微控制器撥號(hào)上網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

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)，并通過互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。但是實(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。而微控制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）即可以上網(wǎng)。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)的問題，提出一種在微控制器中實(shí)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(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(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。

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 Ｔｅｒｍｉｎａｌ 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)。ＤＴＲ信號(hào)用來通知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)通過串行口控制ＭＯＤＥＭ，進(jìn)行撥號(hào)、設(shè)置等操作。控制方法采用ＡＴ命令，例如：ＡＴＤＴ命令用來撥號(hào)、ＡＴＶ命令控制ＭＯＤＥＭ返回值的格式等。在控制ＭＯＤＥＭ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器的串行口?？梢哉f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。這可以通過置高ＭＯＤＥＭ的ＤＴＲ線完成。同時(shí)，處于在線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)函數(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)有限狀態(tài)機(jī)來控制程序的運(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)文解析模塊，在撥號(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)的模型來實(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)，為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(diǎn)之一是微控制器登陸ＩＳＰ并與ＩＳＰ的協(xié)商過程，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)ＰＡＰ ＲＥＱ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)商過程，可以通過向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)程主機(jī)通過互聯(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ＵＤＰ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茫眨模袌?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語言編寫，稍加改動(dòng)就可以在各種系列的微控制器上實(shí)現(xiàn)。微控制器通過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)程抄表、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域。