Ethernet i AVR–y, cz.6.pdf

KURS

Ethernet i AVR–y

Ethernet od podstaw, część 6

W związku z niedawnymi wydarzeniami w polityce,

w szóstym odcinku kursu zajmiemy się niegodziwymi

lecz przydatnymi w praktyce technikami inwigilacji.

Pokażę bowiem jak stworzyć program zmieniający

płytkę ZL9AVR w narzędzie szpiegowskie, którego

nie powstydziliby się agenci najlepszych wywiadów.

Umieszczona w dyskretnym miejscu, nagrywa

prowadzone w pomieszczeniu rozmowy i przesyła

je odpowiednim „służbom” za pomocą sieci Ethernet.

A wszystko pod przykrywką demonstracji korzystania

z protokołu UDP w aplikacjach dla systemu Nut/OS :)

TCP vs UDP

Protokół UDP ( User Datagram Pro-

tocol ) jest nieco odmienny od dotych-

czas omawianego w kursie protokołu

TCP. Zasadniczą różnicą jest bezpołą-

czeniowość UDP. Aby przeprowadzić

transmisję danych z wykorzystaniem

protokołu TCP należało najpierw połą-

czyć się z serwerem, który mógł przy-

jąć lub odrzucić połączenie. Dopiero

potem była możliwa wymiana infor-

macji. Protokół UDP nie posiada me-

chanizmów nawiązywania połączenia

– transmisja danych polega na wymia-

nie luźnych, niepowiązanych ze sobą

pakietów zwanych w języku angielskim

datagramami . O ile sesję TCP można

porównać do rozmowy telefonicznej –

ktoś dzwoni, druga strona odrzuca lub

odbiera połączenie i następuje wymia-

na danych (rozmowa), o tyle transmi-

sję danych przez UDP – do wysyłania

sobie wzajemnie SMS–ów (przy czym

nie wiadomo, czy druga strona prze-

czyta wiadomość).

Konsekwencją bezpołączeniowości

UDP jest brak mechanizmów kontroli

przepływu danych. Stos protokołu UDP

nie potwierdza odebrania pakietu od

nadawcy – nie ma zatem żadnej gwa-

rancji, że wysłany pakiet na pewno

dotrze do adresata. Jeśli pakiet zostanie

zagubiony, nie jest możliwa jego auto-

matyczna retransmisja jak w przypadku

protokołu TCP (o ile nie zostanie to

zaimplementowane samodzielnie).

Prostota UDP niesie ze sobą wiele

korzyści: zmniejszenie opóźnienia mię-

dzy wysłaniem pakietu, a jego odebra-

niem przez adresata oraz wzrost pręd-

kości przesyłu danych. Z tego względu

jest on często używany przez gry sie-

ciowe, oprogramowanie do wideokonfe-

rencji, telefony internetowe (VoIP) i in-

ne aplikacje przesyłające dźwięk i obraz

„na żywo”.

ma wdzięczną nazwę – inwigila-

cja(). Rozpoczyna ona pracę od

utworzenia nowego gniazda protokołu

UDP. Ponieważ nie będziemy odbierać

żadnych pakietów UDP, parametr port

jest równy 0.

Następnym krokiem jest alokacja

pamięci dla dwóch buforów przecho-

wujących nagrywany dźwięk. Bufory

te mają rozmiar 256 próbek, czyli 512

bajtów (próbki z przetwornika A/C są

10–bitowe, najprościej jest je zapisać

w postaci liczb 16–bitowych). Alokuje-

my również 514–bajtowy bufor prze-

chowujący nadawany pakiet UDP. Za-

stosowanie dwóch buforów umożliwia

ciągłą rejestrację i transmisję sygnału –

w chwili gdy dane z przetwornika A/C

są wpisywane do jednego z buforów,

zawartość drugiego jest wysyłana przez

sieć. Gdyby wykorzystać tylko jeden

bufor, podczas transmisji pakietu UDP

rejestracja sygnału akustycznego nie by-

Transmisja danych przez UDP

Schemat transmisji danych z wyko-

rzystaniem protokołu UDP w systemie

Nut/OS przedstawiono na rys. 8 . Jak

zwykle zaczynamy od utworzenia no-

wego gniazda sieciowego, tym razem

jednak będzie to gniazdo UDP – dla-

tego wywołujemy funkcję NutUdp-

CreateSocket() . Ponieważ protokół

UDP jest bezpołączeniowy, transmisję

danych możemy rozpocząć natychmiast

po zainicjalizowaniu socketa . Aby wy-

słać datagram UDP należy skorzystać

z funkcji NutUdpSendTo(). Funkcja

NutUdpReceiveFrom() oczekuje na

nadejście pakietu UDP, zapisuje jego

treść w podanym buforze oraz zwraca

adres i port hosta, który wysłał pakiet.

