Technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee - Benutzerbeiträge [de]

Kommunikation per UART

2026-10-16T23:18:41Z

Konstantin Rupprecht: /* crc16(self, data) */

= Armin Rohnen, 18.08.2026, uart_lib.py - Bibliothek für die UART-Kommunikation =
[[Datei:Uart ib.png|150px|rechts]]
Die uart_lib(.py) stellt die allgemeingültige Python-Bibliothek für die UART-Kommunikation zwischen den MCUs der Maschinensteuerung dar. Die UART-Kommunikation ist als Klassendefinition ausgeführt. Darin enthalten sind alle allgemeingültigen Methoden welche zur Kommunikation zwischen den MCUs der Maschinensteuerung benötigt werden. Zur Abarbeitung der individuellen Aufgaben der einzelnen MCUs ist in der Klassendefinition die Methode ''local_receive'', welche lediglich aus der Anweisung ''raise NotImplementedError'' besteht und in der lokalen MCU-Umgebung überschieben werden muss.

Für die UART-Kommunikation werden die PINs UART-TX und UART-RX der jeweiligen MCU verwendet. Die konkreten PINs an der MCU-Hardware sind unterschiedlich. Dadurch steht die Initialisierung in Abhängigkeit der jeweiligen MCU. Diese Unterschiede sind in der uart_lib berücksichtigt und führen zu einer entsprechenden Initialisierungsanweisung. Für die Kommunikation zwischen zwei MCU muss auf beiden MCUs eine UART-Schnittstelle konfiguriert werden. Definiert ist für die Kommunikation in der Maschinensteuerung eine sternförmige Topologie. Das führt dazu, dass auf der STM32-MCU bis zu 3 UART-Schnittstellen benötigt werden. Von der STM32 aus betrachtet wird UART-TX mit UART-RX der Gegenstelle verbunden und umgekehrt. Die TX- und RX- Leitungen der beiden MCUs kreuzen sich demnach. Die Kommunikation ist mit einer Baudrate von 230.400 Baud (bit/s), 8 Datenbits, 1 Startbit, 1 Stopbit und keinem Paritätsbit definiert. Ein Datenbyte erfordert damit 10-Datenbits in der Kommunikation. Nur identische Konfigurationen sind in der Lage miteinander zu kommunizieren.

Um nicht dauerhaft die Programmausführung auf der jeweiligen MCU durch eine UART-Leseanweisung zu blockieren, wird auf den Interrupt UART.IRQ_IDLE reagiert. Dieser Interrupt wird ausgelöst wenn eine nicht näher spezifizierte Zeitspanne nach dem Eingang eines Bytes, genaugenommen nach dem Stopbit, verstrichen ist. Bei Störungsfreier Übertragung ist dies jedoch ein Interrupt nach Eingang des letzten Bytes einer Kommunikation. Damit dies Fehlerfrei möglich ist müssen die Dateneingangsbuffer (RX-Buffer) ausreichend groß angelegt sein. Bei Raspberry Pi Pico MCUs ist dies einstellbar, bei STM32-MCUs ist dies auf 256 Byte über das MicroPython-Derivat festgelegt. Über die Methode ''_uart_rx_handler'' werden die eingehenden Datenpakete aus dem Eingangspuffer ausgelesen und zu weiteren, zunächst globalen, Verarbeitung an die Methode ''on_receive'' weiter geleitet.
[[Datei:On receive.png|400px|rechts]]

Die Kommunikation zwischen den MCUs wird über die STM32-MCU durch senden eines Bytes (0x0A) gestartet. Eine kommunikationsbereite MCUs antworten darauf mit dem Byte 0x0B. In ''on_receive'' wird dies entsprechend behandelt. Da die Kommunikation sternförmig ausgebildet ist, sendet die STM32-MCU mehrere Kommunikationsanfragen. Aktuell realisiert ist die Kommunikation zwischen STM32 und einer Display MCU.

Ein eingehendes Byte 0x0A beantwortet eine Slave-MCU durch Senden des Bytes 0x0B an die STM32-MCU. Auf dieser weise wird gegenseitig die Kommunikationsbereitschaft festgestellt. Danach erfolgt die Kommunikation über die uart_lib. Für die korrekte Kommunikation wird auf gültiges Startzeichen, gültige Token-Länge und gültige CRC16-Prüfbytes geprüft. Die Überprüfungsfunktionalität ist in der uart_lib hinterlegt. Sind alle Überprüfungen erfolgreich, wird zur weiteren Bearbeitung des eingegangenen Tokens dieser an die individuelle ''local_receive'' übermittelt.

== Schnittstellenkennungen zur Identifikation ==
Jede Kennung bezeichnet eine physische UART-Schnittstelle auf einer MCU und wird als uart_id zur Initialisierung an den UARTHandler übergeben.
* STM_D1, für die Kommunikation der STM32 mit Display BG1
* STM_D2, für die Kommunikation der STM32 mit Display BG2
* STM_MS, für die Kommunikation der STM32 mit Maschinensimulator
* DISPLAY, für die Kommunikation der Display-MCU (BG1 oder BG2) mit STM32
* MS, für die Kommunikation des Maschinensimulators mit STM32

== Methoden der uart_lib ==
=== class UARTHandler ===
Die allgemeingülte Klassendefinition für die UART-Kommunikation der Maschinenelektronik. Über
* uart_id = STM_D1 (z. B.)
* uart = UARTHandler(uart_id)
wird die jeweilige UART-Schnittstelle initialisiert.

=== __init__(self, uart_id) ===
Initialisierung der UART-Schnittstelle. Anhand der angegebenen ''uart_id'' wird die Schnittstellenkennung und/oder die verwendeten UART-PINs für die Konfigurationsanweisung der UART-Schnittstelle verwendet. Mit ''self.start_byte_min'' und ''self.start_byte_max'' wird der Bereich (Bytes) des Startbytes festgelegt. Das ist der gültige Wertebereich für die Startbytes der Empfangs-Token. Zusätzlich wird die Länge des eingehenden Tokens definiert. Realisiert ist dies in einer ''if'' --> ''elif'' --> ''else'' Abfolge.

Für die Steuerung der Kommunikationsinitialisierung erfolgt eine Parametrierung und es wird ein interner Datenpuffer angelegt.

Wenn die gesamte Parametrierung abgeschlossen und damit die UART-Schnittstelle initialisiert ist, erfolgt als zwingend letzte Anweisung die Anlage des Interruptverhaltens über
* ''self.uart.irq(handler=self._uart_rx_handler, trigger=UART.IRQ_RXIDLE)''

=== initialize_peer(self, timeout_ms=2000) ===
Die Methode ''initialize_peer'' wird von der STM32 genutzt und erzeugt den Kommunikationsstart. Es wird das Byte 0x0A gesendet und auf das Antwortbyte 0x0B gewartet. Nach einer definierbaren Timeout-Zeit (Voragbe 2000 ms) wir der Vorgang abgebrochen. Wie auf den Abbruch reagiert wird, ist im jeweiligen ''main'' der MCU hinterlegt.

=== on_init_request(self) ===
Wird aufgerufen, wenn das Byte 0x0A eingegangen ist. Diese Methode wird jeweils lokal überschreiben.

=== crc16(self, data) ===
Diese Methode erstellt anhand des Polynoms 0x1021 (was letztlich 2 Bytes sind) die beiden CRC16 Prüfbytes und gibt diese als Ergebnis zurück. Eingangsgröße ist empfangene (oder zu sendende) Token ohne die beiden Prüfbytes.

Das Verfahren dient der Erkennung von Übertragungsfehlern. Aus dem zu sendenden Token wird eine 16-Bit-Prüfsumme berechnet und durch ''send_token'' als zwei zusätzliche Bytes an den Token angehängt. Auf der Empfängerseite wird erneut über den empfangenen Token eine 16-Bit-Prüfsumme mit dem gleichen Polynom berechnet. Beide 16-Bit-Prüfsummen werden miteinander verglichen. Stimmen beide Werte überein, wird der Token verarbeitet. Bei Abweichung wird er als fehlerhaft verworfen.

=== _uart_rx_handler(self, uart) ===
Liest den Lesepuffer (Dateneingangspuffer) aus und im Falle eingegangener Daten werden dise an ''on_receive'' weiter geleitet. Die Kürze der Methode entlastet die Interrupt-Abarbeitung der MCU.

=== local_receive(self, token) ===
Hierin findet die lokale Datenverarbeitung statt. Diese Methode muss auf der jeweiligen MCU und für die jeweilige UART-Schnittstelle lokal überschreiben werden. Ist dies nicht der Fall, bricht die Kommunikation mit einer Fehlermeldung ab.

=== on_receive(self, data) ===
''on_receive'' enthält die globale Datenverarbeiten des empfangenen Tokens. Es erfolgt Überprüfung auf
* 0x0B als Initialisierungsantwort auf das gesendete Byte 0x0A
* 0x0A als Initialisierungsanfrage der STM32-MCU
* gültiges Startzeichen
* gültige Tokenlänge
* gültige CRC16-Prüfbytes

Wenn alle Prüfungen erfolgreich waren wird der empfangene Token an ''local_receive'' weiter geleitet.

