摘? 要: 介紹了一種在微控制器" title="微控制器">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(jié)構(gòu)和實現(xiàn)難點,重點介紹了協(xié)議的簡化方法以適應(yīng)單片機有限的存儲資源。

　　關(guān)鍵詞: PPP? 微控制器? 單片機上網(wǎng)? 調(diào)制解調(diào)器

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　　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(zhuǎn)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(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。而微控制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(qū)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(luò)層協(xié)議(例如TCP、IP協(xié)議)即可以上網(wǎng)。但其缺點是必須應(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)價格不菲。

　　本文針對微控制器上網(wǎng)的問題,提出一種在微控制器中實現(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(yīng)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,程序比較短小;(3)只需外接電話線,安裝簡便。

1 硬件連接與底層驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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" title="串口">串口發(fā)送(TXD)、串口接收(RXD)、載波檢測CD(Carrier Detect)和終端準(zhǔn)備DTR(Data Terminal 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)。DTR信號用來通知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)。

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　　為了方便軟件編程,需要針對硬件編寫一些底層驅(qū)動程序。首先是串行口的驅(qū)動函數(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)動函數(shù)。單片機通過串行口控制MODEM,進行撥號、設(shè)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)連接。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成需要斷開連接時,微控制器通知MODEM結(jié)束會話,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,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(dāng)線路由于異常斷開時,CD線會回復(fù)到平常的低電平。根據(jù)這些操作,編寫MODEM驅(qū)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(qū)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(dāng)?shù)讓佑布膭訒r,只需要對底層的驅(qū)動函數(shù)改動,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)動層、MODEM驅(qū)動層、PPP協(xié)議層" title="協(xié)議層">協(xié)議層、IP協(xié)議層、UDP協(xié)議層與應(yīng)用層" title="應(yīng)用層">應(yīng)用層。上層函數(shù)的實現(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。

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　　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,而是利用多個有限狀態(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(dāng)處于命令狀態(tài)時,串行口接收MODEM的返回值信息。而當(dāng)微控制器進行撥號命令之后,MODEM轉(zhuǎn)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(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報文

?????? }

??? }

3 PPP協(xié)議的實現(xiàn)

　　PPP(Point to Point Protocol)是數(shù)據(jù)鏈路" title="鏈路">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(fù)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(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報文解析模塊,在撥號后初次與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(gòu)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(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議環(huán)境,并分配IP地址。協(xié)商機制用有限狀態(tài)機的模型來實現(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(biāo)準(zhǔn)進行IP報文的傳輸了。根據(jù)應(yīng)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(luò)連接。

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　　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(dāng)PPP報文的協(xié)議符為0021時表示嵌入了IP數(shù)據(jù)報,為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(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PAP REQ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(shè)置幀,微控制器拒絕所有的設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換圖如圖4所示。

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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(yīng)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機通過互聯(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(jié)構(gòu),向指定的主機IP地址發(fā)送UDP報文較易實現(xiàn)。但應(yīng)注意,在應(yīng)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(yīng)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,稍加改動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(shù),可以廣泛應(yīng)用于需要遠程傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中,特別適合遠程抄表、遠程監(jiān)控等領(lǐng)域。

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參考文獻

1 Simpson W. The Point to Point Protocol(PPP). RFC1661, 1994

2 PPP in HDLC-Like Framing. RFC1662, 1994

3 PPP LCP Extensions.RFC1570,1994

4 李 藝. 面向機頂盒的PPP模塊的設(shè)計.小型微型計算機系統(tǒng), 2001;1