Po zakończeniu wymiany pakietów

powinniśmy zwolnić zasoby zajmowa-

ne przez gniazdo sieciowe za pomocą

funkcji NutUdpDestroySocket().

Prosty przykład

Jak wspomniałem na wstępie, zbu-

dujemy dziś prosty „podsłuch” – apli-

kację rejestrująca sygnał z mikrofonu

dołączonego do wbudowanego w mikro-

kontroler przetwornika A/C i wysyłającą

go do komputera o wybranym przez

nas adresie. Najistotniejsze fragmenty

kodu źródłowego programu pokazano

na list. 10 . Główna funkcja programu

Rys. 8. Algorytm transmisji danych

z wykorzystaniem protokołu UDP

102

Elektronika Praktyczna 5/2007

KURS

łaby możliwa. Spowodowałoby to dość

denerwujące „przerywanie” nagranego

dźwięku.

Kolejną czynnością jest uruchomie-

nie przetwornika analogowo–cyfrowego

wbudowanego w mikrokontroler przez

ustawienie odpowiednich rejestrów ste-

rujących. Przetwornik pracuje w trybie

ciągłym ( free running ) próbkując sygnał

z wejścia ADC0 (pin PF0). Napięcie

odniesienia jest pobierane z pinu AVCC

procesora. Dzielnik zegara ADC równy

128 wymusza częstotliwość próbkowa-

nia (16 MHz/128/13 cykli zegara ADC

na próbkę) =ok. 9,6 kHz wystarczającą

do poprawnej rejestracji mowy.

Ostatnim etapem inicjalizacji jest

ustawienie wektora przerwania ADC,

wywoływanego za każdym razem gdy

przetwornik zarejestruje próbkę sy-

gnału. W systemie Nut/OS odpowiada

za to funkcja NutRegisterIrqHan-

dler() – nie jest zalecany tradycyj-

ny sposób obsługi przerwań stosowa-

ny w AVR–GCC. Wektorem przerwania

ADC jest w naszym przypadku funkcja

audio_record_irq() . Odczytuje ona

przetworzoną próbkę z rejestru ADCW

i wpisuje ją do bufora o indeksie ac-

tive_buf . Gdy bufor zostanie całko-

wicie wypełniony, zmieniamy indeks

active_buf tak, by wskazywał na

drugi bufor ( active_buf = 1–ac-

tive_buf ). Dzięki temu jest możliwa

ciągła rejestracja sygnału, a jeden z bu-

forów zawsze zawiera jego kompletny

fragment. Po zainicjowaniu wektora

przerwania ADC możemy uruchomić

próbkowanie ustawiając bit ADSC w re-

jestrze ADCSR.

Po inicjalizacji przechodzimy do

głównej, nieskończonej pętli programu.

Oczekuje ona na przetworzenie kolejnej

porcji sygnału przez przetwornik A/C –

gdy to nastąpi, zmieni się numer obec-

nie wypełnianego bufora ( active_buf ).

Wówczas kopiujemy zarejestrowany frag-

ment sygnału do bufora tx_buffer ,

który posłuży do przygotowania zawar-

tości kolejnego datagramu UDP. Struktu-

ra pakietów wysyłanych przez program

jest bardzo prosta – składają się one

z 16–bitowego numeru pakietu (kolejne

liczby całkowite), służącego do wyzna-

czania liczby zgubionych datagramów

i 256–próbkowego bloku danych. Kom-

pletny pakiet zajmuje zatem (2 bajty +

256 próbek * 2 bajty) = 514 bajtów.

Po zbudowaniu pakietu, wysyłamy go

do komputera tajnego agenta :) wywo-

łując funkcję NutUdpSendTo(). Jego

adres IP i port można ustawić za po-

mocą makrodeﬁnicji AGENT_IP oraz

AGENT_PORT.

List. 10. Prosty program ilustrujący sposób korzystania z protokołu UDP

// adres IP komputera tajnego agenta, do ktorego bedzie transmitowana nagrana

rozmowa

#deﬁne AGENT_IP „192.168.0.2”

// port komputera tajnego agenta, do ktorego bedzie transmitowana nagrana

rozmowa

#deﬁne AGENT_PORT 12666

// liczba probek w buforz dzwieku

#deﬁne BUF_SIZE 256

// 2 bufory dla nagrywanego dzwieku. W chwili, kiedy jeden jest wypelniany

przez wektor prerwania ADC

// drugi jest wysylany przez siec

static volatile short *buffers[2];

