Arduino + Ethernet + mircoSD

После выхода новой Arduino Ethernet Shield 05 прошло довольно много времени, но недавно  мне случилось снова обратиться к этой теме, изучая возможности платы Freeduino EthernetSD Shield:

Отправная точка для ее создания сходна с Freeduino One - попытка собрать ограниченную партию для собственных нужд из доступной комплектации. Но попутно выяснилось много маленьких, но интересных фактов.

Например - каким образом новая плата оказалась совместима с Mega?

Напомню историю проблемы: в Arduino обмен с Ethernet-чипом W5100 происходит по шине SPI, и сначала сигналы на Arduino Ethernet Shield были разведены прямо от колодки цифровых входов 11,12 и 13, к которым и был привязан аппаратный SPI на ATmega168/328. Но после триумфального выхода Arduino Mega все вдруг с опозданием спохватились, что аппаратный SPI "переехал" на 50,51 и 52 - и это стало причиной несовместимости MEGA не только с EthernetShield, но и вообще со всеми шилдами, использовавшими аппаратный SPI.

Именно в результате этого недоразумения SPI теперь принято разводить с колодки ICSP, которая, к огромному счастью, сохранила свое позиционное расположение во всех оригинальных платах Arduino. Заглянем на обратную сторону EthernetSD шилда:

Таким образом, SPI-сигналы MISO, MOSI и SCK будут всегда правильными:

• в обычных (не-MEGA) платах будут использоваться digital 11,12,13;
• в Mega и Mega2560 - 50,51,52.

Единственный сигнал, которого нет на вилке ICSP - это SS (Slave Select). Низким уровнем он выбирает ведомое устройство на шине SPI, с которым будет общаться ведущее (в нашем случае - ATmega):

• для выбора Ethernet используется digital 10;
• для выбора SD-карты используется digital 4.

Соответственно, использовать digital 10 и 4 в схемах с EthernetSD Shield для какого-то другого применения - нельзя.

Ради интереса можете сравнить решение по доступу к SD с вариантом от libellium, котрое я разбирал в статье MicroSD Shield (в основе - тот же резистивный делитель для согласования уровней сигналов). В старой версии Ethernet Shield разъем SD никогда не напаивался (лишь гордо блестели залуженные площадки из-под маски, напоминая о былых ошибках и вселяя ложную надежду в сердца тех, кто рассчитывал напаять разъем и получить какие-то дополнительные функции) - то ли из-за отсутствия согласования сигналов по уровню 3,3В, а может - из-за отсутствия программной поддержки. Да и сигналы эти были разведены на другие пины. Но теперь SD и Ethernet физически разделяют одну шину SPI, одинаково используя преимущества аппаратной поддержки в ATmega.

Отсюда, кстати, вытекает второй нюанс: в случае необходимости работать и с SD-картой, и с Ethernet, между ними придется попеременно переключаться. В принципе, это вполне возможно, особенно в режиме TCP - если данные все-таки потеряются по приему, TCP перезапросит пропущенный фрагмент и автоматически уменьшит окно. Ну, по крайней мере, мне в это хочется верить ;) 

На оригинальной схеме Arduino Ethernet Shield 05 сигналы детекта карты и защиты от записи почему-то оказались не разведены на разъем microSD, но сохранены для полноразмерного SD-разъема (они даже имеют подтяжки 10К к Vcc). Я некоторое время колебался - но в итоге оставил эту странность в покое ради полной совместимости. Ведь представьте себе - установка/изъятие SD-карты влечет изменение уровня на analog0 и автоматически приводит к невозможности его использования для других целей.

Авторы по прежнему сохраняют разорванную перемычку INT, которая может соединить выход прерывания W5100 c digital2 и использовать для ввода/вывода механизм прерываний. Однако, поддержка прерываний с W5100 так до сих пор и не реализована: библиотека работает традиционным для Arduino методом пулинга (постоянного опроса состояния буфера из скетча).

Схема сброса с дополнительным супервизором и триггером Шмидта в придачу сразу сняла все непонятные глюки, которые у меня наблюдались с первой версией платы. Жить стало проще и веселее (с) ;)

Заслуживает нескольких слов и программная поддержка, над которой сообщество также изрядно потрудилось.

Когда-то я мучительно плодил классы для работы с UDP, в конечном итоге добиваясь возможности синхронизации времени по протоколу NTP. Но прогресс не стоит на месте и теперь UDP включен в библиотеку вEthernet в составе ArduinoIDE 0022, ничего изобретать не надо. Кроме того, энтузиастами написана поддержка следующих возможностей:

• EthernetDHCP, позволяет получать IP-адрес динамически, поддерживается блокирующий и неблокирующий режим вызова функций; есть возможность обновления lease (и перехода на другой IP, если его поменяют "на лету"). Более, чем достаточно!
• EthernerDNS, позволяет преобразовывать символические имена в реальные IP-адреса. Необходимо только знать IP-адрес своего DNS-сервера - например, взять из DHCP lease (см. выше);
• EthernetBonjour,  поддержка протокола Bonjour/Zeroconf, реализующего MulticastDNS и DNS Service Discovery - при помощи него вы можете донести до остальных пользователей информацию о том, какие сервисы запущены на вашем Arduino (поклонники Apple быстрее остальных поймут, о чем речь ;)
• WebDuino, библиотека с каркасом для построения веб-серверов на основе Arduino - включает в себя парсинг URL и прочие полезные функции. Почему-то напомнила CGI.pm ;)
• RadiusClient, библиотека для поддержки авторизации по протоколу Radius (видимо, Diametr должен быть на подходе ;)
• UdpNtpClient, пример из стандартной библиотеки, запрашивающий по NTP время и расшифровывающий ответ в виде ЧЧ:ММ:СС. Что я могу сказать... весьма грубо усеченный, но рабочий вариант.

