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微控制器撥號(hào)上網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了一種在微控制器（單片機(jī)）上實(shí)現(xiàn)PPP協(xié)議，并使其通過(guò)ISP連入Internet的方法。分析了PPP協(xié)議，論述了軟件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了協(xié)議的簡(jiǎn)化方法以適應(yīng)單片機(jī)有限的存儲(chǔ)資源。關(guān)鍵詞：PPP 微控制器 單片機(jī)上網(wǎng) 調(diào)制解調(diào)器
微控制器（也稱單片機(jī)）把所有常用的資源，如存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、通用輸入輸出口、定時(shí)器等，與CPU集成在一個(gè)芯片上，具有體積小、功耗低、使用方便的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。隨著互聯(lián)網(wǎng)（Internet）的興起與普及，使微控制器也接入到互聯(lián)網(wǎng)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。便是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)通信的前提是需要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)多種繁雜的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。而微器一般處理能力較低、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器資源有限，這就使微控制器上網(wǎng)變得非常困難。目前，一般采用微控制器直接驅(qū)動(dòng)網(wǎng)卡芯片的方案。網(wǎng)卡芯片封裝了底層的以太網(wǎng)協(xié)議（如IEEE802.3），微控制器只需控制網(wǎng)卡芯片并實(shí)現(xiàn)傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（例如TCP、IP協(xié)議）即可以上層。但其缺點(diǎn)是必須應(yīng)用在已經(jīng)擁有局域網(wǎng)的地方，且網(wǎng)卡芯片（例如RTL8019等）價(jià)格不菲。
本文針對(duì)微控制器上網(wǎng)的問(wèn)題，提出一種大微控制器中實(shí)現(xiàn)PPP協(xié)議，并通過(guò)調(diào)制解調(diào)器（MODEM）連接到ISP（Internet Service Provider）實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)的解決方案：微控制器控制MODEM撥號(hào)連接到ISP上，然后根據(jù)PPP協(xié)議（Point to Point Protocol）進(jìn)行通信協(xié)商、密碼認(rèn)證等握手過(guò)程，如果成功就可以通過(guò)ISP上網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）可以應(yīng)用于任何覆蓋電話網(wǎng)的地區(qū)，適用于廣大偏遠(yuǎn)地區(qū)；（2）硬件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，程序比較短小；（3）只需外接電話線，安裝簡(jiǎn)便。
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1 硬件連接與底層驅(qū)動(dòng)
微控制器撥號(hào)上網(wǎng)解決方案中的硬件連接非常簡(jiǎn)單，只需使用微控制器的標(biāo)準(zhǔn)串行口和I/O總線與MODEM相連。為了使程序更為簡(jiǎn)化，在硬件設(shè)計(jì)中可以不使用MODEM的硬件握手信號(hào)。最終只需四根連接線來(lái)控制MODEM（如圖1所示）：串口發(fā)送（TXD）、串口接收（RXD）、載波檢測(cè)CD（Carrier Detect）和終端準(zhǔn)備DTR（Data Aerminal Ready）信號(hào)。CD信號(hào)可以檢測(cè)MODEM是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是AT命令傳送狀態(tài)。DRT信號(hào)用來(lái)通知MODEM傳送工作已經(jīng)結(jié)束。微控制器的串行口和I/O口不能直接與標(biāo)準(zhǔn)MODEM相連，需要使用電壓轉(zhuǎn)換芯片，如MAX232等，轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)。
為了方便軟件編程，需要針對(duì)硬件編寫一些底層驅(qū)動(dòng)程序。首先是串行口的驅(qū)動(dòng)函數(shù)：打開串口（OpenComm）、關(guān)閉串口（CloseComm）、讀串口數(shù)據(jù)（ReadComm）、寫串口數(shù)據(jù)（WriteComm）等。然后在這些串口函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫MODEM的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。單片機(jī)通過(guò)串行口控制MODEM，進(jìn)行撥號(hào)、設(shè)置等操作�？刂品椒ú捎肁T命令，例如：ATDT命令用來(lái)?yè)芴?hào)、ATV命令控制MODEM返回值的格式等�？刂芃ODEM撥打ISP的電話號(hào)碼后，MODEM就轉(zhuǎn)入在線模式（On-Line），此時(shí)微控制器向串行口發(fā)送的所有數(shù)據(jù)都會(huì)直接傳送給ISP主機(jī)。同樣ISP主機(jī)的回答也傳回微控制的串行口�？梢哉f(shuō)此時(shí)的MODEM和電話線建立了一個(gè)從微控制器到ISP的透明數(shù)據(jù)連接。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成需要斷開連接時(shí)，微控制器通知MODEM結(jié)束會(huì)話，并從在線模式轉(zhuǎn)回普通的命令模式。這可以通過(guò)置高M(jìn)ODEM的DTR線完成。同時(shí)，處于在模式下微控制器也要不斷檢測(cè)CD線是否處于高電平，當(dāng)線路由于異常斷開時(shí)，CD線會(huì)回復(fù)到平常的低電平。根據(jù)這些操作，編寫MODEM驅(qū)動(dòng)函數(shù)：（1）MODEM初始化函數(shù)（ModemInit）；（2）撥號(hào)函數(shù)（ModemDial）；（3）斷開與ISP連接（ModemHangUp）；（4）檢測(cè)MODEM是否處于在線狀態(tài)（ModemOnLine）等。
