微控制器拨号上网的实现Word格式.docx
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微控制器拨号上网的实现Word格式.docx
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本文针对微控制器上网的问题,提出一种大微控制器中实现PPP协议,并通过调制解调器连接到ISP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:
可以应用于任何覆盖电话网的地区,适用于广大偏远地区;
硬件实现比较简单,程序比较短小;
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:
串口发送、串口接收、载波检测CD和终端准备DTR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。
DRT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、关闭串口、读串口数据、写串口数据等。
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。
控制MODEM拨打ISP的电话号码后,MODEM就转入在线模式,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:
MODEM初始化函数;
拨号函数;
断开与ISP连接;
检测MODEM是否处于在线状态等。
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数改动,而上层函数的代码不变。
2软件整体结构
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线连接的UDP协议已经足够,而且会使程序大幅简化。
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,而是利用多个有了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
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报文解板模块,在护号后初次与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、PAP和IPCP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,当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所示。
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IISP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、同意和拒绝三种帧。
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。
IP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同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。
经过优化,本系统的软件代码可以精简到6K字节左右,共使用不到300字节的数据存储器。
由于程序使用C语言编写,稍加改到就可以在各种系列的微控制器上实现。
微控制器通过MODEM拨号上网技术,可以广泛应用于需要远程传送数据的系统中,特别适合远程秒表、远程监控等领域。
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