Недавно мне задали вопрос: "Насколько сложно программировать для EthernetSD Shield?" В качестве демонстрации ответа, приведу решение задачи, которую один мой знакомый сформулировал так: "у меня есть компьютер с портом RS232, надо дать к нему доступ через Internet". При этом от предложений на основе PC+Linux он отказался в пользу Arduino+Ethernet Shield. Учтите, выставлять в public internet сервер Telnet - чистое безумие не совсем безопасно! Так что используйте на свой страх и риск:

//  Copyright (C) 2011 Ilya Danilov
//  http://mk90.blogspot.com
//
//  TelnetServer is free software: you can redistribute it and/or modify
//  it under the terms of the GNU Lesser General Public License as
//  published by the Free Software Foundation, either version 3 of
//  the License, or (at your option) any later version.
//
//  TelnetServer is distributed in the hope that it will be useful,
//  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
//  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
//  GNU Lesser General Public License for more details.
//
//  Illustrates how to make simple Telnet Server based on Ethernet Shield.

#if defined(ARDUINO) && ARDUINO > 18
#include <SPI.h>
#endif
#include <Ethernet.h>
#include <EthernetDHCP.h>
#include <SD.h>

byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xEC };

#define MAXPASSLEN  16
#define READ_TIMEOUT_IN_MS 60000L
char enteredPassword[MAXPASSLEN];
char cardPassword[MAXPASSLEN];

Server server(23);

// Just a utility function to nicely format an IP address.
const char* ip_to_str(const uint8_t* ipAddr)
{
  static char buf[16];
  sprintf(buf, "%d.%d.%d.%d\0", ipAddr[0], ipAddr[1], ipAddr[2], ipAddr[3]);
  return buf;
}

void setup()
{
  pinMode(10, OUTPUT);
  pinMode(4, OUTPUT);
  digitalWrite(10, HIGH);
  digitalWrite(4, HIGH);
  
  SD.begin(4);
  digitalWrite(4, HIGH);
    
  Serial.begin(9600);
  
  Serial.println("Attempting to obtain a DHCP lease...");
  EthernetDHCP.begin(mac);

  const byte* ipAddr = EthernetDHCP.ipAddress();
  const byte* gatewayAddr = EthernetDHCP.gatewayIpAddress();
  const byte* dnsAddr = EthernetDHCP.dnsIpAddress();
  
  Serial.println("A DHCP lease has been obtained.");

  Serial.print("My IP address is ");
  Serial.println(ip_to_str(ipAddr));
  
  Serial.print("Gateway IP address is ");
  Serial.println(ip_to_str(gatewayAddr));
  
  Serial.print("DNS IP address is ");
  Serial.println(ip_to_str(dnsAddr));
  
  server.begin();
}


boolean authenticateClient(Client &client) {
  int i=0, k=0;
  unsigned long timeoutTime;
  
  delay(500);
  client.flush(); // kill telnet handshake junk
  memset(enteredPassword,0,sizeof(enteredPassword));
  
  for (i=0;i<3;i++) {
    client.println("Password:");
    k = 0;
    timeoutTime = millis() + READ_TIMEOUT_IN_MS;
    while ( (k<MAXPASSLEN) && client.connected() && (millis() < timeoutTime) ) {
      char ch = client.read();
      if (ch != -1) {
        if (ch == '\r') continue;
        if (ch == '\n') break;
        enteredPassword[k++] = ch;
      } else delay(10);
    }
    
    if (millis() >= timeoutTime) return false;  
    if (!client.connected()) return false;  
        
    // read password from SD
    if (enteredPassword[0]) {
      if (SD.exists("passwd")) {
        memset(cardPassword,0,sizeof(cardPassword));
        k = 0;
        File f = SD.open("passwd"); 
        while (f.available() && k<MAXPASSLEN ) {
          char ch = f.read();
          if (ch == '\r') continue;
          if (ch == '\n') break;
          cardPassword[k++] = ch;
        }
        f.close();
        digitalWrite(4, HIGH);
        
        // compare
        if (!strcmp(cardPassword,enteredPassword)) 
          return true;
        else {
          client.println("Password mistmatch, try again!"); 
        }
      } else {
        client.println("Password file not found\n");
      } 
    } 
  } 
  return false;
}

void loop()
{
  boolean authenticated = false;
  //EthernetDHCP.maintain();
  
  // listen for incoming clients
  Client client = server.available();
  if (client) {
    while (client.connected()) {
      if (!authenticated) {
        if (!authenticateClient(client)) {
          client.println("Authorization failed.");
          client.stop();
          break;
        } else authenticated = true;
      } else { //auth passed
        if (client.available()) {
          char c = client.read();
          Serial.print(c);
        }
        if (Serial.available() >0 ) {
          char c = Serial.read();
          client.print(c);
        }
      }
    }
  }
}

После старта Arduino получает адрес динамически и выводит его через Serial-порт, чтобы было понятно, на какой IP ломиться telnet-клиентом. По входящему соединению выдается запрос "Password:", полученная в ответ комбинация символов сравнивается с содержимым простого текстового файла passwd, который располагается в корне SD-карты (внутри файла просто пароль, не путать с /etc/passwd :).

И как водится во всех сказках, на ввод правильного пароля дается три попытки ;)

Если выкинуть авторизацию, скетч займет один экран. Сложно? Не думаю, хотя для серьезных задач потребуется изучение нюансов. В итоге: после компиляции скетч занял 23К в памяти, переключение между SD-картой и Ethernet работает нормально.

Как всегда, часть плат пока еще доступна здесь.