微控制器拨号上网的实现

作者：时间：2012-04-11来源：网络收藏

微控制器（也称单片机）把所有常用的资源，如存储器、模数转换器、通用输入输出口、定时器等，与ＣＰＵ集成在一个芯片上，具有体积小、功耗低、使用方便的特点，广泛应用于各种嵌入式系统中。随着互联网（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）的兴起与普及，使微控制器也接入到互联网，并通过互联网传送数据。但是实现单片机与互联网通信的前提是需要在单片机上实现多种繁杂的互联网协议。而微控制器一般处理能力较低、程序存储器和数据存储器资源有限，这就使微控制器上网变得非常困难。目前，一般采用微控制器直接驱动网卡芯片的方案。网卡芯片封装了底层的以太网协议（如ＩＥＥＥ８０２．３），微控制器只需控制网卡芯片并实现传输层与网络层协议（例如ＴＣＰ、ＩＰ协议）即可以上网。但其缺点是必须应用在已经拥有局域网的地方，且网卡芯片（例如ＲＴＬ８０１９等）价格不菲。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/149254.htm

本文针对微控制器上网的问题，提出一种在微控制器中实现ＰＰＰ协议，并通过调制解调器（ＭＯＤＥＭ）连接到ＩＳＰ（ＩｎｔｅｒｎｅｔＳｅｒｖｉｃｅＰｒｏｖｉｄｅｒ）实现上网的解决方案：微控制器控制ＭＯＤＥＭ拨号连接到ＩＳＰ上，然后根据ＰＰＰ协议（ＰｏｉｎｔｔｏＰｏｉｎｔＰｒｏｔｏｃｏｌ）进行通信协商、密码认证等握手过程，如果成功就可以通过ＩＳＰ上网传送数据。这种方案的优点在于：（１）可以应用于任何覆盖电话网的地区，适用于广大偏远地区；（２）硬件实现比较简单，程序比较短小；（３）只需外接电话线，安装简便。

１硬件连接与底层驱动

微控制器拨号上网解决方案中的硬件连接非常简单，只需使用微控制器的标准串行口和Ｉ／Ｏ总线与ＭＯＤＥＭ相连。为了使程序更为简化，在硬件设计中可以不使用ＭＯＤＥＭ的硬件握手信号。最终只需四根连接线来控制ＭＯＤＥＭ（如图１所示）：串口发送（ＴＸＤ）、串口接收（ＲＸＤ）、载波检测ＣＤ（ＣａｒｒｉｅｒＤｅｔｅｃｔ）和终端准备ＤＴＲ（ＤａｔａＴｅｒｍｉｎａｌＲｅａｄｙ）信号。ＣＤ信号可以检测ＭＯＤＥＭ是处于数据传送状态还是ＡＴ命令传送状态。ＤＴＲ信号用来通知ＭＯＤＥＭ传送工作已经结束。微控制器的串行口和Ｉ／Ｏ口不能直接与标准ＭＯＤＥＭ相连，需要使用电压转换芯片，如ＭＡＸ２３２等，转换为ＲＳ２３２标准。

为了方便软件编程，需要针对硬件编写一些底层驱动程序。首先是串行口的驱动函数：打开串口（ＯｐｅｎＣｏｍｍ）、关闭串口（ＣｌｏｓｅＣｏｍｍ）、读串口数据（ＲｅａｄＣｏｍｍ）、写串口数据（ＷｒｉｔｅＣｏｍｍ）等。然后在这些串口函数的基础上编写ＭＯＤＥＭ的驱动函数。单片机通过串行口控制ＭＯＤＥＭ，进行拨号、设置等操作。控制方法采用ＡＴ命令，例如：ＡＴＤＴ命令用来拨号、ＡＴＶ命令控制ＭＯＤＥＭ返回值的格式等。在控制ＭＯＤＥＭ拨打ＩＳＰ的电话号码后，ＭＯＤＥＭ就转入在线模式（Ｏｎ－Ｌｉｎｅ），此时微控制器向串行口发送的所有数据都会直接传送给ＩＳＰ主机。同样ＩＳＰ主机的回答也传回微控制器的串行口。可以说此时的ＭＯＤＥＭ和电话线建立了一个从微控制器到ＩＳＰ的透明数据连接。当数据传送完成需要断开连接时，微控制器通知ＭＯＤＥＭ结束会话，并从在线模式转回普通的命令模式。这可以通过置高ＭＯＤＥＭ的ＤＴＲ线完成。同时，处于在线模式下微控制器也要不断检测ＣＤ线是否处于高电平，当线路由于异常断开时，ＣＤ线会回复到平常的低电平。根据这些操作，编写ＭＯＤＥＭ驱动函数：（１）ＭＯＤＥＭ初始化函数（ＭｏｄｅｍＩｎｉｔ）；（２）拨号函数（ＭｏｄｅｍＤｉａｌ）；（３）断开与ＩＳＰ连接（ＭｏｄｅｍＨａｎｇＵｐ）；（４）检测ＭＯＤＥＭ是否处于在线状态（ＭｏｄｅｍＯｎＬｉｎｅ）等。这些底层的驱动函数将会使上层协议的编写很方便；更重要的是，它提供了一个硬件抽象层。当底层硬件改动时，只需要对底层的驱动函数改动，而上层函数的代码不变。