=== send_token(self, token) ===
Sendet den Nutz-Token mit zwei CRC16-Prüfbytes, außer es handelt sich um das Byte 0x0A zur Initialisierung der Kommunikation.

= Felix Kerner, Loic Aboufiras, 10.06.2026, Initialisierungs- und Antworttoken =
Zur Initialisierung der UART-Kommunikation sendet der STM32 das Byte 0x0A an die Display-MCU und die Maschinensimulator-MCU. Beide MCUs senden das Byte 0x0B zurück. Darüber wird die Kommunikationsbereitschaft erkannt.

= Felix Kerner, 10.06.2026, Haupttoken vom STM32 zum Maschinensimulator =
Der Token vom STM32 zum Maschinensimulator dient zur zyklischen Übertragung des aktuellen Maschinenzustands. Da die Maschinensimulator-MCU zusätzlich als Gateway für die Wartungs-App dient, enthält dieser Token alle Informationen, die für Simulation, Diagnose und Wartung benötigt werden. Der Token wird mit einem Sendetakt von 4 Token pro Sekunde vom STM32 an den Maschinensimulator gesendet.

== Struktur ==
Der Token beginnt mit dem Startzeichen 0x0F. Danach folgt ein fest definierter Nutzdatenbereich mit 69 Byte. Am Ende befinden sich zwei Byte für das CRC16/MODBUS-Prüfverfahren. Damit ist die Gesamtlänge mit insgesamt 72 Byte eindeutig festgelegt.

== Inhalt ==
Der Token beschreibt den aktuellen Zustand der Maschine. Zuerst werden die Spannungsmesswerte (Leitwert, Drücke, Temperaturen) übertragen. Diese liegen als 16-Bit-Spannungsmesswerte im Bereich von 0 bis 3,3 V vor und werden im Maschinensimulator über die entsprechenden Kennlinien in physikalische Werte umgerechnet.

Danach folgen die Heizungswerte. Die Boilerheizungen und die Tassenwärmerheizung werden als PWM-Werte im Bereich von 0 bis 100 % als 8-Bit-Wert übertragen. Anschließend werden die Positionen der Schrittmotoren für die Dosierventile von 0 bis 550 mit 16 Bit übergeben. Zusätzlich werden Verstellwerte übertragen. Diese werden als vorzeichenbehaftete 16-Bit-Integerwerte übergeben, damit sowohl positive als auch negative Verstellrichtungen dargestellt werden können.

Die Pumpensollwerte werden als 12-Bit-Wert im Wertebereich 0 bis 4096 in 2 Bytes (16 Bit) übertragen. Dieser Bereich entspricht dem Spannungsbereich von 0 bis 5000 mV beziehungsweise der Drehzahl von 0 bis 5000 U/min. Die Durchflussraten werden im Bereich von 0 bis 25 ml/s in 1/10-ml/s-Schritten als 8-Bit-Werte übertragen. Die Durchflusscounts werden als 16-Bit-Werte im Bereich von 0 bis 65535 übertragen, wobei ein Count 1/39,9 ml entspricht.

Nach den Mess- und Stellwerten folgen Füllstands- und Ventilinformationen. Das Füllstandsbyte wird bitweise ausgewertet. Jedes Bit beschreibt einen einzelnen Zustand, also Boilerfüllstand, Tankminimum, Tankmaximum und Abtropfschale.

Auch die Magnetventile werden bitweise übertragen. Es gibt 3 Magnetventil-Bytes. Dabei steht jedes Bit für ein einzelnes Ventil, zum Beispiel Y101, Y102, Y103.

Danach folgen die Bezugszeit und die Bezugsmenge für die beiden Brühgruppen. Die Bezugszeit wird als 16-Bit-Integerwert (0 bis 65535) übermittelt. Dabei wird der Zeitbereich von 0 bis 120 Sekunden mit einer 1/10-Sekunde-Auflösung im Wertebereich von 0 bis 1200 dargestellt. Die Bezugsmenge wird als 16-Bit-Integerwert (0 bis 65535) übermittelt. Dabei wird die Bezugsmenge im Bereich von 20 bis 300g mit 1/10 Gramm Auflösung im Wertebereich von 200 bis 3000 dargestellt.

Anschließend folgen die Preinfusionszeiten der ersten und zweiten Brühgruppe. Diese werden jeweils als 16-Bit-Integerwert (0 bis 65535) übermittelt. Dabei wird die Preinfusionszeit im Zeitbereich von 0 bis 120 Sekunden mit einer 1/10-Sekunde-Auflösung im Wertebereich von 0 bis 1200 dargestellt.

Danach werden die Abschalttemperatur für die Boilerentschichtung und die Grenztemperatur, welche von den Boilern nicht überschritten werden darf, als Integerwerte in Grad Celsius kommuniziert.

Anschließend wird der Sollwert des Boilerdrucks als Integerwert im Bereich von 110 bis 150 angegeben, welcher 1100 bis 1500 mbar entspricht.

Daraufhin werden die Stellungen der Vertikalhebel der ersten und der zweiten Brühgruppe ebenfalls als Integerwert zwischen 0 und 180 angegeben.

Daraufhin kommt der Maschinen-Counter, der einen präzisen Zustand des Systemstarts und der Funktionsprogramme beschreibt.

Am Ende des Nutzdatenbereichs befinden sich die drei Maschinenstatus-Bytes. Die Maschinenstatus-Bytes werden bitweise ausgewertet. Die ersten zwei Maschinenstatus-Bytes enthalten Betriebszustände wie Mischerstatus, Entschichtung und Handhebelmodus. In dem dritten Maschinenstatus-Byte wird unter anderem mitgeteilt, ob sich die Maschine im Wartungsmodus befindet und ob Botschaften zum STM32 erfolgreich übertragen wurden oder ob es zu einem Übertragungsfehler nach dem Überprüfen mit dem CRC-Verfahren gekommen ist.

Der Umgang mit CRC-Fehlern ist nicht definiert.

== Erklärung der Tokentabelle ==
Die Tokentabelle beschreibt den Aufbau des Tokens vollständig. Sie legt fest, an welcher Byteposition eine Information steht, wie viele Byte oder Bits verwendet werden, welchen Wertebereich der Wert besitzt und wie er zu interpretieren ist.

Bei 16-Bit-Werten werden zwei aufeinanderfolgende Bytes verwendet. Bei 8-Bit-Werten wird ein einzelnes Byte gelesen. Bei Statusbytes wird nicht das gesamte Byte als Zahlenwert interpretiert, sondern jedes Bit besitzt eine eigene Bedeutung. Der Maschinensimulator zerlegt den Token daher exakt nach dieser Tabelle: zuerst die mehrbyteigen Mess- und Stellwerte, danach die Einzelwerte und zuletzt die bitweisen Zustände.

Der Token wird ausschließlich vom STM32 erzeugt und vom Maschinensimulator gelesen. Änderungen von Sollwerten, Reglerparametern oder Wartungsfunktionen erfolgen nicht über diesen Token, sondern über separate Botschaften zurück an den STM32.