這些底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)將會(huì)使上層協(xié)議的編寫很方便；更重要的是，它提供了一個(gè)硬件抽象層。當(dāng)?shù)讓佑布膭?dòng)時(shí)，只需要對(duì)底層的驅(qū)動(dòng)數(shù)改動(dòng)，而上層函數(shù)的代碼不變。
2 軟件整體結(jié)構(gòu)
2.1 軟件層次結(jié)構(gòu)
程序中的所有代碼都由C語(yǔ)言編寫，采用分層結(jié)構(gòu)，從底到上分別為：串口驅(qū)動(dòng)層、MODEM驅(qū)動(dòng)層、PPP協(xié)議層、IP協(xié)議層、UDP協(xié)議層與應(yīng)用層。上層函數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)用到底層函數(shù)，而底層函數(shù)的任務(wù)就是為上層函數(shù)提供服務(wù)，最終完成應(yīng)用層任務(wù)，傳送數(shù)據(jù)。各層的主要函數(shù)如圖2所示。
可以看出，為了盡量簡(jiǎn)化，在傳輸層使用了UDP協(xié)議而非TCP協(xié)議。其實(shí)大多數(shù)情況下使用無(wú)線連接的UDP協(xié)議已經(jīng)足夠，而且會(huì)使程序大幅簡(jiǎn)化。
2.2 串口接收中斷的處理
為了節(jié)省代碼空間，軟件未使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，例如μC/OS等，而是利用多個(gè)有了狀態(tài)機(jī)來(lái)控制程序的運(yùn)行。其中最重要的就是MODEM狀態(tài)機(jī)。MODEM可以處在兩個(gè)狀態(tài)：命令狀態(tài)和在線
狀態(tài)。當(dāng)處于命令狀態(tài)時(shí)，串行口接收MODEM的返回值信息。而當(dāng)微控制器進(jìn)行撥號(hào)命令之后，MODEM轉(zhuǎn)而處于在線狀態(tài)，此時(shí)微控制器與ISP直接連接，它們之間的通信要符合PPP報(bào)文協(xié)議。因此，串行口接收的是PPP報(bào)文。在本程序中，串口使用中斷接收模式，因此在串口接收中斷處理函數(shù)中，首先要判斷MODEM是處于命令狀態(tài)還是在線狀態(tài)。如果處于在線狀態(tài)，則要按照PPP報(bào)文格式處理。找到一個(gè)完整的PPP報(bào)文后則通知主循環(huán)處理。中斷處理程序的總體結(jié)構(gòu)如下：
void serial0() interrupt 4 using 2
{//串行口中斷處理函數(shù)
unsigned char c;
EA=0;
if(RI)
{
RI=0；
c=SBUF;//獲得串口數(shù)據(jù)
if(ModemState==COM)
ProModemCommand(c);//處于命令狀態(tài)
Else
ProPPPReceive(c);//處于在線狀態(tài)，尋找完整的PPP報(bào)文
}
}
3 PPP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
PPP（Point to Point Protocol）是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議中的一種，是目前應(yīng)用最廣的一種廣域網(wǎng)協(xié)議。PPP協(xié)議假定兩個(gè)對(duì)等實(shí)體間有一個(gè)雙向全雙工的連接，而且數(shù)據(jù)包按順序投遞，這正好符合串行口的通信方式。PPP協(xié)議不需要差錯(cuò)控制、排序和流量控制，易于實(shí)現(xiàn)，而且支持對(duì)多種高層協(xié)議（如IP、TCP、UDP）的復(fù)用。所以使用PPP撥號(hào)上網(wǎng)是微控制器實(shí)現(xiàn)Internet連接的最佳選擇。大部分的ISP也正是通過(guò)PPP協(xié)議提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的。
PPP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。串口中斷程序以包起始和結(jié)束符來(lái)判斷是否有完整的PPP包，并對(duì)PPP包的內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)以確定數(shù)據(jù)包的完整性和正確性。然后在主循環(huán)中進(jìn)入PPP報(bào)文解板模塊，在護(hù)號(hào)后初次與ISP通信階段，系統(tǒng)首先要與ISP進(jìn)行通信鏈路的協(xié)商，即協(xié)商點(diǎn)到點(diǎn)的各種鏈路參數(shù)配置。協(xié)商過(guò)程遵守LCP（Link Control Protocol）、PAP（Password Authentication Protocol）和IPCP（Internet Protocol Control Protocol）等協(xié)議。其中LCP協(xié)議用于建立、構(gòu)造、測(cè)試鏈路連接；PAP協(xié)議用于處理密碼驗(yàn)證部分；IPCP協(xié)議用于設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議環(huán)境，并分配IP地址。協(xié)商機(jī)制用有限狀態(tài)機(jī)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。一旦協(xié)商完成，鏈路已經(jīng)創(chuàng)建，IP地址已經(jīng)分配就可以按照協(xié)商的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行IP報(bào)文的傳輸了。根據(jù)應(yīng)用的不同，IP報(bào)文中可以攜帶UDP報(bào)文也可以是TCP或ICMP報(bào)文。本系統(tǒng)正是采用UDP報(bào)文傳送數(shù)據(jù)信息的。數(shù)據(jù)傳輸完成后，下位機(jī)會(huì)向ISP發(fā)送LCP的斷開連接報(bào)文以終止網(wǎng)絡(luò)連接。