２软件整体结构

２．１软件层次结构

程序中的所有代码都由Ｃ语言编写，采用分层结构，从底到上分别为：串口驱动层、ＭＯＤＥＭ驱动层、ＰＰＰ协议层、ＩＰ协议层、ＵＤＰ协议层与应用层。上层函数的实现需要应用到底层函数，而底层函数的任务就是为上层函数提供服务，最终完成应用层任务，传送数据。各层的主要函数如图２所示。

可以看出，为了尽量简化，在传输层使用了ＵＤＰ协议而非ＴＣＰ协议。其实大多数情况下使用无连接的ＵＤＰ协议已经足够，而且会使程序大幅简化。

２．２串口接收中断的处理

为了节省代码空间，软件未使用实时操作系统，例如μＣ／ＯＳ等，而是利用多个有限状态机来控制程序的运行。其中最重要的就是ＭＯＤＥＭ状态机。ＭＯＤＥＭ可以处在两个状态：命令状态和在线状态。当处于命令状态时，串行口接收ＭＯＤＥＭ的返回值信息。而当微控制器进行拨号命令之后，ＭＯＤＥＭ转而处于在线状态，此时微控制器与ＩＳＰ直接连接，它们之间的通信要符合ＰＰＰ报文协议。因此，串行口接收的是ＰＰＰ报文。在本程序中，串口使用中断接收模式，因此在串口接收中断处理函数中，首先要判断ＭＯＤＥＭ是处于命令状态还是在线状态。如果处于在线状态，则要按照ＰＰＰ报文格式处理。找到一个完整的ＰＰＰ报文后则通知主循环处理。中断处理程序的总体结构如下：

ｖｏｉｄｓｅｒｉａｌ０（）ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ４ｕｓｉｎｇ２
{／／串行口中断处理函数
ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｃ；
ＥＡ＝０；
ｉｆ（ＲＩ）　
{
ＲＩ＝０；
ｃ＝ＳＢＵＦ；／／获得串口数据
ｉｆ（ＭｏｄｅｍＳｔａｔｅ＝＝ＣＯＭ）　
ＰｒｏＭｏｄｅｍＣｏｍｍａｎｄ（ｃ）；／／处于命令状态
ｅｌｓｅ
ＰｒｏＰＰＰＲｅｃｅｉｖｅ（ｃ）；／／处于在线状态，寻找完整
的ＰＰＰ报文
}
}

３ＰＰＰ协议的实现

ＰＰＰ（ＰｏｉｎｔｔｏＰｏｉｎｔＰｒｏｔｏｃｏｌ）是数据链路层协议中的一种，是目前应用最广的一种广域网协议。ＰＰＰ协议假定两个对等实体间有一个双向全双工的连接，而且数据包按顺序投递，这正好符合串行口的通信方式。ＰＰＰ协议不需要差错控制、排序和流量控制，易于实现，而且支持对多种高层协议（如ＩＰ、ＴＣＰ、ＵＤＰ）的复用。所以使用ＰＰＰ拨号上网是微控制器实现Ｉｎｔｅｒｎｅｔ连接的最佳选择。大部分的ＩＳＰ也正是通过ＰＰＰ协议提供网络服务的。