== Haupttoken von STM32 zu Maschinensimulator-MCU ==
{| class="wikitable"
|+ Haupttoken von STM32 zu Maschinensimulator-MCU
|-
! Byte-Nr !! Bits !! Beschreibung !! Wertebereich !! Anmerkung
|-
| 0 || 8 || Startzeichen || || 0x0F Standardtoken
|-
| 1,2 || 16 || Leitwert || 0 - 3,3 V || Spannungsteiler von 0 bis 5 V, 0,2 - 20 mS/cm
|-
| 3,4 || 16 || Boilerdruck || 0 - 3,3 V || Spannungsteiler von 0,5 bis 4,5 V, 0 bis 4 bar
|-
|5,6
|16
|Brühgruppendruck 1.BG
|0 - 3,3 V
|Spannungsteiler von 0,5 bis 4,5 V, 0 - 12 bar
|-
|7,8
|16
|Brühgruppendruck 2.BG
|0 - 3,3 V
|Spannungsteiler von 0,5 bis 4,5 V, 0 - 12 bar
|-
|9,10
|16
|Leitungsdruck 1. BG
| 0 - 3,3 V
|Spannungsteiler von 0,5 bis 4,5 V, 0 - 16 bar
|-
|11,12
|16
|Leitungsdruck 2. BG
|0 - 3,3 V
|Spannungsteiler von 0,5 bis 4,5 V, 0 - 16 bar
|-
|13,14
|16
|Boiler-NTC (1.BG)
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0 … 5 V
|-
|15,16
|16
|Boiler-NTC (2.BG)
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0 … 5 V
|-
|17,18
|16
|Tassenwärmer-NTC
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0 … 5 V
|-
|19,20
|16
|Mischtemperatur-NTC (1.BG)
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0 … 5 V
|-
|21,22
|16
|Mischtemperatur-NTC (2.BG)
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0 … 5 V
|-
|23,24
|16
|Brühgruppen-NTC (1.BG)
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0 … 5 V
|-
|25,26
|16
|Brühgruppen-NTC (2.BG)
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0 … 5 V
|-
|27
|8
|Boilerheizung (Soll, 1.BG)
|0 - 100% PWM
|
|-
|28
|8
|Boilerheizung (Soll, 2.BG)
|0 - 100% PWM
|
|-
|29
|8
|Tassenwärmerheizung (Soll)
|0 - 100% PWM
|
|-
|30,31
|16
|Position Schrittmotor Dosierventil (1.BG)
|0 - 550
|
|-
|32,33
|16
|Position Schrittmotor Dosierventil (2.BG)
|0 - 550
|
|-
|34,35
|16
|Verstellwert Schrittmotor (1.BG)
|signed int
|
|-
|36,37
|16
|Verstellwert Schrittmotor (2.BG)
|signed int
|
|-
|38,39
|16
|Pumpensollwert (1.BG)
|0 - 4096
|entspricht 0 - 5000 mV
|-
|40,41
|16
|Pumpensollwert (2.BG)
|0 - 4096
|entspricht 0 - 5000 mV
|-
|42
|8
|Durchflussrate (1.BG)
|0 - 25 ml/s
|1/10 ml/s
|-
|43
|8
|Durchflussrate (2.BG)
|0 - 25 ml/s
|1/10 ml/s
|-
|44,45
|16
|Durchflusscounts (1.BG)
|0 - 65535
|1 Count ≈ 1/39,9 ml
|-
|46,47
|16
|Durchflusscounts (2.BG)
|0 - 65535
|1 Count ≈ 1/39,9 ml
|-
|48
|
|Füllstandbyte
|
|
|-
|
|0
|Füllstand Boiler 1. BG
|0/1
|
|-
|
|1
|Füllstand Boiler 2. BG
|0/1
|
|-
|
|2
|Füllstand Tank Minimum
|0/1
|
|-
|
|3
|Füllstand Tank Maximum
|0/1
|
|-
|
|4
|Füllstand Abtropfschale
|0/1
|
|-
|
|5
|
|
|
|-
|
|6
|
|
|
|-
|
|7
|
|
|
|-
|49
|
|Magnetventile Byte 1
| -
| rowspan="6" | - Magnetventile Y101 bis Y113 gehören zur 1. BG
- Y113 ist der Dampfhahn
|-
|
|0
|Y101
|0/1
|-
|
|1
|Y102
|0/1
|-
|
|2
|Y103
|0/1
|-
|
|3
|Y104
|0/1
|-
|
|4
|Y105
|0/1
|-
|
|5
|Y106
|0/1
|
|-
|
|6
|Y107
|0/1
|
|-
|
|7
|Y108
|0/1
|
|-
|50
|
|Magnetventile Byte 2
| -
| rowspan="6" |Y214 bis Y222 gehören zur 2. BG
|-
|
|0
|Y109
|0/1
|-
|
|1
|Y110
|0/1
|-
|
|2
|Y111
|0/1
|-
|
|3
|Y112
|0/1
|-
|
|4
|Y113
|0/1
|-
|
|5
|Y214
|0/1
|
|-
|
|6
|Y215
|0/1
|
|-
|
|7
|Y216
|0/1
|
|-
|51
|
|Magnetventile Byte 3
| -
|
|-
|
|0
|Y217
|0/1
|
|-
|
|1
|Y218
|0/1
|
|-
|
|2
|Y219
|0/1
|
|-
|
|3
|Y220
|0/1
|
|-
|
|4
|Y221
|0/1
|
|-
|
|5
|Y222
|0/1
|
|-
|
|6
|
|
|
|-
|
|7
|
|
|
|-
|52,53
|16
|Bezugszeit 1.BG
|0 - 120 s
|Integerwert ×10
|-
|54,55
|16
|Bezugsmenge 1.BG
|20 - 300g bzw. ml
|Integerwert in 1/10 ml, damit Wertebereich 200 bis 3000
|-
|56,57
|16
|Bezugszeit 2.BG
|0 - 120 s
|Integerwert ×10
|-
|58,59
|16
|Bezugsmenge 2.BG
|20 - 300g bzw. ml
|Integerwert in 1/10 ml, damit Wertebereich 200 bis 3000
|-
|60,61
|16
|Preinfusionszeit 1.BG
|0 - 120 s
|Integerwert ×10
|-
|62,63
|16
|Preinfusionszeit 2.BG
|0 - 120 s
|Integerwert ×10
|-
|64
|8
|Abschalttemperatur
|90 - 98 °C
|Integerwert in °C
|-
|65
|8
|Grenztemperatur
|135 - 150 °C
|Integerwert in °C
|-
|66
|8
|Sollwert Boilerdruck
|110 - 150
|×10 mbar
|-
|67
|8
|Stellung Vertikalhebel 1
|0 - 180°
|
|-
|68
|8
|Stellung Vertikalhebel 2
|0 - 180°
|
|-
|69
|8
|Maschinen-Counter
|0 - 255
|siehe Startprozedur Flowchart
|-
|70
|
|Maschinenstatus Byte 1
|
|
|-
|
|0
|Mischerstatus 1. BG
|0/1
|True = Mischtemperatur erreicht
|-
|
|1
|Mischerstatus 2. BG
|0/1
|True = Mischtemperatur erreicht
|-
|
|2
|Entschichtung
|0/1
|True = Entschichtung aktiv
|-
|
|3
|Handhebelmodus 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|4
|Handhebelmodus 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|Spülung 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|Spülung 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|7
|Rückspülung 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|71
|
|Maschinenstatus Byte 2
|
|
|-
|
|0
|Rückspülung 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|1
|Schrittmotor Dosierventil Flag 1. BG
|0/1
|True = Schrittmotor für Dosierventil Kaltwasser hat ursprüngliche Position erreicht (Teil der Initialisierung)
|-
|
|2
|Schrittmotor Dosierventil Flag 2. BG
|0/1
|True = Schrittmotor für Dosierventil Kaltwasser hat ursprüngliche Position erreicht (Teil der Initialisierung)
|-
|
|3
|Kaffeebezug 1. BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|4
|Kaffeebezug 2. BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|Teewasserbezug
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|Dampfbezug
|0/1
|Bewirkt 200 mbar Reduzierung Sollwert Boilerdruck
|-
|
|7
|Boilerbefüllung 1.BG (Befüllungsflag)
|0/1
|True = Boilerbefüllung aktiv
|-
|72
|
|Maschinenstatus Byte 3
|
|
|-
|
|0
|Boilerbefüllung 2.BG (Befüllungsflag)
|0/1
|True = Boilerbefüllung aktiv
|-
|
|1
|Aufheizen
|0/1
|True = Aufheizphase, False = Betriebsbereit
|-
|
|2
|Systemstart
|0/1
|True = Systemstart
|-
|
|3
|Sicherheitsfunktion
|0/1
|True = Sicherheitsfunktion aktiv
|-
|
|4
|Wartungsmodus
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|CRC-Fehler Maschinensimulator
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|CRC-Fehler Display
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|7
|Entleerung
|0/1
|True = aktiv
|-
|73,74
|16
|CRC16-Bytes
|
|Empfehlung Generator Polynom:0xBAAD nach Tabelle 3 in Cyclic Redundancy Code (CRC) Polynomial Selection For Embedded Networks
|}

= Felix Kerner, 10.06.2026, Botschaften vom Maschinensimulator zum STM32 =
Vom Maschinensimulator zum STM32 werden einzelne Botschaften versendet. Diese werden nur gesendet, wenn eine Änderung oder ein Eingriff erforderlich ist. Die Maschinensimulator-MCU dient dabei als Gateway. Die Wartungs-APP löst über den REPL das Senden der Botschaften aus.

== Struktur ==
Jede Botschaft beginnt mit einem Startzeichen aus dem Bereich 0x20 bis 0x4F. Über dieses Startzeichen erkennt der STM32, welche Botschaft empfangen wurde und wie die Nutzdaten auszuwerten sind.

Nach dem Startzeichen folgt ein Nutzdatenbereich mit 32 Bit, also 4 Byte. Dabei werden die Daten von vorne beginnend definiert. Am Ende stehen zwei Byte mit dem CRC16-Verfahren. Damit besitzen alle Botschaften denselben Grundaufbau:

''Startzeichen'' – Nutzdaten – CRC16

Die Bedeutung der Nutzdaten ergibt sich aus dem Startzeichen. Dadurch bleibt die Grundstruktur gleich, obwohl unterschiedliche Inhalte übertragen werden können.

== Inhalt und Aufteilung ==
Die Botschaften sind in der Tabelle thematisch gegliedert, und sofern Reglerparameter vorhanden sind, diese immer am Ende eines Themas zu platzieren. Erweiterungen sind allerdings unabhängig von der thematischen Zuordnung lediglich durch Anhängen in der Tabelle möglich. Für alles andere wäre der Programmieraufwand zu hoch und zu fehleranfällig.

Die Botschaften sind für 2 Brühgruppen vordefiniert.

