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(guò)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(wèn)題，提出一種在微控制器中實(shí)現(xiàn)ＰＰＰ協(xié)議，并通過(guò)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(guò)程，如果成功就可以通過(guò)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(lái)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(lái)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(xiě)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(kāi)串口（ＯｐｅｎＣｏｍｍ）、關(guān)閉串口（ＣｌｏｓｅＣｏｍｍ）、讀串口數(shù)據(jù)（ＲｅａｄＣｏｍｍ）、寫(xiě)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(xiě)ＭＯＤＥＭ的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。單片機(jī)通過(guò)串行口控制ＭＯＤＥＭ，進(jìn)行撥號(hào)、設(shè)置等操作?？刂品椒ú捎茫粒悦睿纾海粒裕模悦钣脕?lái)?yè)芴?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。可以說(shuō)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(xiě)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(kāi)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(xiě)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(yǔ)言編寫(xiě)，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。

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(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(tǒng)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(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(jué)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(wèn)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(guò)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(guò)程，可以通過(guò)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(guò)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖４所示。