// bufor, do ktorego obecnie zapisuje ADC oraz bufor juz wypelniony (last_ac-

tive)

static volatile int active_buf = 0, last_active_buf = 0;

// pozostala liczba probek w aktywnym buforze i indeks bufora

static volatile int samples_remaining = BUF_SIZE, buf_pos = 0;

// bufor nadawczy

unsigned short *tx_buffer;

// wektor przerwania od ADC. wpisuje kolejna probke do aktywnego bufora

static void audio_record_irq(void *arg)

{

// odczytujemy probke z rejestru przetwornika A/C

volatile short val = inw (ADCW);

// wpisujemy ja do aktywnego bufora

(buffers[active_buf])[buf_pos] = val;

// aktualizujemy liczniki

buf_pos ++;

samples_remaining ––;

if(!samples_remaining) // koniec aktualnego bufora

{

active_buf = 1–active_buf; // zmieniamy bufor na drugi

samples_remaining = BUF_SIZE;// aktualizujemy liczniki

buf_pos = 0;

}

sbi(ADCSR, ADIE); // czyscimy ﬂage przerwania

}

// glowna funkcja programu. Tworzy gniazdo UDP, inicjalizuje przetwornik A/C

i w nieskonczonej petli wysyla nagrane dane.

void inwigilacja()

{

int i;

// adres IP komputera docelowego

u_long agent_addr;

// nr obecnie przetwarzaniego pakietu

unsigned short packet_no = 0;

// struktura gniazda UDP

UDPSOCKET *sock;

printf(„Rozpoczynam inwigilacje...\n”);

// tworzymy gniazdo sieciowe UDP

sock = NutUdpCreateSocket(0);

active_buf = 0;

samples_remaining = BUF_SIZE;

// przetwarzamy adres odbiorcy ze stringa na liczbe 32–bitowa

agent_addr = inet_addr(AGENT_IP);

// alokujemy pamiec na bufory do nagrywania dzwieku

buffers[0] = NutHeapAlloc(BUF_SIZE * sizeof(short));

buffers[1] = NutHeapAlloc(BUF_SIZE * sizeof(short));

// ... i bufor przechowujacy aktualnie wysylany pakiet

tx_buffer = NutHeapAlloc((BUF_SIZE + 1)* sizeof(short));

// Inicjalizacja ADC

// wylaczamy konwersje ADC

cbi(ADCSR, ADSC);

// ustawienie zrodla napiecia odniesienia z AVCC

cbi(ADMUX, REFS1);

sbi(ADMUX, REFS0);

// ustawienie trybu pracy (konwersja ciagla)

// sbi(ADCSR, ADFR);

// wybor zrodla sygnalu (kanal ADC0, pin PF0)

outb(ADMUX, inb(ADMUX) & 0xf8);

Elektronika Praktyczna 5/2007

103

KURS

List. 10. c.d.

// ustawiamy wektor przerwania ADC.

NutRegisterIrqHandler(&sig_ADC, audio_record_irq, NULL);

sbi(ADCSR, ADFR);

// ustawiamy preskaler zegara ADC ( ADCCLK = MCLK / 128). Uzyskujemy w ten

sposob czestotliwosc probkowania ok. 9.6 kHz

sbi(ADCSR, ADPS2);

sbi(ADCSR, ADPS1);

sbi(ADCSR, ADPS0);

// wlaczamy ADC

sbi(ADCSR, ADEN);

// wlaczamy przerwanie ADC

sbi(ADCSR, ADIE);

// rozpoczynamy prace przetwornika

sbi(ADCSR, ADSC);

for(;;) {

// jesli jeden bufor wypelnil sie, kopiujemy jego zawartosc do bufora zawie-

rajacego tarnsmitowany pakiet

ethernutową aplikację pakietów UDP

i odtwarzanie ich treści za pomocą

karty dźwiękowej. Przebieg sygnału

akustycznego od mikrofonu do głośni-

ka ilustruje rys. 9. Ponieważ mikrofon

jest dołączony bezpośrednio do wej-

ścia przetwornika analogowo–cyfrowe-

go, konieczne jest usunięcie z sygnału

składowej stałej, realizowane przez

prosty ﬁltr górnoprzepustowy.

Drugim, poważniejszym proble-

mem jest niestandardowa wartość czę-

stotliwości próbkowania przetwornika

A/C (9,6 kHz). Aby móc poprawnie

odtworzyć zarejestrowany dźwięk,

program wykonuje konwersję często-

tliwości próbkowania z 9,6 kHz do

22,050 kHz (standardowa częstotliwość

obsługiwana przez wszystkie karty).

Ze względu na małą moc obliczenio-

wą mikrokontrolera, zadania te (ﬁl-

trację i konwersję) wykonuje program

na PC. Program powinien rozpocząć

odtwarzanie dźwięku natychmiast po

uruchomieniu Ethernuta.