Generell können ausgehend von den ermittelten Reglerparametern in [114] 255 weitere umliegende Parameterwerte über die Wartungs-App eingestellt werden.

Alle Temperaturwerte werden als Integer-Werte in 1/10°C-Schritten übermittelt. Dabei wird der Temperaturbereich 30 bis 98 °C mit dem Wertebereich 300 bis 980 und der Temperaturbereich 135 bis 150 °C mit dem Wertebereich 1350 bis 1500 dargestellt.

Am Anfang der Tabelle befinden sich alle Befehle, welche einen Einfluss auf den Boiler haben. Die Boilerheizungen und die Tassenwärmerheizung werden als PWM-Werte im Bereich von 0 bis 100 % übertragen. Der Boilerdruck wird als 16-Bit-Integerwert (0 bis 65535) übermittelt. Dabei wird der Druckbereich 1100 bis 1500 mbar mit einer 1 mbar Auflösung im Wertebereich von 1100 bis 1500 dargestellt.

Danach kommen die Einstellungen für die Mischtemperatur.

Es folgen die Pumpen und durchflussbezogenen Größen. Die Pumpensollwerte werden im Wertebereich von 0 bis 4096 übertragen. Dieser Bereich entspricht dem Spannungsbereich von 0 bis 5000 mV beziehungsweise der Drehzahl von 0 bis 5000 U/min.

Die Magnetventile werden alle innerhalb derselben Botschaft bitweise übermittelt, sodass alle Zustände der Ventile übergeben werden, auch wenn sie nicht verändert wurden.

Die Bezugszeit und die Preinfusionszeit wird als 16 Bit Integerwert (0 bis 65535) übermittelt. Dabei wird der Zeitbereich von 0 bis 120 Sekunden mit einer 1/10-Sekunde-Auflösung im Wertebereich von 0 bis 1200 dargestellt.

Daraufhin werden die Stellungen der Vertikalhebel ebenfalls als Integerwert zwischen 0 und 180 angegeben.

Über die Maschinenstatus-Bytes werden die Programme, wie z. B. der Teewasserbezug oder die Boilerbefüllung, ausgeführt. Entsprechend werden die Status-Bits in den Maschinenstatus-Bytes gesetzt.

Der STM32 wertet eine Botschaft erst dann aus, wenn die Länge und die CRC16-Prüfung gültig sind. Dadurch wird verhindert, dass fehlerhafte oder unvollständige Botschaften direkt in die Steuerung übernommen werden.

== Botschaften von Wartungs-APP zu STM32 ==
{| class="wikitable"
|+ Botschaften von Wartungs-APP zum STM32
|-
! Startzeichen !! Bits !! Beschreibung !! Wertebereich !! Anmerkung
|-
| 0x20 || 32 || Boilerheizung Soll 1. BG || PWM 0 - 100 % ||
|-
| 0x21 || 32 || Boilerheizung Soll 2. BG || PWM 0 - 100 % ||
|-
| 0x22 || 32 || Sollwert Boilerdruck || 1100 - 1500 mbar || Integerwert in mbar
|-
|0x23
|32
|Abschalttemperatur Entschichtung
|90 - 98 °C
|Integerwert in °C
|-
|0x24
|32
|Grenztemperatur
|135 - 150 °C
|Integerwert in °C
|-
|0x25
|32
|Boilerdruckregelung Proportionalregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x26
|32
|Boilerdruckregelung Integralregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x27
|32
|Boilerdruckregelung Differentialregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x28
|32
|Boilerfolgeregelung Proportionalregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x29
|32
|Boilerfolgeregelung Integralregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x2A
|32
|Boilerfolgeregelung Differentialregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x2B
|32
|Verstellwert Schrittmotor Dosierventil 1. BG
|Integer mit Vorzeichen
|
|-
|0x2C
|32
|Bezugswassertemperatur 1. BG
|30 - 98 °C
|Integerwert in 1/10 °C, damit Wertebereich 300 bis 980
|-
|0x2D
|32
|Mischtemperaturregelung 1.BG Proportionalregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x2E
|32
|Mischtemperaturregelung 1.BG Integralregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x2F
|32
|Mischtemperaturregelung 1.BG Differentialregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x30
|32
|Verstellwert Schrittmotor Dosierventil 2. BG
|Integer mit Vorzeichen
|
|-
|0x31
|32
|Bezugswassertemperatur 2. BG
|30 - 98 °C
|Integerwert in 1/10 °C, damit Wertebereich 300 bis 980
|-
|0x32
|32
|Mischtemperaturregelung 2.BG Proportionalregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x33
|32
|Mischtemperaturregelung 2.BG Integralregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x34
|32
|Mischtemperaturregelung 2.BG Differentialregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x35
|32
|Pumpensollwert 1. BG
|0 - 4096
|entspricht 0 - 5000 mV bzw. 0 - 5000 U/min
|-
|0x36
|32
|Bezugsmenge 1. BG
|20 - 300 g bzw. ml
|Integerwert in 1/10 ml, damit Wertebereich 200 bis 3000
|-
|0x37
|32
|Durchflussregelung 1.BG Proportionalregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x38
|32
|Durchflussregelung 1.BG Integralregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x39
|32
|Durchflussregelung 1.BG Differentialregelparameter
|0 - 255
|
|-
|0x3A
|32
|Pumpensollwert 2. BG
|0 - 4096
|entspricht 0 - 5000 mV bzw. 0 - 5000 U/min
|-
|0x3B
|32
|Bezugsmenge 2. BG
|20 - 300 g bzw. ml
|Integerwert in 1/10 ml, damit Wertebereich 200 bis 3000
|-
|0x3C
|32
|Durchflussregelung 2.BG Proportionalregelparameter
|0 - 255
|255 Verstellmöglichketien
|-
|0x3D
|32
|Durchflussregelung 2.BG Integralregelparameter
|0 - 255
|255 Verstellmöglichketien
|-
|0x3E
|32
|Durchflussregelung 2.BG Differentialregelparameter
|0 - 255
|255 Verstellmöglichketien
|-
|0x3F
|32
|Magnetventile
|
|
|-
|
|
|Magnetventile Byte 1
|
|
|-
|
|0
|Y101
|
| rowspan="8" |Magnetventile Y101 bis Y113 1. BG
|-
|
|1
|Y102
|
|-
|
|2
|Y103
|
|-
|
|3
|Y104
|
|-
|
|4
|Y105
|
|-
|
|5
|Y106
|
|-
|
|6
|Y107
|
|-
|
|7
|Y108
|
|-
|
|
|Magnetventile Byte 2
|
|
|-
|
|0
|Y109
|
| rowspan="8" |Magnetventile Y214 bis Y222 2. BG
|-
|
|1
|Y110
|
|-
|
|2
|Y111
|
|-
|
|3
|Y112
|
|-
|
|4
|Y113
|
|-
|
|5
|Y214
|
|-
|
|6
|Y215
|
|-
|
|7
|Y216
|
|-
|
|
|Magnetventile Byte 3
|
|
|-
|
|0
|Y217
|
|
|-
|
|1
|Y218
|
|
|-
|
|2
|Y219
|
|
|-
|
|3
|Y220
|
|
|-
|
|4
|Y221
|
|
|-
|
|5
|Y222
|
|
|-
|
|6
|
|
|
|-
|
|7
|
|
|
|-
|0x40
|32
|Bezugszeit 1. BG
|0 - 120 Sekunden
|Integerwert in 1/10 Sekunde, damit Wertebereich 0 bis 1200
|-
|0x41
|32
|Bezugszeit 2. BG
|0 - 120 Sekunden
|Integerwert in 1/10 Sekunde, damit Wertebereich 0 bis 1200
|-
|0x42
|32
|Preinfusionszeit 1. BG
|0 - 120 Sekunden
|Integerwert in 1/10 Sekunde, damit Wertebereich 0 bis 1200
|-
|0x43
|32
|Preinfusionszeit 2. BG
|0 - 120 Sekunden
|Integerwert in 1/10 Sekunde, damit Wertebereich 0 bis 1200
|-
|0x44
|32
|Stellung Vertikalhebel 1
|0 -180 Grad
|Integerwert in Grad
|-
|0x45
|32
|Stellung Vertikalhebel 2
|0 -180 Grad
|Integerwert in Grad
|-
|0x46
|32
|Tassenwärmer Soll
|PWM 0 - 100 %
|
|-
|0x47
|32
|Maschinenstatus Bytes
|
|
|-
|
|
|Maschinenstatus Byte 1
|
|
|-
|
|0
|Mischerstatus 1. BG
|0/1
|True = Mischtemperatur erreicht
|-
|
|1
|Mischerstatus 2. BG
|0/1
|True = Mischtemperatur erreicht
|-
|
|2
|Entschichtung
|0/1
|True = Entschichtung aktiv
|-
|
|3
|Handhebelmodus 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|4
|Handhebelmodus 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|Spülung 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|Spülung 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|7
|Rückspülung 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|
|Maschinenstatus Byte 2
|
|
|-
|
|0
|Rückspülung 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|1
|Schrittmotor Dosierventil Flag 1. BG
|0/1
|True = Schrittmotor für Dosierventil Kaltwasser hat ursprüngliche Position erreicht (Teil der Initialisierung)
|-
|
|2
|Schrittmotor Dosierventil Flag 2. BG
|0/1
|True = Schrittmotor für Dosierventil Kaltwasser hat ursprüngliche Position erreicht (Teil der Initialisierung)
|-
|
|3
|Kaffeebezug 1. BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|4
|Kaffeebezug 2. BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|Teewasserbezug
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|Dampfbezug
|0/1
|Bewirkt 200 mbar Reduzierung Sollwert Boilerdruck
|-
|
|7
|Boilerbefüllung 1. BG (Befüllungsflag)
|0/1
|True = Boilerbefüllung aktiv
|-
|
|
|Maschinenstatus Byte 3
|
|
|-
|
|0
|Boilerbefüllung 2. BG (Befüllungsflag)
|0/1
|True = Boilerbefüllung aktiv
|-
|
|1
|Aufheizen
|0/1
|True = Aufheizphase, False = Betriebsbereit
|-
|
|2
|Systemstart
|0/1
|True = Systemstart
|-
|
|3
|Sicherheitsfunktion
|0/1
|True = Sicherheitsfunktion aktiv
|-
|
|4
|Wartungsmodus
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|CRC-Fehler Maschinensimulator
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|CRC-Fehler Display
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|7
|Entleerung
|0/1
|True = aktiv
|}

