微控制器撥號上網(wǎng)的實(shí)現

微控制器（也稱(chēng)單片機）把所有常用的資源，如存儲器、模數轉換器、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)，廣泛應用于各種嵌入式系統中。隨著(zhù)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)傳送數據。但是實(shí)現單片機與互聯(lián)網(wǎng)通信的前提是需要在單片機上實(shí)現多種繁雜的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。而微控制器一般處理能力較低、程序存儲器和數據存儲器資源有限，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)現傳輸層與網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議（例如ＴＣＰ、ＩＰ協(xié)議）即可以上網(wǎng)。但其缺點(diǎn)是必須應用在已經(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。

本文針對微控制器上網(wǎng)的問(wèn)題，提出一種在微控制器中實(shí)現ＰＰＰ協(xié)議，并通過(guò)調制解調器（ＭＯＤＥＭ）連接到ＩＳＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｐｒｏｖｉｄｅｒ）實(shí)現上網(wǎng)的解決方案：微控制器控制ＭＯＤＥＭ撥號連接到ＩＳＰ上，然后根據ＰＰＰ協(xié)議（Ｐｏｉｎｔ ｔｏ Ｐｏｉｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）進(jìn)行通信協(xié)商、密碼認證等握手過(guò)程，如果成功就可以通過(guò)ＩＳＰ上網(wǎng)傳送數據。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于：（１）可以應用于任何覆蓋電話(huà)網(wǎng)的地區，適用于廣大偏遠地區；（２）硬件實(shí)現比較簡(jiǎn)單，程序比較短??；（３）只需外接電話(huà)線(xiàn)，安裝簡(jiǎn)便。

１ 硬件連接與底層驅動(dòng)

微控制器撥號上網(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準串行口和Ｉ／Ｏ總線(xiàn)與ＭＯＤＥＭ相連。為了使程序更為簡(jiǎn)化，在硬件設計中可以不使用ＭＯＤＥＭ的硬件握手信號。最終只需四根連接線(xiàn)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ＣＤ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｄｅｔｅｃｔ）和終端準備ＤＴＲ（Ｄａｔａ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｒｅａｄｙ）信號。ＣＤ信號可以檢測ＭＯＤＥＭ是處于數據傳送狀態(tài)還是ＡＴ命令傳送狀態(tài)。ＤＴＲ信號用來(lái)通知ＭＯＤＥＭ傳送工作已經(jīng)結束。微控制器的串行口和Ｉ／Ｏ口不能直接與標準ＭＯＤＥＭ相連，需要使用電壓轉換芯片，如ＭＡＸ２３２等，轉換為ＲＳ２３２標準。

為了方便軟件編程，需要針對硬件編寫(xiě)一些底層驅動(dòng)程序。首先是串行口的驅動(dòng)函數：打開(kāi)串口（ＯｐｅｎＣｏｍｍ）、關(guān)閉串口（ＣｌｏｓｅＣｏｍｍ）、讀串口數據（ＲｅａｄＣｏｍｍ）、寫(xiě)串口數據（ＷｒｉｔｅＣｏｍｍ）等。然后在這些串口函數的基礎上編寫(xiě)ＭＯＤＥＭ的驅動(dòng)函數。單片機通過(guò)串行口控制ＭＯＤＥＭ，進(jìn)行撥號、設置等操作?？刂品椒ú捎茫粒悦?，例如：ＡＴＤＴ命令用來(lái)?yè)芴?、ＡＴＶ命令控制ＭＯＤＥＭ返回值的格式等。在控制ＭＯＤＥＭ撥打ＩＳＰ的電?huà)號碼后，ＭＯＤＥＭ就轉入在線(xiàn)模式（Ｏｎ－Ｌｉｎｅ），此時(shí)微控制器向串行口發(fā)送的所有數據都會(huì )直接傳送給ＩＳＰ主機。同樣ＩＳＰ主機的回答也傳回微控制器的串行口?？梢哉f(shuō)此時(shí)的ＭＯＤＥＭ和電話(huà)線(xiàn)建立了一個(gè)從微控制器到ＩＳＰ的透明數據連接。當數據傳送完成需要斷開(kāi)連接時(shí)，微控制器通知ＭＯＤＥＭ結束會(huì )話(huà)，并從在線(xiàn)模式轉回普通的命令模式。這可以通過(guò)置高ＭＯＤＥＭ的ＤＴＲ線(xiàn)完成。同時(shí)，處于在線(xiàn)模式下微控制器也要不斷檢測ＣＤ線(xiàn)是否處于高電平，當線(xiàn)路由于異常斷開(kāi)時(shí)，ＣＤ線(xiàn)會(huì )回復到平常的低電平。根據這些操作，編寫(xiě)ＭＯＤＥＭ驅動(dòng)函數：（１）ＭＯＤＥＭ初始化函數（ＭｏｄｅｍＩｎｉｔ）；（２）撥號函數（ＭｏｄｅｍＤｉａｌ）；（３）斷開(kāi)與ＩＳＰ連接（ＭｏｄｅｍＨａｎｇＵｐ）；（４）檢測ＭＯＤＥＭ是否處于在線(xiàn)狀態(tài)（ＭｏｄｅｍＯｎＬｉｎｅ）等。 這些底層的驅動(dòng)函數將會(huì )使上層協(xié)議的編寫(xiě)很方便；更重要的是，它提供了一個(gè)硬件抽象層。當底層硬件改動(dòng)時(shí)，只需要對底層的驅動(dòng)函數改動(dòng)，而上層函數的代碼不變。