值得注意的是，PPP報(bào)文、LCP、PAP、IP報(bào)文與UDP報(bào)文是互相嵌套的。即PPP報(bào)文中嵌入了IP報(bào)文和LCP、PAP等報(bào)文，而IP報(bào)文中嵌入了UDP報(bào)文。當(dāng)PPP報(bào)文的協(xié)議符為0021時(shí)表示嵌入了IP數(shù)據(jù)報(bào)，當(dāng)C021時(shí)表示嵌入LCP數(shù)據(jù)報(bào)，而為C023表示嵌入PAP數(shù)據(jù)報(bào)。PPP報(bào)文的基本解析過(guò)程如圖3（b）所示。
3.1 登錄ISP的協(xié)議協(xié)商過(guò)程
系統(tǒng)的難點(diǎn)之一是微控制器登陸ISP并與IISP的協(xié)商過(guò)程，其中需要應(yīng)用到LCP、PAP與IPCP協(xié)議。LCP、PAP與IPCP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)大同小異，最常用的是請(qǐng)求（REQ）、同意（ACK）和拒絕（NAK）三種幀。微控制器與ISP協(xié)商時(shí)，任何一方都可以發(fā)送REQ幀請(qǐng)求某方面的配制，另一方如果覺(jué)得配置不能接受會(huì)回應(yīng)NAK幀，如果可以接受則回應(yīng)ACK幀。為了節(jié)省資源，這里只處理這三種數(shù)據(jù)幀，其它鏈路問(wèn)題都由微控制器在程序控制下自己重新?lián)芴?hào)解決。各種配置選項(xiàng)協(xié)商好以后，PPP才可以成功登陸。
在撥號(hào)成功連接后，ISP首先返回一個(gè)PAPREQ數(shù)據(jù)幀，微控制器發(fā)送一個(gè)空LCP REQ幀以強(qiáng)迫ISP進(jìn)行協(xié)議協(xié)商階段；隨后ISP發(fā)送LCP設(shè)置幀，微控制器拒絕所有的設(shè)置并請(qǐng)求驗(yàn)證模式。ISP選擇CHAP或PAP方式驗(yàn)證，這里只接受PAP方式。然后進(jìn)行PAP驗(yàn)證用戶名和密碼過(guò)程，如果成功，ISP會(huì)返回IPCP報(bào)文設(shè)置IP地址。此時(shí)，就完成了與ISP的協(xié)商過(guò)程，可以通過(guò)向ISP發(fā)送IP報(bào)文的方式連接互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)了。協(xié)商過(guò)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。
3.2 IP與UDP報(bào)文的解析
協(xié)商完成后進(jìn)入IP數(shù)據(jù)報(bào)通信階段。此時(shí)，微控制器向ISP發(fā)送的所有包含IP報(bào)文的
PPP報(bào)文都會(huì)被ISP傳送給IP報(bào)文內(nèi)的相應(yīng)IP地址，而遠(yuǎn)端所有向微控制器IP地址發(fā)送的報(bào)文也都會(huì)經(jīng)ISP傳送到單片機(jī)，從而完成微控制器與遠(yuǎn)程主同通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。
為了使程序盡量簡(jiǎn)化，選用IP承載UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。在程序中實(shí)現(xiàn)IP與UDP報(bào)文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，向指定的主機(jī)IP地址發(fā)送UDP報(bào)文較易實(shí)現(xiàn)。但應(yīng)注意，在應(yīng)用層需要用戶實(shí)現(xiàn)自己的協(xié)議。例如對(duì)于遠(yuǎn)程讀表系統(tǒng)，要規(guī)定儀表的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；根據(jù)協(xié)議把相應(yīng)的儀表數(shù)據(jù)放入U(xiǎn)DP報(bào)文中，傳給主機(jī)；同時(shí)，主機(jī)也可以按照協(xié)議向單片機(jī)發(fā)送UDP報(bào)文�？梢岳肬DP報(bào)文的端口號(hào)，把不同的報(bào)文發(fā)送到不同的端口中以方便單片機(jī)的解析。
經(jīng)過(guò)優(yōu)化，本系統(tǒng)的軟件代碼可以精簡(jiǎn)到6K字節(jié)左右，共使用不到300字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于程序使用C語(yǔ)言編寫，稍加改到就可以在各種系列的微控制器上實(shí)現(xiàn)。微控制器通過(guò)MODEM撥號(hào)上網(wǎng)技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于需要遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，特別適合遠(yuǎn)程秒表、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域。
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