= Loic Aboufiras, 10.06.2026, Haupttoken vom STM32 zum Display der 1. BG =

Der Token vom STM32 zum Display der 1. BG dient zur zyklischen Übertragung des aktuellen Maschinenzustands an das Display. Er enthält alle Informationen, die das Display regelmäßig zur Anzeige, Bedienfreigabe und Statusauswertung benötigt. Dazu gehören Messwerte der 1. BG, allgemeine Maschinenzustände, Fehlerzustände, Füllstandsinformationen und Freigaben. Der Token wird im regulären Betrieb mit einem Sendetakt von 4 Token pro Sekunde vom STM32 an das Display gesendet.
== Struktur ==
Der Token beginnt mit dem Startzeichen 0x0D. Danach folgt ein fest definierter Nutzdatenbereich mit 20 Byte. Am Ende befinden sich zwei Byte für das CRC16/MODBUS-Prüfverfahren. Damit ist die Gesamtlänge mit insgesamt 23 Byte eindeutig festgelegt.
== Inhalt ==
Der Token beschreibt den aktuellen Zustand der Maschine aus Sicht des Displays der 1. BG. Zuerst werden die Spannungsmesswerte übertragen, die für die Anzeige und für die Freigabe der Bedienfunktionen des Displays benötigt werden. Dazu gehören der Leitwert, der Boilerdruck, der Brühgruppendruck der 1. Brühgruppe, der Boiler-NTC der 1. Brühgruppe, der Tassenwärmer-NTC, die Mischtemperatur der 1. Brühgruppe, der Brühgruppen-NTC der 1. Brühgruppe und die Durchflussrate der 1. Brühgruppe.

Spannungsmesswerte werden als 16-Bit-Werte übertragen und liegen als Spannungsmesswerte im Bereich von 0 bis 3,3 V vor. Anhand der jeweiligen Kennlinien oder Skalierungen in physikalische Werte umgerechnet werden. Der Leitwert entspricht dabei dem Bereich von 0,2 bis 20 S/cm. Der Boilerdruck entspricht dem Bereich von 0 bis 4 bar. Der Brühgruppendruck der 1. Brühgruppe entspricht dem Bereich von 0 bis 12 bar. Die NTC-Werte werden über die hinterlegten Kennlinien ausgewertet.
Die Durchflussrate der 1. Brühgruppe wird als 8-Bit-Integerwert übertragen. Die Skalierung erfolgt in 1/10 ml/s, wodurch der übertragbare Wertebereich 0 bis 250 einem physikalischen Bereich von 0 bis 25 ml/s entspricht. Die Werte 251 bis 255 sind nicht als gültige Durchflusswerte zu interpretieren.

Nach den Messwerten folgt das Füllstandsbyte. Das Füllstandsbyte wird bitweise ausgewertet. Jedes Bit beschreibt einen einzelnen Füllstandszustand. Bit 0 beschreibt den Füllstand Boiler 1. BG, Bit 1 den Füllstand Boiler 2. BG, Bit 2 den Füllstand Tank Minimum, Bit 3 den Füllstand Tank Maximum und Bit 4 den Füllstand Abtropfschale. Bit 5 bis Bit 7 sind reserviert und dürfen nicht als gültige Steuerinformation interpretiert werden.

Daraufhin kommt der Maschinen-Counter, der einen präzisen Zustand des Systemstarts und der Funktionsprogramme beschreibt.

Am Ende des Nutzdatenbereichs befinden sich die drei Maschinenstatus-Bytes. Die Maschinenstatus-Bytes werden bitweise ausgewertet. Die ersten zwei Maschinenstatus-Bytes enthalten Betriebszustände wie Mischerstatus, Entschichtung und Handhebelmodus. In dem dritten Maschinenstatus-Byte wird unter anderem mitgeteilt, ob sich die Maschine im Wartungsmodus befindet und ob Botschaften zum STM32 erfolgreich übertragen wurden oder ob es zu einem Übertragungsfehler nach dem Überprüfen mit dem CRC-Verfahren gekommen ist.

Der Umgang mit CRC-Fehler ist nicht definiert.

== Erklärung der Tokentabelle ==
Die Tokentabelle beschreibt den Aufbau des Tokens vollständig. Sie legt fest, an welcher Byteposition eine Information steht, wie viele Byte oder Bits verwendet werden, welchen Wertebereich der Wert besitzt und wie er zu interpretieren ist.

Bei 16-Bit-Werten werden zwei aufeinanderfolgende Bytes verwendet. Bei 8-Bit-Werten wird ein einzelnes Byte gelesen. Bei Statusbytes wird nicht das gesamte Byte als Zahlenwert interpretiert, sondern jedes Bit besitzt eine eigene Bedeutung. Das Display MCU zerlegt den Token daher exakt nach dieser Tabelle: zuerst die mehrbyteigen Messwerte, danach die Einzelwerte und zuletzt die bitweisen Zustände.

Der Token wird ausschließlich vom STM32 erzeugt und vom Display gelesen. Änderungen von Sollwerten, Reglerparameter oder Wartungsfunktionen erfolgen nicht über diesen Token, sondern über separate Botschaften zurück an den STM32.

== Haupttoken von STM32 zu Display-MCU 1. BG ==
{| class="wikitable"
|+ Haupttoken von STM32 zu Display-MCU 1. BG
|-
! Byte-Nr !! Bits !! Beschreibung !! Wertebereich !! Anmerkung
|-
| 0 || 8 || Startzeichen || || 0x0D Standardtoken
|-
| 1,2 || 16 || Leitwert || 0 - 3,3 V || Spannungsteiler von 0 bis 5 V, 0,2 - 20 mS/cm
|-
| 3,4 || 16 || Boilerdruck || 0 - 3,3 V || Spannungsteiler von 0,5 bis 4,5 V, 0 bis 4 bar
|-
|5,6
|16
|Brühgruppendruck 1.BG
|0 - 3,3 V
|Spannungsteiler von 0,5 bis 4,5 V, 0 - 12 bar
|-
|7,8
|16
|Leitungsdruck 1. BG
|0 - 3,3 V
|Spannungsteiler von 0,5 bis 4,5 V, 0 - 16 bar
|-
|9,10
|16
|Boiler-NTC 1. BG
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0… 5 V
|-
|11,12
|16
|Tassenwärmer-NTC
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0… 5 V
|-
|13,14
|16
|Mischtemperatur 1. BG
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0… 5 V
|-
|15,16
|16
|Brühgruppen-NTC 1. BG
|0 - 3,3 V
|Kennlinie für 0… 5 V
|-
|17
|8
|Durchflussrate 1. BG
|0 - 25 ml/s
|1/10 ml/s
|-
|18
|
|Füllstandbyte
|
|
|-
|
|0
|Füllstand Boiler 1. BG
|0/1
|
|-
|
|1
|Füllstand Boiler 2. BG
|0/1
|
|-
|
|2
|Füllstand Tank Minimum
|0/1
|
|-
|
|3
|Füllstand Tank Maximum
|0/1
|
|-
|
|4
|Füllstand Abtropfschale
|0/1
|
|-
|
|5
|
|
|
|-
|
|6
|
|
|
|-
|
|7
|
|
|
|-
|19
|8
|Maschinen-Counter
|0 - 255
|siehe Startprozedur Flowchart
|-
|20
|
|Maschinenstatus Byte 1
|
|
|-
|
|0
|Mischerstatus 1. BG
|0/1
|True = Mischtemperatur erreicht
|-
|
|1
|Mischerstatus 2. BG
|0/1
|True = Mischtemperatur erreicht
|-
|
|2
|Entschichtung
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|3
|Handhebelmodus 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|4
|Handhebelmodus 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|Spülung 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|Spülung 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|7
|Rückspülung 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|21
|
|Maschinenstatus Byte 2
|
|
|-
|
|0
|Rückspülung 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|1
|Schrittmotor Dosierventil Flag 1. BG
|0/1
|True = Schrittmotor für Dosierventil Kaltwasser hat ursprüngliche Position erreicht (Teil der Initialisierung)
|-
|
|2
|Schrittmotor Dosierventil Flag 2. BG
|0/1
|True = Schrittmotor für Dosierventil Kaltwasser hat ursprüngliche Position erreicht (Teil der Initialisierung)
|-
|
|3
|Kaffeebezug 1. BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|4
|Kaffeebezug 2. BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|Teewasserbezug
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|Dampfbezug
|0/1
|Bewirkt 200 mbar Reduzierung Sollwert Boilerdruck
|-
|
|7
|Boilerbefüllung 1. BG (Befüllungsflag)
|0/1
|True = Boilerbefüllung aktiv
|-
|22
|
|Maschinenstatus Byte 3
|
|
|-
|
|0
|Boilerbefüllung 2. BG (Befüllungsflag)
|0/1
|True = Boilerbefüllung aktiv
|-
|
|1
|Aufheizen
|0/1
|True = Aufheizphase, False = Betriebsbereit
|-
|
|2
|Systemstart
|0/1
|True = Systemstart
|-
|
|3
|Sicherheitsfunktion
|0/1
|True = Sicherheitsfunktion aktiv
|-
|
|4
|Wartungsmodus
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|CRC-Fehler Maschinensimulator
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|CRC-Fehler Display
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|7
|Entleerung
|0/1
|True = aktiv
|-
|23,24
|16
|CRC16-Bytes 0xAC9A
|
|nach Tabelle 3 in Cyclic Redundancy Code (CRC) Polynomial Selection For Embedded Networks
|}

