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微控制器撥號上網(wǎng)的實現(xiàn)
摘要：介紹了一種在微控制器（單片機）上實現(xiàn)PPP協(xié)議，并使其通過ISP連入Internet的方法。分析了PPP協(xié)議，論述了軟件系統(tǒng)的層次結構和實現(xiàn)難點，重點介紹了協(xié)議的簡化方法以適應單片機有限的存儲資源。關鍵詞：PPP 微控制器 單片機上網(wǎng) 調(diào)制解調(diào)器
微控制器（也稱單片機）把所有常用的資源，如存儲器、模數(shù)轉換器、通用輸入輸出口、定時器等，與CPU集成在一個芯片上，具有體積小、功耗低、使用方便的特點，廣泛應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)，并通過互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。便是實現(xiàn)單片機與互聯(lián)網(wǎng)通信的前提是需要在單片機上實現(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、程序存儲器和數(shù)據(jù)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)卡芯片并實現(xiàn)傳輸層與網(wǎng)絡層協(xié)議（例如TCP、IP協(xié)議）即可以上層。但其缺點是必須應用在已經(jīng)擁有局域網(wǎng)的地方，且網(wǎng)卡芯片（例如RTL8019等）價格不菲。
本文針對微控制器上網(wǎng)的問題，提出一種大微控制器中實現(xiàn)PPP協(xié)議，并通過調(diào)制解調(diào)器（MODEM）連接到ISP（Internet Service Provider）實現(xiàn)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(jù)PPP協(xié)議（Point to Point Protocol）進行通信協(xié)商、密碼認證等握手過程，如果成功就可以通過ISP上網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。這種方案的優(yōu)點在于：（1）可以應用于任何覆蓋電話網(wǎng)的地區(qū)，適用于廣大偏遠地區(qū)；（2）硬件實現(xiàn)比較簡單，程序比較短�。唬�3）只需外接電話線，安裝簡便。
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1 硬件連接與底層驅動
微控制器撥號上網(wǎng)解決方案中的硬件連接非常簡單，只需使用微控制器的標準串行口和I/O總線與MODEM相連。為了使程序更為簡化，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來控制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 Aerminal Ready）信號。CD信號可以檢測MODEM是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是AT命令傳送狀態(tài)。DRT信號用來通知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，需要針對硬件編寫一些底層驅動程序。首先是串行口的驅動函數(shù)：打開串口（OpenComm）、關閉串口（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)的基礎上編寫MODEM的驅動函數(shù)。單片機通過串行口控制MODEM，進行撥號、設置等操作。控制方法采用AT命令，例如：ATDT命令用來撥號、ATV命令控制MODEM返回值的格式等�？刂芃ODEM撥打ISP的電話號碼后，MODEM就轉入在線模式（On-Line），此時微控制器向串行口發(fā)送的所有數(shù)據(jù)都會直接傳送給ISP主機。同樣ISP主機的回答也傳回微控制的串行口。可以說此時的MODEM和電話線建立了一個從微控制器到ISP的透明數(shù)據(jù)連接。當數(shù)據(jù)傳送完成需要斷開連接時，微控制器通知MODEM結束會話，并從在線模式轉回普通的命令模式。這可以通過置高MODEM的DTR線完成。同時，處于在模式下微控制器也要不斷檢測CD線是否處于高電平，當線路由于異常斷開時，CD線會回復到平常的低電平。根據(jù)這些操作，編寫MODEM驅動函數(shù)：（1）MODEM初始化函數(shù)（ModemInit）；（2）撥號函數(shù)（ModemDial）；（3）斷開與ISP連接（ModemHangUp）；（4）檢測MODEM是否處于在線狀態(tài)（ModemOnLine）等。
這些底層的驅動函數(shù)將會使上層協(xié)議的編寫很方便；更重要的是，它提供了一個硬件抽象層。當?shù)讓佑布膭訒r，只需要對底層的驅動數(shù)改動，而上層函數(shù)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語言編寫，采用分層結構，從底到上分別為：串口驅動層、MODEM驅動層、PPP協(xié)議層、IP協(xié)議層、UDP協(xié)議層與應用層。上層函數(shù)的實現(xiàn)需要應用到底層函數(shù)，而底層函數(shù)的任務就是為上層函數(shù)提供服務，最終完成應用層任務，傳送數(shù)據(jù)。各層的主要函數(shù)如圖2所示。
可以看出，為了盡量簡化，在傳輸層使用了UDP協(xié)議而非TCP協(xié)議。其實大多數(shù)情況下使用無線連接的UDP協(xié)議已經(jīng)足夠，而且會使程序大幅簡化。
2.2 串口接收中斷的處理
為了節(jié)省代碼空間，軟件未使用實時操作系統(tǒng)，例如μC/OS等，而是利用多個有了狀態(tài)機來控制程序的運行。其中最重要的就是MODEM狀態(tài)機。MODEM可以處在兩個狀態(tài)：命令狀態(tài)和在線