２ 軟件整體結構

２．１ 軟件層次結構

程序中的所有代碼都由Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)，采用分層結構，從底到上分別為：串口驅動(dòng)層、ＭＯＤＥＭ驅動(dòng)層、ＰＰＰ協(xié)議層、ＩＰ協(xié)議層、ＵＤＰ協(xié)議層與應用層。上層函數的實(shí)現需要應用到底層函數，而底層函數的任務(wù)就是為上層函數提供服務(wù)，最終完成應用層任務(wù)，傳送數據。各層的主要函數如圖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)大多數情況下使用無(wú)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

為了節省代碼空間，軟件未使用實(shí)時(shí)操作系統，例如μＣ／ＯＳ等，而是利用多個(gè)有限狀態(tài)機來(lái)控制程序的運行。其中最重要的就是ＭＯＤＥＭ狀態(tài)機。ＭＯＤＥＭ可以處在兩個(gè)狀態(tài)：命令狀態(tài)和在線(xiàn)狀態(tài)。當處于命令狀態(tài)時(shí)，串行口接收ＭＯＤＥＭ的返回值信息。而當微控制器進(jìn)行撥號命令之后，ＭＯＤＥＭ轉而處于在線(xiàn)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報文協(xié)議。因此，串行口接收的是ＰＰＰ報文。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中，首先要判斷ＭＯＤＥＭ是處于命令狀態(tài)還是在線(xiàn)狀態(tài)。如果處于在線(xiàn)狀態(tài)，則要按照ＰＰＰ報文格式處理。找到一個(gè)完整的ＰＰＰ報文后則通知主循環(huán)處理。中斷處理程序的總體結構如下：

ｖｏｉｄ ｓｅｒｉａｌ０（） ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ４ ｕｓｉｎｇ ２
{／／串行口中斷處理函數
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｃ；
ＥＡ ＝ ０；
ｉｆ（ＲＩ）　
{
ＲＩ ＝ ０；
ｃ ＝ ＳＢＵＦ；／／獲得串口數據
ｉｆ（ＭｏｄｅｍＳｔａｔｅ ＝＝ ＣＯＭ）　
ＰｒｏＭｏｄｅｍＣｏｍｍａｎｄ（ｃ）；／／處于命令狀態(tài)
ｅｌｓｅ
ＰｒｏＰＰＰＲｅｃｅｉｖｅ（ｃ）；／／處于在線(xiàn)狀態(tài)，尋找完整
的ＰＰＰ報文
}
}

３ ＰＰＰ協(xié)議的實(shí)現

ＰＰＰ（Ｐｏｉｎｔ ｔｏ Ｐｏｉｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）是數據鏈路層協(xié)議中的一種，是目前應用最廣的一種廣域網(wǎng)協(xié)議。ＰＰＰ協(xié)議假定兩個(gè)對等實(shí)體間有一個(gè)雙向全雙工的連接，而且數據包按順序投遞，這正好符合串行口的通信方式。ＰＰＰ協(xié)議不需要差錯控制、排序和流量控制，易于實(shí)現，而且支持對多種高層協(xié)議（如ＩＰ、ＴＣＰ、ＵＤＰ）的復用。所以使用ＰＰＰ撥號上網(wǎng)是微控制器實(shí)現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)議的幀結構如圖３（ａ）所示。串口中斷程序以包起始和結束符來(lái)判斷是否有完整的ＰＰＰ包，并對ＰＰＰ包的內容進(jìn)行校驗以確定數據包的完整性和正確性。然后在主循環(huán)中進(jìn)入ＰＰＰ報文解析模塊，在撥號后初次與ＩＳＰ通信階段，系統首先要與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、構造、測試鏈路連接；ＰＡＰ協(xié)議用于處理密碼驗證部分；ＩＰＣＰ協(xié)議用于設置網(wǎng)絡(luò )協(xié)議環(huán)境，并分配ＩＰ地址。協(xié)商機制用有限狀態(tài)機的模型來(lái)實(shí)現。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)商的標準進(jìn)行ＩＰ報文的傳輸了。根據應用的不同，ＩＰ報文中可以攜帶ＵＤＰ報文也可以是ＴＣＰ或ＩＣＭＰ報文。本系統正是采用ＵＤＰ報文傳送數據信息的。數據傳輸完成后，下位機會(huì )向ＩＳＰ發(fā)送ＬＣＰ的斷開(kāi)連接報文以終止網(wǎng)絡(luò )連接。

值得注意的是，ＰＰＰ報文、ＬＣＰ、ＰＡＰ、ＩＰ報文與ＵＤＰ報文是互相嵌套的。即ＰＰＰ報文中嵌入了ＩＰ報文和ＬＣＰ、ＰＡＰ等報文，而ＩＰ報文中嵌入了ＵＤＰ報文。當ＰＰＰ報文的協(xié)議符為００２１時(shí)表示嵌入了ＩＰ數據報，為Ｃ０２１時(shí)表示嵌入ＬＣＰ數據報，而為Ｃ０２３表示嵌入ＰＡＰ數據報。ＰＰＰ報文的基本解析過(guò)程如圖３（ｂ）所示。

３．１ 登錄ＩＳＰ的協(xié)議協(xié)商過(guò)程

系統的難點(diǎn)之一是微控制器登陸ＩＳＰ并與ＩＳＰ的協(xié)商過(guò)程，其中需要應用到ＬＣＰ、ＰＡＰ與ＩＰＣＰ協(xié)議。ＬＣＰ、ＰＡＰ與ＩＰＣＰ協(xié)議的幀結構大同小異，最常用的是請求（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ＮＡＫ幀，如果可以接受則回應ＡＣＫ幀。為了節省資源，這里只處理這三種數據幀，其它鏈路問(wèn)題都由微控制器在程序控制下自己重新?lián)芴柦鉀Q。各種配置選項協(xié)商好以后，ＰＰＰ才可以成功登陸。

在撥號成功連接后，ＩＳＰ首先返回一個(gè)ＰＡＰ ＲＥＱ數據幀，微控制器發(fā)送一個(gè)空ＬＣＰ ＲＥＱ幀以強迫ＩＳＰ進(jìn)行協(xié)議協(xié)商階段；隨后ＩＳＰ發(fā)送ＬＣＰ設置幀，微控制器拒絕所有的設置并請求驗證模式。ＩＳＰ選擇ＣＨＡＰ或ＰＡＰ方式驗證，這里只接受ＰＡＰ方式。然后進(jìn)行ＰＡＰ驗證用戶(hù)名和密碼過(guò)程，如果成功，ＩＳＰ會(huì )返回ＩＰＣＰ報文設置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報文的方式連接互聯(lián)網(wǎng)傳送數據了。協(xié)商過(guò)程的狀態(tài)轉換圖如圖４所示。

３．２ ＩＰ與ＵＤＰ報文的解析

協(xié)商完成后進(jìn)入ＩＰ數據報通信階段。此時(shí)，微控制器向ＩＳＰ發(fā)送的所有包含ＩＰ報文的ＰＰＰ報文都會(huì )被ＩＳＰ傳送給ＩＰ報文內的相應ＩＰ地址，而遠端所有向微控制器ＩＰ地址發(fā)送的報文也都會(huì )經(jīng)ＩＳＰ傳送到單片機，從而完成微控制器與遠程主機通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的數據傳輸。 為了使程序盡量簡(jiǎn)化，選用ＩＰ承載ＵＤＰ協(xié)議發(fā)送數據。在程序中實(shí)現ＩＰ與ＵＤＰ報文的數據結構，向指定的主機ＩＰ地址發(fā)送ＵＤＰ報文較易實(shí)現。但應注意，在應用層需要用戶(hù)實(shí)現自己的協(xié)議。例如對于遠程讀表系統，要規定儀表的數據傳輸協(xié)議；根據協(xié)議把相應的儀表數據放入ＵＤＰ報文中，傳給主機；同時(shí)，主機也可以按照協(xié)議向單片機發(fā)送ＵＤＰ報文?？梢岳茫眨模袌笪牡亩丝谔?，把不同的報文發(fā)送到不同的端口中以方便單片機的解析。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，本系統的軟件代碼可以精簡(jiǎn)到６Ｋ字節左右，共使用不到３００字節的數據存儲器。由于程序使用Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)，稍加改動(dòng)就可以在各種系列的微控制器上實(shí)現。微控制器通過(guò)ＭＯＤＥＭ撥號上網(wǎng)技術(shù)，可以廣泛應用于需要遠程傳送數據的系統中，特別適合遠程抄表、遠程監控等領(lǐng)域。