= Loic Aboufiras, 10.06.2026, Botschaften vom Display der 1. BG zum STM32 =

Die Kommunikation vom Display der 1. BG zurück zum STM32 erfolgt über einzelne Botschaften. Diese werden nicht zyklisch gesendet, sondern nur bei einer Bedienaktion oder Wertänderung. Dadurch sendet das Display nicht dauerhaft alle Eingabedaten zurück, sondern nur die jeweils relevante Information.
== Struktur ==
Jede Botschaft beginnt mit einem Startzeichen aus dem für das Display reservierten Bereich 0x50 bis 0x6F. Über dieses Startzeichen erkennt der STM32, welche Botschaft empfangen wurde und wie die Nutzdaten auszuwerten sind.

Nach dem Startzeichen folgt ein Nutzdatenbereich mit 32 Bit, also 4 Byte. Am Ende stehen zwei Byte mit dem CRC16-Verfahren. Damit besitzen alle Botschaften denselben Grundaufbau:
Startzeichen – Nutzdaten – CRC16

Die Bedeutung der Nutzdaten ergibt sich aus dem Startzeichen. Dadurch bleibt die Grundstruktur gleich, obwohl unterschiedliche Inhalte übertragen werden können.

Der STM32 wertet eine Botschaft erst dann aus, wenn das Startzeichen, die Länge, die CRC16-Prüfung und der Wertebereich gültig sind. Dadurch wird verhindert, dass fehlerhafte oder unvollständige Botschaften direkt in die Steuerung übernommen werden.

Die in der Tabelle angegebenen Startzeichen 0x50 bis 0x58 sind direkte Programmiervorgaben. Sie dürfen nach der Übernahme nicht umsortiert oder anders belegt werden, weil der STM32 die Bedeutung der Nutzdaten ausschließlich über das Startzeichen erkennt.
== Inhalt und Aufteilung ==
Die Botschaften sind in der Tabelle thematisch gegliedert. Erweiterungen sind allerdings unabhängig der thematischen Zuordnung lediglich durch Anhängen in der Tabelle möglich. Für alles andere wäre der Programmieraufwand zu hoch und zu fehleranfällig.

Die aktuell übertragenen Botschaften des Displays der 1. BG beziehen sich auf die 1. Brühgruppe.

Die Bezugswassertemperatur 1. BG wird mit Startzeichen 0x50 übertragen. Sie wird als Integerwert in 1/10 °C übermittelt. Dabei wird der Temperaturbereich von 30 bis 98 °C mit dem Wertebereich 300 bis 980 dargestellt.

Die Bezugsmenge 1. BG wird mit Startzeichen 0x51 übertragen. Sie wird als Integerwert in 1/10 ml beziehungsweise 1/10 g übermittelt. Dabei wird der Bereich von 20 bis 300 g beziehungsweise ml mit dem Wertebereich 200 bis 3000 dargestellt.

Die Bezugszeit 1. BG wird mit Startzeichen 0x52 übertragen. Sie wird als Integerwert in 1/10 Sekunde übermittelt. Dabei wird der Zeitbereich von 0 bis 120 Sekunden mit dem Wertebereich 0 bis 1200 dargestellt.

Die Preinfusionszeit 1. BG wird mit Startzeichen 0x53 übertragen. Sie wird als Integerwert in 1/10 Sekunde übermittelt. Dabei wird der Zeitbereich von 0 bis 120 Sekunden mit dem Wertebereich 0 bis 1200 dargestellt.

Zusätzlich werden allgemeine Sollwerte und Funktionsparameter übertragen. Die Abschalttemperatur der Entschichtung wird mit Startzeichen 0x54 übertragen. Sie wird als Integerwert in °C übermittelt und beschreibt den Bereich 90 bis 98 °C.

Die Grenztemperatur wird mit Startzeichen 0x55 übertragen. Sie wird als Integerwert in °C übermittelt und beschreibt den Bereich 135 bis 150 °C. Der Sollwert Boilerdruck wird mit Startzeichen 0x56 übertragen. Er wird als Integerwert in 10 mbar übermittelt. Dabei wird der Druckbereich von 1100 bis 1500 mbar mit dem Wertebereich 110 bis 150 dargestellt.

Die Stellung Vertikalhebel 1. BG wird mit Startzeichen 0x57 übertragen. Sie wird als Integerwert in Grad übermittelt und beschreibt den Bereich 0 bis 180 Grad.

Die Maschinenstatus-Bytes werden mit Startzeichen 0x58 vom Display der 1. BG übertragen. Zustände und Befehle werden in der Maschinenstatus-Botschaft bitweise interpretiert. Die Maschinenstatus-Botschaft besitzt wie alle Display-Botschaften einen Nutzdatenbereich von 32 Bit. Davon werden 24 Bit als verbindlicher Maschinenstatus verwendet. Diese 24 Bit entsprechen den drei definierten Maschinenstatus-Bytes auf dem STM32. Die verbleibenden 8 Bit sind reserviert und werden aktuell nicht ausgewertet.

Brühgruppenspezifische Befehle müssen eindeutig der betreffenden Brühgruppe zugeordnet werden. Handhebelmodus, Spülung und Rückspülung dürfen deshalb nicht als allgemeiner Maschinenzustand ohne Brühgruppenbezug interpretiert werden.

Die aktuell definierten Display-Botschaften beziehen sich auf das Display der 1. BG. Für ein Display der 2. BG sind weitere Token- und Botschaftsdefinitionen einzuführen.

Der STM32 wertet eine Botschaft erst dann aus, wenn die Länge und die CRC16-Prüfung gültig sind. Dadurch wird verhindert, dass fehlerhafte oder unvollständige Botschaften direkt in die Steuerung übernommen werden.