狀態(tài)。當處于命令狀態(tài)時，串行口接收MODEM的返回值信息。而當微控制器進行撥號命令之后，MODEM轉而處于在線狀態(tài)，此時微控制器與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(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報文格式處理。找到一個完整的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(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報文
}
}
3 PPP協(xié)議的實現(xiàn)
PPP（Point to Point Protocol）是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議中的一種，是目前應用最廣的一種廣域網(wǎng)協(xié)議。PPP協(xié)議假定兩個對等實體間有一個雙向全雙工的連接，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)議不需要差錯控制、排序和流量控制，易于實現(xiàn)，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)是微控制器實現(xiàn)Internet連接的最佳選擇。大部分的ISP也正是通過PPP協(xié)議提供網(wǎng)絡服務的。
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判斷是否有完整的PPP包，并對PPP包的內(nèi)容進行校驗以確定數(shù)據(jù)包的完整性和正確性。然后在主循環(huán)中進入PPP報文解板模塊，在護號后初次與ISP通信階段，系統(tǒng)首先要與ISP進行通信鏈路的協(xié)商，即協(xié)商點到點的各種鏈路參數(shù)配置。協(xié)商過程遵守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)絡協(xié)議環(huán)境，并分配IP地址。協(xié)商機制用有限狀態(tài)機模型來實現(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)商的標準進行IP報文的傳輸了。根據(jù)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(tǒng)正是采用UDP報文傳送數(shù)據(jù)信息的。數(shù)據(jù)傳輸完成后，下位機會向ISP發(fā)送LCP的斷開連接報文以終止網(wǎng)絡連接。
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時表示嵌入了IP數(shù)據(jù)報，當C021時表示嵌入LCP數(shù)據(jù)報，而為C023表示嵌入PAP數(shù)據(jù)報。PPP報文的基本解析過程如圖3（b）所示。
3.1 登錄ISP的協(xié)議協(xié)商過程
系統(tǒng)的難點之一是微控制器登陸ISP并與IISP的協(xié)商過程，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，任何一方都可以發(fā)送REQ幀請求某方面的配制，另一方如果覺得配置不能接受會回應NAK幀，如果可以接受則回應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PAPREQ數(shù)據(jù)幀，微控制器發(fā)送一個空LCP REQ幀以強迫ISP進行協(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。然后進行PAP驗證用戶名和密碼過程，如果成功，ISP會返回IPCP報文設置IP地址。此時，就完成了與ISP的協(xié)商過程，可以通過向ISP發(fā)送IP報文的方式連接互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)了。協(xié)商過程的狀態(tài)轉換圖如圖4所示。
3.2 IP與UDP報文的解析
協(xié)商完成后進入IP數(shù)據(jù)報通信階段。此時，微控制器向ISP發(fā)送的所有包含IP報文的
PPP報文都會被ISP傳送給IP報文內(nèi)的相應IP地址，而遠端所有向微控制器IP地址發(fā)送的報文也都會經(jīng)ISP傳送到單片機，從而完成微控制器與遠程主同通過互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。
為了使程序盡量簡化，選用IP承載UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。在程序中實現(xiàn)IP與UDP報文的數(shù)據(jù)結構，向指定的主機IP地址發(fā)送UDP報文較易實現(xiàn)。但應注意，在應用層需要用戶實現(xiàn)自己的協(xié)議。例如對于遠程讀表系統(tǒng)，要規(guī)定儀表的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；根據(jù)協(xié)議把相應的儀表數(shù)據(jù)放入UDP報文中，傳給主機；同時，主機也可以按照協(xié)議向單片機發(fā)送UDP報文。可以利用UDP報文的端口號，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)過優(yōu)化，本系統(tǒng)的軟件代碼可以精簡到6K字節(jié)左右，共使用不到300字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。由于程序使用C語言編寫，稍加改到就可以在各種系列的微控制器上實現(xiàn)。微控制器通過MODEM撥號上網(wǎng)技術，可以廣泛應用于需要遠程傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，特別適合遠程秒表、遠程監(jiān)控等領域。
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