引言
在工业自动化控制系统中，记录仪起着十分重要的作用，它可以实时采集、监测和记录一些影响工艺过程和产品质量的重要参数，被广泛应用于石化、冶金、电力、机械、医药、轻工业等行业。随着电子技术的不断发展，记录仪已从传统的有纸模拟式发展到如今的无纸数字式[1]。与传统的有纸记录仪相比， 无纸记录仪 无机械磨损、显示直观、使用方便、故障率低和设备耗材少，因此被越来越多的应用于工业控制领域。
随着工业过程自动化的高速发展，企业对无纸记录仪提出了越来越高的要求，基于8位单片机的无纸记录仪的功能已远远达不到用户的要求。 嵌入式 ARM微处理核的32位RISC处理器以其强大的性能丰富的接口以及优异的性价比等诸多优势，而被越来越多的应用于无纸记录仪，随着硬件的改进，传统的串行通讯方法也迫切需要改进，因此本文提出了基于嵌入式 Linux 的串口 通信 方案。嵌入式Linux操作系统是在标准Linux的基础上针对嵌入式系统进行内核裁剪和优化后形成[2]，它继承了Linux的开放源代码、多任务、稳定性高，内核可裁剪等诸多优点，其内核精简而高效,具有非常好的网络性能。本文将使用嵌入式Linux作为无纸记录仪上位机操作系统，并利用其多线程编程技术实现上位机与下位机的串口通信。
1 记录仪中的通信协议
由于无纸记录仪主要在过程控制现场或监控室中使用，与之进行通信的现场设备接口以串口居多，因此在该装置的开发过程中采用十分通用的MODBUS协议作为串口通信协议。MODBUS协议是MODICON公司于1979年为建立智能设备间的主从式通信而开发的一种通信协议，它规定在一个系统中，每次命令应由系统中主设备发起，从设备通过解析地址位决定是否应答[3]。该协议具有两种报文传送帧格式，ASCII和RTU报文帧格式，分别如图1和图2所示。
图1 ASCII报文帧格式
图2 RTU报文帧格式
将两种报文传送帧格式异同总结如表1。由表1可知，两种报文帧格式各有优劣：ASCII格式使用的字符是RTU格式的两倍，但ASCII格式数据的译码和处理更为容易一些；使用RTU报文帧格式传输数据时，报文字符必须以连续数据流的形式传送，而使用ASCII格式，字符之间允许长达1s的时间间隔。
表1 ASCII与RTU报文帧格式比较
通常情况下，在一个MODBUS网络中只采用一种报文帧格式进行数据交换。但在一些特殊情况下，同一系统中需要用到不同传输模式的控制器，即同时采用两种报文帧传输格式。为了使无纸记录仪具有更强的通用性，本文提出了一种新的可同时使用两种报文帧格式的串口通信方案。在以下阐述过程中， 以ASCII和RTU报文帧格式传输的数据将分别简称为ASCII和RTU数据。
2 记录仪的通信实现
2.1 整体设计
无纸记录仪主要通信对象为工业现场设备，因此通信过程中数据交换应快速、准确无误。在MODBUS协议中，ASCII与RTU数据打包与解码均不相同，数据读写方面需要独立起来。串口通信功能框架如图3所示。
图3 串口通信功能框架图
设备注册扫描模块主要负责设备地址表的维护，每间隔一定时间扫描在线设备，并记录下设备地址和使用的报文帧格式，同时根据扫描得到信息动态开辟ASCII和RTU数据缓存区。ASCII数据读写模块负责打包和解码ASCII数据，RTU数据读写模块负责打包和解码RTU数据。数据发送模块根据优先级排列好打包好的数据依次发送。数据接收模块仅解码下位机仪表每次传回数据的首位，判断是RTU数据还是ASCII数据，存入RTU或ASCII数据缓存区，以待处理。
为了实现ASCII与RTU数据的共存，首要问题是每次设备扫描注册时对使用ASCII和使用RTU数据的设备加以区分。由ASCII和RTU的报文帧格式可知，传输数据首位是判断数据类型的关键，所以使用RTU报文帧格式的设备地址需避开ASCII数据的起始位和结束符。在未知在线设备情况下，上位机将所有设备地址轮询一遍，解析接收数据首位，如果是ASCII的起始位，则ASCII设备注册，反之，则RTU设备注册。
2.2 编程实现
软件实现上，采用Linux的多线程编程技术，可以更好的满足工业现场的实时性要求。多线程程序采用多任务、并发的工作方式[4]，可以提高应用程序响应时间并且改善程序结构。Linux操作系统中提供了Linuxthread 库[5],它实现了符合POSIX1003.1c标准的多线程支持,而且是内核级方式。
串口通信通过三个线程来实现，主线程、发送子线程和接收数据处理子线程，如图4所示。同时，为了使收发数据管理更加方便，建立了四个数据缓存区：⑴ 发送缓存区，存放准备发送的命令； ⑵ 已发送缓存区，存放已发送好但未经接收确认的命令；⑶ RTU接收缓存区，存放接收到的RTU数据；⑷ ASCII接收缓存区，存放接收到的ASCII数据。所有线程共享上述四个数据缓存区的数据，并设置互斥锁用来确保一个时间段内只有一个任务在访问共享数据。
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图4 串口通信多线程程序流程图
主线程主要负责设备的注册，扫描是否有数据发送，如果有发送数据，进行优先级设置，将发送数据转为发送所需的ASCII和RTU格式，存入发送缓存区以待发送。串口初始化主要功能为设置串口通信属性，如波特率、数据位、校验位和流控制等。串口通信采用异步通信模式，并以全局变量作为接收标志。解析数据时应将已收到数据和已发送数据进行匹配，根据发送的数据分析接收数据是否正确，如果接收数据正确则丢弃已发送命令，否则重发。
3 快速数据转换算法
由于上位机与下位机的个别数据存储格式不同，需要转换为对方能够识别的数据。下面以浮点数为例，说明本次设计中的数据转换机制。
上位机采用 Linux 操作系统，浮点数采用IEEE-754数据存储格式。IEEE规定一个浮点数在内存中占四字节，其数据格式如图5所示。
图5 IEEE浮点数数据格式
在IEEE浮点数数据存储格式下，第1位为符号位，指示浮点数的正负。指数部分共8位，第一个字节的后7位和第二个字节的第1位，表示范围是0 ~ 255。实际上的指数值应是-128 ~ 127的有符号整数，为了存储方便，指数值都加127转为0 ~ 255存储，即实际指数值是E-127。最后23位为小数部分，需要注意的是，在计算时，要将小数部分最高位补1。因此，实际的浮点数值可以通过下面的公式计算：
Real =（-1）*Sign*（D/224）*2E-126
下位机浮点数在内存中同样占四字节，其数据格式如图6所示。
图6 下位机浮点数数据格式
下位机浮点数数据格式中，数符用来指示浮点数的正负，阶符用于指示指数的正负，阶码有6位，即指数范围是0~64，小数部分比IEEE浮点数数据格式中多1位，因此在计算时高位无需补1。实际的浮点数数值可以通过下面公式计算：
Real =（-1）*Sign*（D/224）*2（-1）*SignE*E
实际传输过程中，从下位机传来的浮点数，需要先转为IEEE标准格式，传给下位机的数据同样需要转为下位机能够识别的格式。由于浮点数存储格式复杂，在转换数据时应尽量避免使用浮点数运算。通过比较图5和图6可知，两种存储格式的最后23位相同，可以共用。因此，在编程时，采用共同体能够更快的解决两者之间的转换。编写共同体如下：