== Botschaften vom Display der 1. BG zum STM32 ==
{| class="wikitable"
|+ Botschaften vom Display der 1. BG zum STM32
|-
! Startzeichen !! Bits !! Beschreibung !! Wertebereich !! Anmerkung
|-
| 0x50 || 32 || Bezugswassertemperatur 1. BG || 30 - 98 °C || Integerwert in 1/10 °C, damit Wertebereich 300 bis 980
|-
| 0x51 || 32 || Bezugsmenge 1. BG || 20 - 300 g bzw. ml || Integerwert in 1/10 ml, damit Wertebereich 200 bis 3000
|-
| 0x52 || 32 || Bezugszeit 1. BG || 0 - 120 Sekunden || Integerwert in 1/10 Sekunde, damit Wertebereich 0 bis 1200
|-
|0x53
|32
|Preinfusionszeit 1. BG
|0 - 120 Sekunden
|Integerwert in 1/10 Sekunde, damit Wertebereich 0 bis 1200
|-
|0x54
|32
|Abschalttemperatur Entschichtung
|90 - 98 °C
|Integerwert in °C
|-
|0x55
|32
|Grenztemperatur
|135 - 150 °C
|Integerwert in °C
|-
|0x56
|32
|Sollwert Boilerdruck
|1100 - 1500 mbar
|Integerwert in 10 mbar, damit Wertebereich 110 bis 150
|-
|0x57
|32
|Stellung Vertikalhebel 1. BG
|0 -180 Grad
|Integerwert in Grad
|-
|0x58
|32
|Maschinenstatus Bytes
|
|
|-
|
|
|Maschinenstatus Byte 1
|
|
|-
|
|0
|Mischerstatus 1. BG
|0/1
|True = Mischtemperatur erreicht
|-
|
|1
|Mischerstatus 2. BG
|0/1
|True = Mischtemperatur erreicht
|-
|
|2
|Entschichtung
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|3
|Handhebelmodus 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|4
|Handhebelmodus 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|Spülung 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|Spülung 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|7
|Rückspülung 1.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|
|Maschinenstatus Byte 2
|
|
|-
|
|0
|Rückspülung 2.BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|1
|Schrittmotor Dosierventil Flag 1. BG
|0/1
|True = Schrittmotor für Dosierventil Kaltwasser hat ursprüngliche Position erreicht (Teil der Initialisierung)
|-
|
|2
|Schrittmotor Dosierventil Flag 2. BG
|0/1
|True = Schrittmotor für Dosierventil Kaltwasser hat ursprüngliche Position erreicht (Teil der Initialisierung)
|-
|
|3
|Kaffeebezug 1. BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|4
|Kaffeebezug 2. BG
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|Teewasserbezug
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|Dampfbezug
|0/1
|Bewirkt 200 mbar Reduzierung Sollwert Boilerdruck
|-
|
|7
|Boilerbefüllung 1. BG (Befüllungsflag)
|0/1
|True = Boilerbefüllung aktiv
|-
|
|
|Maschinenstatus Byte 3
|
|
|-
|
|0
|Boilerbefüllung 2. BG (Befüllungsflag)
|0/1
|True = Boilerbefüllung aktiv
|-
|
|1
|Aufheizen
|0/1
|True = Aufheizphase, False = Betriebsbereit
|-
|
|2
|Systemstart
|0/1
|True = Systemstart
|-
|
|3
|Sicherheitsfunktion
|0/1
|True = Sicherheitsfunktion aktiv
|-
|
|4
|Wartungsmodus
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|5
|CRC-Fehler Maschinensimulator
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|6
|CRC-Fehler Display
|0/1
|True = aktiv
|-
|
|7
|Entleerung
|0/1
|True = aktiv
|}

= Armin Rohnen, 31.05.2026, UART-Tester =
Für die erforderlichen Tests der UART-Kommunikation wurden aus zwei Platinen der früheren Multi-MCU-Steuerung UART-Tester hergestellt.

Von dem jeweiligen Tester wird die UART (TxD ist darauf gekennzeichnet) mit der zu UART der testenden MCU verbunden. Dabei wird TxD des Testers an RxD der zu testenden MCU und RxD des Testers mit TxD überkreuz verbunden. Zusätzlich ist von der zu testenden MCU die 5 V Versorgung des Testers herzustellen.

Wenn alle verbindungen gesteckt sind, wird die zu testende MCU per USB an einen PC verbunden. Die MCU auf dem Tester starten dann sofort, wartet 10 Sekunden und sendet dann als erstes das Steuerzeichen "0x0A". Wenn dieses von der zu testenden MCU mit dem Zeichen "0x0B" beantwortet wird erfolgt der weiteer individuelle testablauf auf dem Tester.

== Display-MCU UART-Tester ==
Ist die UART-Verbindung durch Rücksendung des Bytes "0x0B" hergestellt werden zunächst die in der Datei "startprozedur.csv" abgelegten Textzeilen übermittelt. Zwischen jeder Zeile Text wird 1 Sekunde Pause eingeelgt.

Danach werden je Sekunde 4 Stück 19 Byte lange Token gesendet. Entsprechend Tokendefinition vom 27.05.2026 vorliegenden Definition ist dieser Token in 2 Byte (16 Bit) und 1 Byte (8 Bit) Segmente unterteilt. Die Werte der einzelnen Byte werden über einen Zufallsgenerator erzeugt und entsprechen nicht den zu erwartenden Wertebereichen.

== Maschinensimulator-MCU UART-Tester ==
Ist die UART-Verbindung durch Rücksendung des Bytes "0x0B" hergestellt werden je Sekunde 4 Stück 77 Byte lange Token gesendet. Entsprechend Tokendefinition vom 27.05.2026 vorliegenden Definition ist dieser Token in 2 Byte (16 Bit) und 1 Byte (8 Bit) Segmente unterteilt. Die Werte der einzelnen Byte werden über einen Zufallsgenerator erzeugt und entsprechen nicht den zu erwartenden Wertebereichen.

= Peter Vogginger, 18.12.2025 Setter und Getter für Bits und Bytes =
Beim Arbeiten mit binären Daten ist der Einsatz von Setter- und Getter-Funktionen sinnvoll, da
sie den Code übersichtlicher machen und Fehler durch direkte Bit- oder Bytemanipulation
vermeiden. Ein Setter verändert einen Wert in einem Bytearray, während ein Getter einen
bestehenden Wert ausliest. Der Setter wird bei Bits in Form von zwei Funktionen beschrieben,
einmal das Setzen eines Bits auf 1 und das Löschen eines Bits. Letzteres meint das Setzen eines
Bits auf 0.
=== set_bit ===
Zum Setzen einzelner Bits (siehe linke Grafik in der Abbildung 4) wird zunächst aus dem Bitindex
eine Bitmaske erzeugt, indem der Wert 1 entsprechend nach links verschoben wird (1 <<
bit_index). Durch eine OR-Verknüpfung des Bytes mit dieser Maske wird das betreffende Bit
zuverlässig auf den Wert 1 gesetzt.
=== clear_bit ===
Zum Löschen eines Bits (siehe zweite Grafik von links in der Abbildung 4) wird dieselbe Maske
invertiert und das Byte anschließend mit einer AND-Verknüpfung verarbeitet. Dadurch wird das
Zielbit sicher auf den Wert 0 gesetzt. Beide Operationen verändern ausschließlich das
gewünschte Bit, alle anderen Bits im Byte bleiben unverändert.

=== get_bit ===
Das Auslesen eines Bits (siehe mittlere Grafik in der Abbildung 4) erfolgt, indem das
entsprechende Byte um den Bitindex nach rechts verschoben und anschließend mit 1 maskiert
wird. Auf diese Weise wird das Zielbit isoliert und als Wert 0 oder 1 zurückgegeben.
Für die Verarbeitung ganzer Messwerte, die aus ein oder zwei Bytes bestehen, werden ebenfalls
Setter und Getter verwendet.

=== sync_bit ===
Das Synchronisieren eines Bits (siehe linke Grafik in Abbildung 5) erfolgt, indem zunächst das entsprechende Bit aus dem Token ausgelesen und mit dem gemessenen Zustand verglichen wird. Stimmen beide Werte nicht überein, wird das Bit im Token entsprechend dem gemessenen Zustand gesetzt oder gelöscht. Ist der Wert bereits identisch, erfolgt keine Änderung.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der im Token gespeicherte Zustand jederzeit dem realen Messwert entspricht, ohne unnötige Schreibzugriffe durchzuführen.

=== set_bytes ===
Beim Schreiben von Bytes in den Token (siehe vierte Grafik von links in der Abbildung 4) wird der Integerwert
im Big-Endian-Format in zwei Bytes umgewandelt und an der vorgesehenen Position im
Bytearray gespeichert.

Big-Endian-Format bedeutet, dass bei mehrbyteigen Werten das höherwertige Byte (MSB) zuerst
gespeichert oder übertragen wird, gefolgt vom niederwertigen Byte (LSB). Im Gegensatz dazu
gibt es noch das Format Little-Endian. Hierbei ist die Reihenfolge genau umgekehrt, das
niederwertiges Byte wird zuerst übertragen. Entscheidend ist, dass Sender und Empfänger
dieselbe Endianess verwenden, sonst entstehen falsche Werte.

=== get_bytes ===
Das Auslesen von Bytes (siehe rechte Grafik in der Abbildung 4) erfolgt durch Entnehmen von
einem (oder zwei Bytes) und deren Rückwandlung in einen Integer. Da beide Funktionen
dasselbe Format Big-Endian verwenden, wird der Messwert exakt so zurückgegeben, wie er
zuvor gespeichert wurde.

=== get_signed_bytes ===
Das Auslesen eines vorzeichenbehafteten 16-Bit-Wertes (siehe mittlere Grafik in der Abbildung 5) erfolgt, indem zunächst zwei aufeinanderfolgende Bytes aus dem Token entnommen und zu einem 16-Bit-Ganzzahlwert zusammengesetzt werden. Hierzu wird das höherwertige Byte um acht Bit nach links verschoben und anschließend mit dem niederwertigen Byte logisch verknüpft.

Anschließend wird geprüft, ob das höchstwertige Bit (Bit 15) gesetzt ist. Dieses Bit stellt im Zweierkomplement das Vorzeichenbit dar. Ist es gesetzt, wird vom berechneten Wert 2^16 (0x10000) subtrahiert, um die korrekte negative Ganzzahl zu erhalten.
Auf diese Weise wird ein im Token gespeicherter 16-Bit-Wert unabhängig von seiner internen Byte-Darstellung korrekt als signed Integer interpretiert. Dieser aufwendige Code ist nötig, da in MicroPython die Anweisung int.from_bytes(two_bytes, 'big') keinen zusätzlichen Parameter signed hat. Dies gilt auch für den folgenden Getter.