Aplikacja PC–towa została napisa-

na w języku C++ z wykorzystaniem

następujących bibliotek:

− FLTK ( Fast Light Toolkit ) – interfejs

użytkownika,

− PortAudio – obsługa karty dźwię-

kowej,

− libsamplerate – konwerter częstotli-

wości próbkowania,

− pthreads – obsługa wątków.

Program pracuje pod kontrolą sys-

temów operacyjnych Linux (kompi-

lator GCC) oraz Windows (2000/XP,

kompilator Microsoft Visual C++).

Do wersji windowsowej zostały do-

łączone odpowiednie biblioteki DLL.

Źródła i binaria aplikacji dla Nut/OS

oraz programu PeCetowego opubliku-

jemy na płycie CD-EP6/2007B oraz na

stronie http://wlostowski.ep.com.pl .

Tomasz Włostowski, EP

tomasz.wlostowski@ep.com.pl

memcpy(tx_buffer+1, buffers[last_active_buf], sizeof(short) * BUF_SIZE);

while(last_active_buf == active_buf);

// dodajemy na poczatku pakietu jego numer (uzywany przez program PeCetowy

do obliczania ilosci zgubionych pakietow)

tx_buffer[0] = packet_no++;

// wysylamy pakiet do PC

NutUdpSendTo(sock, agent_addr, AGENT_PORT, tx_buffer, (BUF_SIZE + 1)* si-

zeof(short));

}

Aby cokolwiek nagrać, do prze-

twornika A/C należy dołączyć źródło

sygnału – w najprostszym przypadku

mikrofon elektretowy z rezystorem po-

laryzującym o wartości około 10 kV

(patrz rys. 9 ).

Oprogramowanie na PC

Do zbudowania naszego systemu

podsłuchowego jest potrzebny jeszcze

odbiornik – w tym przypadku prosty

program dla komputera PC. Jego za-

daniem jest odbiór wysyłanych przez

Rys. 9. Tor transmisji sygnału

Ważniejsze funkcje używane w przykładach

UDPSOCKET *NutUdpCreateSocket(u_short port);

Tworzy nowe gniazdo sieciowe protokołu UDP. Jeżeli gniazdo będzie służyć do odbierania pakietów,

parametr port określa numer lokalnego portu, z którego dane traﬁają do gniazda. Na przykład

z gniazda sock = NutUdpCreateSocket(4000) będzie można odczytać wszystkie

pakiety UDP jakie traﬁą na port 4000. Funkcja zwraca wskaźnik do stuktury opisującej nowo

utworzonego socketa , albo NULL w razie niepowodzenia

int NutUdpDestroySocket(UDPSOCKET *sock);

Zwalnia zasoby zajmowane przez gniazdo sock .

int NutUdpSendTo(UDPSOCKET *sock, u_long addr, u_short port,

void *data, u_short len);

Wysyła za pomocą gniazda sock pakiet UDP o zawartości znajdującej się pod adresem data

i długości length bajtów do portu port hosta o adresie IP addr .

int NutUdpReceiveFrom(UDPSOCKET *sock, u_long *addr, u_short

*port, void *data, u_short size, u_long timeout);

Oczekuje na nadejście pakietu UDP do gniazda sock . Po odebraniu pakietu jego dane zapisywane

są pod adresem data . Maksymalna długość odebranego bloku danych podawana jest przez

parametr size . Do wskaźników addr i port zapisywane są odpowiednio adres i port nadawcy

pakietu. Parametr timeout określa po jakim czasie (w milisekundach) funkcja przerywa działanie

jeśli nie odbierze żadnego pakietu. Funkcja zwraca rozmiar odebranych danych w bajtach, 0 – gdy

przekroczono czas oczekiwania na odbiór pakietu lub –1 – gdy wystąpił błąd.

int NutRegisterIrqHandler(IRQ_HANDLER irq, void (*)(void *)

handler, void *arg);

Ustawia adres funkcji handler (zwykła funkcja w C, bez atrybutów!) wywoływanej po wystąpie-

niu przerwania irq. Parametr arg jest przekazywany jako argument funkcji handler . Pełna

listę obsługiwanych przerwań można znaleźć w pliku nagłówkowym dev/irqreq_avr.h.

Rys. 10. Okno aplikacji do odsłuchi-

wania sygnału rejestrowanego przez

Ethernuta

Projekty przedstawione w cyklu artykułów

o implementacjach Ethernuta uruchomiono na

zestawach składających się z płyty bazowej

ZL9AVR oraz modułów ZL1ETH i ZL7AVR.

104

Elektronika Praktyczna 5/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: