微控制器撥號上網的實現

微控制器（也稱單片機）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中。隨著互聯網（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）的興起與普及，使微控制器也接入到互聯網，并通過互聯網傳送數據。但是實現單片機與互聯網通信的前提是需要在單片機上實現多種繁雜的互聯網協議。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變得非常困難。目前，一般采用微控制器直接驅動網卡芯片的方案。網卡芯片封裝了底層的以太網協議（如ＩＥＥＥ８０２．３），微控制器只需控制網卡芯片并實現傳輸層與網絡層協議（例如ＴＣＰ、ＩＰ協議）即可以上網。但其缺點是必須應用在已經擁有局域網的地方，且網卡芯片（例如ＲＴＬ８０１９等）價格不菲。

本文針對微控制器上網的問題，提出一種在微控制器中實現ＰＰＰ協議，并通過調制解調器（ＭＯＤＥＭ）連接到ＩＳＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｐｒｏｖｉｄｅｒ）實現上網的解決方案：微控制器控制ＭＯＤＥＭ撥號連接到ＩＳＰ上，然后根據ＰＰＰ協議（Ｐｏｉｎｔ ｔｏ Ｐｏｉｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）進行通信協商、密碼認證等握手過程，如果成功就可以通過ＩＳＰ上網傳送數據。這種方案的優點在于：（１）可以應用于任何覆蓋電話網的地區，適用于廣大偏遠地區；（２）硬件實現比較簡單，程序比較短小；（３）只需外接電話線，安裝簡便。

１ 硬件連接與底層驅動

微控制器撥號上網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還是ＡＴ命令傳送狀態。ＤＴＲ信號用來通知ＭＯＤＥＭ傳送工作已經結束。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：打開串口（ＯｐｅｎＣｏｍｍ）、關閉串口（ＣｌｏｓｅＣｏｍｍ）、讀串口數據（ＲｅａｄＣｏｍｍ）、寫串口數據（ＷｒｉｔｅＣｏｍｍ）等。然后在這些串口函數的基礎上編寫ＭＯＤＥＭ的驅動函數。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。在控制ＭＯＤＥＭ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送的所有數據都會直接傳送給ＩＳＰ主機。同樣ＩＳＰ主機的回答也傳回微控制器的串行口。可以說此時的ＭＯＤＥＭ和電話線建立了一個從微控制器到ＩＳＰ的透明數據連接。當數據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，處于在線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。根據這些操作，編寫ＭＯＤＥＭ驅動函數：（１）ＭＯＤＥＭ初始化函數（ＭｏｄｅｍＩｎｉｔ）；（２）撥號函數（ＭｏｄｅｍＤｉａｌ）；（３）斷開與ＩＳＰ連接（ＭｏｄｅｍＨａｎｇＵｐ）；（４）檢測ＭＯＤＥＭ是否處于在線狀態（ＭｏｄｅｍＯｎＬｉｎｅ）等。 這些底層的驅動函數將會使上層協議的編寫很方便；更重要的是，它提供了一個硬件抽象層。當底層硬件改動時，只需要對底層的驅動函數改動，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協議層、ＩＰ協議層、ＵＤＰ協議層與應用層。上層函數的實現需要應用到底層函數，而底層函數的任務就是為上層函數提供服務，最終完成應用層任務，傳送數據。各層的主要函數如圖２所示。

可以看出，為了盡量簡化，在傳輸層使用了ＵＤＰ協議而非ＴＣＰ協議。其實大多數情況下使用無連接的ＵＤＰ協議已經足夠，而且會使程序大幅簡化。

２．２ 串口接收中斷的處理

為了節省代碼空間，軟件未使用實時操作系統，例如μＣ／ＯＳ等，而是利用多個有限狀態機來控制程序的運行。其中最重要的就是ＭＯＤＥＭ狀態機。ＭＯＤＥＭ可以處在兩個狀態：命令狀態和在線狀態。當處于命令狀態時，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，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是處于命令狀態還是在線狀態。如果處于在線狀態，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
ｅｌｓｅ
ＰｒｏＰＰＰＲｅｃｅｉｖｅ（ｃ）；／／處于在線狀態，尋找完整
的ＰＰＰ報文
}
}

