要用到不同傳輸模式的控制器，即同時(shí)采用兩種報文幀傳輸格式。為了使無(wú)紙記錄儀具有更強的通用性，本文提出了一種新的可同時(shí)使用兩種報文幀格式的串口通信方案。在以下闡述過(guò)程中， 以ASCII和RTU報文幀格式傳輸的數據將分別簡(jiǎn)稱(chēng)為ASCII和RTU數據。 2 記錄儀的通信實(shí)現 2.1 整體設計 無(wú)紙記錄儀主要通信對象為工業(yè)現場(chǎng)設備，因此通信過(guò)程中數據交換應快速、準確無(wú)誤。在MODBUS協(xié)議中，ASCII與RTU數據打包與解碼均不相同，數據讀寫(xiě)方面需要獨立起來(lái)。串口通信功能框架如圖3所示。 圖3 串口通信功能框架圖 設備注冊?huà)呙枘K主要負責設備地址表的維護，每間隔一定時(shí)間掃描在線(xiàn)設備，并記錄下設備地址和使用的報文幀格式，同時(shí)根據掃描得到信息動(dòng)態(tài)開(kāi)辟ASCII和RTU數據緩存區。ASCII數據讀寫(xiě)模塊負責打包和解碼ASCII數據，RTU數據讀寫(xiě)模塊負責打包和解碼RTU數據。數據發(fā)送模塊根據優(yōu)先級排列好打包好的數據依次發(fā)送。數據接收模塊僅解碼下位機儀表每次傳回數據的首位，判斷是RTU數據還是ASCII數據，存入RTU或ASCII數據緩存區，以待處理。 為了實(shí)現ASCII與RTU數據的共存，首要問(wèn)題是每次設備掃描注冊時(shí)對使用ASCII和使用RTU數據的設備加以區分。由ASCII和RTU的報文幀格式可知，傳輸數據首位是判斷數據類(lèi)型的關(guān)鍵，所以使用RTU報文幀格式的設備地址需避開(kāi)ASCII數據的起始位和結束符。在未知在線(xiàn)設備情況下，上位機將所有設備地址輪詢(xún)一遍，解析接收數據首位，如果是ASCII的起始位，則ASCII設備注冊，反之，則RTU設備注冊。 2.2 編程實(shí)現 軟件實(shí)現上，采用Linux的多線(xiàn)程編程技術(shù)，可以更好的滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)性要求。多線(xiàn)程程序采用多任務(wù)、并發(fā)的工作方式[4]，可以提高應用程序響應時(shí)間并且改善程序結構。Linux操作系統中提供了Linuxthread 庫[5],它實(shí)現了符合POSIX1003.1c標準的多線(xiàn)程支持,而且是內核級方式。 串口通信通過(guò)三個(gè)線(xiàn)程來(lái)實(shí)現，主線(xiàn)程、發(fā)送子線(xiàn)程和接收數據處理子線(xiàn)程，如圖4所示。同時(shí)，為了使收發(fā)數據管理更加方便，建立了四個(gè)數據緩存區：⑴ 發(fā)送緩存區，存放準備發(fā)送的命令； ⑵ 已發(fā)送緩存區，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，存放接收到的RTU數據；⑷ ASCII接收緩存區，存放接收到的ASCII數據。所有線(xiàn)程共享上述四個(gè)數據緩存區的數據，并設置互斥鎖用來(lái)確保一個(gè)時(shí)間段內只有一個(gè)任務(wù)在訪(fǎng)問(wèn)共享數據。 圖4 串口通信多線(xiàn)程程序流程圖 主線(xiàn)程主要負責設備的注冊，掃描是否有數據發(fā)送，如果有發(fā)送數據，進(jìn)行優(yōu)先級設置，將發(fā)送數據轉為發(fā)送所需的ASCII和RTU格式，存入發(fā)送緩存區以待發(fā)送。串口初始化主要功能為設置串口通信屬性，如波特率、數據位、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志。解析數據時(shí)應將已收到數據和已發(fā)送數據進(jìn)行匹配，根據發(fā)送的數據分析接收數據是否正確，如果接收數據正確則丟棄已發(fā)送命令，否則重發(fā)。 3 快速數據轉換算法 由于上位機與下位機的個(gè)別數據存儲格式不同，需要轉換為對方能夠識別的數據。下面以浮點(diǎn)數為例，說(shuō)明本次設計中的數據轉換機制。 上位機采用Linux操作系統，浮點(diǎn)數采用IEEE-754數據存儲格式。IEEE規定一個(gè)浮點(diǎn)數在內存中占四字節，其數據格式如圖5所示。 圖5 IEEE浮點(diǎn)數數據格式 在IEEE浮點(diǎn)數數據存儲格式下，第1位為符號位，指示浮點(diǎn)數的正負。指數部分共8位，第一個(gè)字節的后7位和第二個(gè)字節的第1位，表示范圍是0 " 255。實(shí)際上的指數值應是-128 " 127的有符號整數，為了存儲方便，指數值都加127轉為0 " 255存儲，即實(shí)際指數值是E-127。最后23位為小數部分，需要注意的是，在計算時(shí)，要將小數部分最高位補1。因此，實(shí)際的浮點(diǎn)數值可以通過(guò)下面的公式計算： Real =（-1）*Sign*（D/224）*2E-126 下位機浮點(diǎn)數在內存中同樣占四字節，其數據格式如圖6所示。 圖6 下位機浮點(diǎn)數數據格式 下位機浮點(diǎn)數數據格式中，數符用來(lái)指示浮點(diǎn)數的正負，階符用于指示指數的正負，階碼有6位，即指數范圍是0"64，小數部分比IEEE浮點(diǎn)數數據格式中多1位，因此在計算時(shí)高位無(wú)需補1。實(shí)際的浮點(diǎn)數數值可以通過(guò)下面公式計算： Real =（-1）*Sign*（D/224）*2（-1）*SignE*E 實(shí)際傳輸過(guò)程中，從下位機傳來(lái)的浮點(diǎn)數，需要先轉為IEEE標準格式，傳給下位機的數據同樣需要轉為下位機能夠識別的格式。由于浮點(diǎn)數存儲格式復雜，在轉換數據時(shí)應盡量避免使用浮點(diǎn)數運算。通過(guò)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(shí)，采用共同體能夠更快的解決兩者之間的轉換。編寫(xiě)共同體如下： union { float fdata; unsigned char byte[4]; }data_change; fdata中存放轉換前得浮點(diǎn)數，而字符型數組byte直接對應浮點(diǎn)數在計算機中以二進(jìn)制存儲的四個(gè)字節。通過(guò)對字符型數組的簡(jiǎn)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換。 實(shí)際測試時(shí)，采用共同體的數據轉換在響應時(shí)間上要明顯優(yōu)于未采用共同體的數制轉換，提高了串口通信的實(shí)時(shí)性。 4 結論 本文創(chuàng )新點(diǎn)：（1）將嵌入式Linux系統應用于無(wú)紙記錄儀，使得該裝置體積小，功能強，實(shí)時(shí)性能及可擴展性能良好；（2）實(shí)現了MODBUS協(xié)議中RTU與ASCII傳輸模式的共存，使無(wú)紙記錄儀具有更強的通用性；（3）通過(guò)在數據轉換編程中采用共同體這方面的改進(jìn)，提高了無(wú)紙記錄儀串口通信的實(shí)時(shí)性。 |