ＰＰＰ协议的帧结构如图３（ａ）所示。串口中断程序以包起始和结束符来判断是否有完整的ＰＰＰ包，并对ＰＰＰ包的内容进行校验以确定数据包的完整性和正确性。然后在主循环中进入ＰＰＰ报文解析模块，在拨号后初次与ＩＳＰ通信阶段，系统首先要与ＩＳＰ进行通信链路的协商，即协商点到点的各种链路参数配置。协商过程遵守ＬＣＰ（ＬｉｎｋＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｃｏｌ）、ＰＡＰ（ＰａｓｓｗｏｒｄＡｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌ）和ＩＰＣＰ（ＩｎｔｅｒｎｅｔＰｒｏｔｏｃｏｌＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｃｏｌ）等协议。其中ＬＣＰ协议用于建立、构造、测试链路连接；ＰＡＰ协议用于处理密码验证部分；ＩＰＣＰ协议用于设置网络协议环境，并分配ＩＰ地址。协商机制用有限状态机的模型来实现。一旦协商完成，链路已经创建，ＩＰ地址已经分配就可以按照协商的标准进行ＩＰ报文的传输了。根据应用的不同，ＩＰ报文中可以携带ＵＤＰ报文也可以是ＴＣＰ或ＩＣＭＰ报文。本系统正是采用ＵＤＰ报文传送数据信息的。数据传输完成后，下位机会向ＩＳＰ发送ＬＣＰ的断开连接报文以终止网络连接。

值得注意的是，ＰＰＰ报文、ＬＣＰ、ＰＡＰ、ＩＰ报文与ＵＤＰ报文是互相嵌套的。即ＰＰＰ报文中嵌入了ＩＰ报文和ＬＣＰ、ＰＡＰ等报文，而ＩＰ报文中嵌入了ＵＤＰ报文。当ＰＰＰ报文的协议符为００２１时表示嵌入了ＩＰ数据报，为Ｃ０２１时表示嵌入ＬＣＰ数据报，而为Ｃ０２３表示嵌入ＰＡＰ数据报。ＰＰＰ报文的基本解析过程如图３（ｂ）所示。

３．１登录ＩＳＰ的协议协商过程

系统的难点之一是微控制器登陆ＩＳＰ并与ＩＳＰ的协商过程，其中需要应用到ＬＣＰ、ＰＡＰ与ＩＰＣＰ协议。ＬＣＰ、ＰＡＰ与ＩＰＣＰ协议的帧结构大同小异，最常用的是请求（ＲＥＱ）、同意（ＡＣＫ）和拒绝（ＮＡＫ）三种帧。微控制器与ＩＳＰ协商时，任何一方都可以发送ＲＥＱ帧请求某方面的配制，另一方如果觉得配置不能接受会回应ＮＡＫ帧，如果可以接受则回应ＡＣＫ帧。为了节省资源，这里只处理这三种数据帧，其它链路问题都由微控制器在程序控制下自己重新拨号解决。各种配置选项协商好以后，ＰＰＰ才可以成功登陆。

在拨号成功连接后，ＩＳＰ首先返回一个ＰＡＰＲＥＱ数据帧，微控制器发送一个空ＬＣＰＲＥＱ帧以强迫ＩＳＰ进行协议协商阶段；随后ＩＳＰ发送ＬＣＰ设置帧，微控制器拒绝所有的设置并请求验证模式。ＩＳＰ选择ＣＨＡＰ或ＰＡＰ方式验证，这里只接受ＰＡＰ方式。然后进行ＰＡＰ验证用户名和密码过程，如果成功，ＩＳＰ会返回ＩＰＣＰ报文设置ＩＰ地址。此时，就完成了与ＩＳＰ的协商过程，可以通过向ＩＳＰ发送ＩＰ报文的方式连接互联网传送数据了。协商过程的状态转换图如图４所示。

３．２ＩＰ与ＵＤＰ报文的解析

协商完成后进入ＩＰ数据报通信阶段。此时，微控制器向ＩＳＰ发送的所有包含ＩＰ报文的ＰＰＰ报文都会被ＩＳＰ传送给ＩＰ报文内的相应ＩＰ地址，而远端所有向微控制器ＩＰ地址发送的报文也都会经ＩＳＰ传送到单片机，从而完成微控制器与远程主机通过互联网的数据传输。为了使程序尽量简化，选用ＩＰ承载ＵＤＰ协议发送数据。在程序中实现ＩＰ与ＵＤＰ报文的数据结构，向指定的主机ＩＰ地址发送ＵＤＰ报文较易实现。但应注意，在应用层需要用户实现自己的协议。例如对于远程读表系统，要规定仪表的数据传输协议；根据协议把相应的仪表数据放入ＵＤＰ报文中，传给主机；同时，主机也可以按照协议向单片机发送ＵＤＰ报文。可以利用ＵＤＰ报文的端口号，把不同的报文发送到不同的端口中以方便单片机的解析。