３ ＰＰＰ協議的實現

ＰＰＰ（Ｐｏｉｎｔ ｔｏ Ｐｏｉｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）是數據鏈路層協議中的一種，是目前應用最廣的一種廣域網協議。ＰＰＰ協議假定兩個對等實體間有一個雙向全雙工的連接，而且數據包按順序投遞，這正好符合串行口的通信方式。ＰＰＰ協議不需要差錯控制、排序和流量控制，易于實現，而且支持對多種高層協議（如ＩＰ、ＴＣＰ、ＵＤＰ）的復用。所以使用ＰＰＰ撥號上網是微控制器實現Ｉｎｔｅｒｎｅｔ連接的最佳選擇。大部分的ＩＳＰ也正是通過ＰＰＰ協議提供網絡服務的。

ＰＰＰ協議的幀結構如圖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包的內容進行校驗以確定數據包的完整性和正確性。然后在主循環中進入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進行通信鏈路的協商，即協商點到點的各種鏈路參數配置。協商過程遵守ＬＣＰ（Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）、ＰＡＰ（Ｐａｓｓｗｏｒｄ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）和ＩＰＣＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）等協議。其中ＬＣＰ協議用于建立、構造、測試鏈路連接；ＰＡＰ協議用于處理密碼驗證部分；ＩＰＣＰ協議用于設置網絡協議環境，并分配ＩＰ地址。協商機制用有限狀態機的模型來實現。一旦協商完成，鏈路已經創建，ＩＰ地址已經分配就可以按照協商的標準進行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，下位機會向ＩＳＰ發送ＬＣＰ的斷開連接報文以終止網絡連接。

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報文的協議符為００２１時表示嵌入了ＩＰ數據報，為Ｃ０２１時表示嵌入ＬＣＰ數據報，而為Ｃ０２３表示嵌入ＰＡＰ數據報。ＰＰＰ報文的基本解析過程如圖３（ｂ）所示。

３．１ 登錄ＩＳＰ的協議協商過程

系統的難點之一是微控制器登陸ＩＳＰ并與ＩＳＰ的協商過程，其中需要應用到ＬＣＰ、ＰＡＰ與ＩＰＣＰ協議。ＬＣＰ、ＰＡＰ與ＩＰＣＰ協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協商時，任何一方都可以發送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。為了節省資源，這里只處理這三種數據幀，其它鏈路問題都由微控制器在程序控制下自己重新撥號解決。各種配置選項協商好以后，ＰＰＰ才可以成功登陸。

在撥號成功連接后，ＩＳＰ首先返回一個ＰＡＰ ＲＥＱ數據幀，微控制器發送一個空ＬＣＰ ＲＥＱ幀以強迫ＩＳＰ進行協議協商階段；隨后ＩＳＰ發送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的協商過程，可以通過向ＩＳＰ發送ＩＰ報文的方式連接互聯網傳送數據了。協商過程的狀態轉換圖如圖４所示。

３．２ ＩＰ與ＵＤＰ報文的解析

協商完成后進入ＩＰ數據報通信階段。此時，微控制器向ＩＳＰ發送的所有包含ＩＰ報文的ＰＰＰ報文都會被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地址發送的報文也都會經ＩＳＰ傳送到單片機，從而完成微控制器與遠程主機通過互聯網的數據傳輸。 為了使程序盡量簡化，選用ＩＰ承載ＵＤＰ協議發送數據。在程序中實現ＩＰ與ＵＤＰ報文的數據結構，向指定的主機ＩＰ地址發送ＵＤＰ報文較易實現。但應注意，在應用層需要用戶實現自己的協議。例如對于遠程讀表系統，要規定儀表的數據傳輸協議；根據協議把相應的儀表數據放入ＵＤＰ報文中，傳給主機；同時，主機也可以按照協議向單片機發送ＵＤＰ報文。可以利用ＵＤＰ報文的端口號，把不同的報文發送到不同的端口中以方便單片機的解析。

經過優化，本系統的軟件代碼可以精簡到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語言編寫，稍加改動就可以在各種系列的微控制器上實現。微控制器通過ＭＯＤＥＭ撥號上網技術，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、遠程監控等領域。