===set_signed_bytes ===
Das Speichern eines vorzeichenbehafteten 16-Bit-Wertes (siehe rechte Grafik in der Abbildung 5) erfolgt durch Zerlegung des Integerwertes in zwei einzelne Bytes. Hierzu wird zunächst das höherwertige Byte ermittelt, indem der Wert um acht Bit nach rechts verschoben wird. Durch anschließendes Maskieren mit 0xFF werden ausschließlich die unteren acht Bit übernommen. Dieses Byte wird an der angegebenen Startposition im Token gespeichert.
Anschließend wird das niederwertige Byte bestimmt, indem der Wert direkt mit 0xFF maskiert wird. Auch hier werden nur die unteren acht Bit berücksichtigt. Dieses Byte wird an der darauffolgenden Position im Token abgelegt.

Die genannten fünf Funktionen werden in die Datei utils.py geschrieben. Diese Datei wird auf jeder Platine hinterlegt. 
Beispielaufruf: utils.set_bytes(token, ort, wert)

[[Datei:Setter Getter.png|thumb|1000px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Abbildung 4: Funktionsablauf Setter und Getter Teil 1, (c) Peter Vogginger|Abbildung 4: Funktionsablauf Setter und Getter Teil 1, (c) Peter Vogginger]]

[[Datei:20260213 Flussdiagramm Setter Getter 2.png|thumb|1000px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Abbildung 5: Funktionsablauf Setter und Getter Teil 2, (c) Peter Vogginger|Abbildung 5: Funktionsablauf Setter und Getter Teil 2, (c) Peter Vogginger]]

= Armin Rohnen, 13.12.2025 Espressomaschinen-Kommunikations-Ring Timing =
[[Datei:20251213 EKR-Timing.png|thumb|1000px|gerahmt|zentriert|alternativtext=EKR Timing Diagramm, (c) Armin Rohnen|EKR Timing Diagramm, (c) Armin Rohnen]]
Das Timing des Espressomaschinen-Kommunikations-Rings erfolgt durch die Taktung des ADCs der Messwertplatine. Dieser kann mit einer maximalen Abtastrate von 860 SPS (Samples per Second) betrieben werden. Da jeder 1. Messwert verworfen werden muss und insgesamt 8 Messkanäle berücksichtigt werden müssen, beträgt die effektive Abtastrate 53,75 Hz bzw. alle 18,6 ms steht damit ein neuer Messwertdatensatz zur Verfügung und es wird der Token an die Basisplatine (bas) gesendet. Nach aktuellem Stand (12. Dezember 2025) besteht der Token aus 74 Bytes, was 740 Transferbits ergibt und mit der definierten Transferrate von 230.400 Baud eine Übertragungszeit von 3,2 ms erfordert.

Der Kommunikationsring ist mit der Abfolge - Messwertplatine -> Basisplatine -> SSR-Platine -> Displayplatine -> (Maschinensimulator) -> Messwertplatine definiert. Außer auf der Messwertplatine wird jeweils der Token empfangen, danach die erforderlichen Programmcodes ausgeführt und Änderungen am Token vorgenommen um ihn abschließend an die nächste Platine weiter zu senden. Bei Einstellvorgängen des Dosierventils auf der SSR-Platine wird dies so nicht funktionieren, da die Verstellung des Schrittmotors zu lange dauern wird.

Wird die Kommunikation so wie beschrieben separat betrachtet, dann summiert sich die Transferzeit auf 12,8 ms (bzw. 16 ms mit eingebundenen Maschinensimulator) bis dass der dann mit Änderungen versehene Token wieder an der Messwertplatine angekommen ist. Alle 18,6 ms sendet bei höchster Abtastrate die Messwertplatine den Token erneut. Damit keine Informationen verloren gehen, bleiben insgesamt 5,8 ms Rechenzeit für alle im Ring befindlichen Platinen übrig. Die Messwertplatine fügt aus diesem Grund die Messwerte erst direkt vor dem Senden des Tokens darin ein.

Da eine Summenrechenzeit von 5,8 ms sehr knapp ist, ist zu prüfen, ob der Betrieb in maximaler ADC-Abtastrat emöglich ist.

Eine Reduzierung auf die Abtastrate 475 SPS würde den Token-Aktualisierungstakt auf 33,7 ms (29,7 Hz) erhöhen. Da die kummulierte Übertragungszeit mit 12,8 ms gleich bleibt, ergäbe sich dann eine Restrechenzeit von 20,9 ms. Da der aktualisierte Token, in dem die Messwertplatine wieder Änderungen einfügen darf, dann erst nach dem 3. Messwert eintrifft, ist weiterhin eine Zwischenspeicherung der erfassten Messdaten erforderlich.

= Armin Rohnen, 30.11.2025 Kommunikationsstart und kontinuierliches Sendendes Token im ADC Takt der Messwertplatine =
Über die Messwertplatine wird der Kommunikationsstart realisiert. Damit dies nicht direkt beim Einschalten erfolgt ist der zugehörige Code in der Datei main_mwp.py abgelegt. Wird diese Datei ausgeführt, dann startet die Kommunikation zwischen den Platinen und im Weiteren erfolgt der Maschinenstart.

Aktuell müssen die Variablen UART_TimeOut, token und uart global definiert werden. Werden diese zu einem späteren Zeitpunkt in main.py initialisiert, dann sind diese automatisch global.

Es wird der Initialtoken mit 75-Bytes angelegt und in Byte[0] wird "0x0A" eingetragen. Sollte es sich ergeben, dass die Tokendefinition noch zu weiteren Bytes führt, dann ist dies an den entsprechenden Stellen der main.py auf den Platinen einzutragen.

Im weiteren Ablauf wird die uart-Schnittstelle initialisiert. In der Datei uart_lib.py ist die Klassendefinition des UARTHandler hinterlegt. Diese konfiguriert die uart-Schnittstelle. Im Konstruktor der Klasse ist hinterlegt, dass per UART.IRQ_RXIDLE auf eingehende Daten an der uart-Schnittstelle ragiert wird. Es wird als erstes die Methode _uart_rx_handler aufgerufen, welche sich innerhalb der Klasse befindet. Darin werden lediglich die Daten eingelsen und auf die Methode on_receive weiterverwiesen. Die Methode on_receive ist in allen Realisierungen gleich und prüft auf empfangene Datenlänge und auf das gültige Startzeichen. Danach wird auf die Methode local_receive weitergeleitet.

Die Methode uart.local_receive aus der Klassendefinition wird durch uart.local_receive = mwp_receive_handler mit der in main_mwp.py befindlichen Funktion ersetzt. Da der zu erwartende Token eingegangen ist, wird als erstes die UART-TimeOut-Funktion deaktiviert. Es wird geprüft, ob die Sicherheitsfunktion aufgerufen werden muss oder ob der Token abgearbeitet werden kann. Handelt es sich bei dem empfangenen Token um den ersten Token, werden aktuell das Default-Kaffeerezept und die Betriebsparameter in den Token eingetragen. Es wid eine Byte-Positionsliste erstellt, an die die Messwerte im Token eingetragen werden sollen und es wird der ADS1115 gestartet, welcher danach das Senden des Token takten wird.

In der Datei mwp_messwerte.py ist die Klassendefinition des ADS1115MuxSampler angelegt. Das ist die Umsetzung als Klassendefinition der bisherigen Messdatenerfassung. Der Konstruktor benötigt den Token, eine Positionslsite für die Byte-Nr. der Messwerte im Token (token_pos_list), das UART-Schnittstellenobjekt, die PIN-Nr über den der ADC-IRQ (irq_pin_nr) eingeht und die Kennziffer für die Abtastrate (smple_rate) des ADCs. 
Wenn der ADC gestartet ist, wird nach jedem erfolgten Sampling der Messwert durch die Methode _sample abgeholt. Es wird lediglich jeder zweite Messwert verwendet, da sich in der Wandlung des ersten Messwerts die Umstellung des Multiplexers befindet und der Messwert damit nicht korrekt sein kann. Gültige Messwerte werden als 2 Bytes im Token an der zugehörigen Position abgelegt und danach wird der nächste Messkanal am Multiplexer eingestellt. Ist der achte Messwert erfasst, wird der Token gesendet und die Abarbeitung startet wieder neu.

Damit der Token über die im Verbund befindlichen Platinen durchgereicht wird existiert ein allgemeingültiges main.py und eine allgemeingültige uart_lib.py. In main.py muss die jeweils gültige Länge des Tokens inkl. aller Sonderbyts wie Startzeichen und Checksumme hinterlegt sein, sonst erfolgt keine Weiterleitung des Token. In der uart_lib.py wird aktuell der Token um 0,1 Sekunde verzägert weiter gesendet. Das ist zum Testen über den ADC-TAkt zu löschen.

= Armin Rohnen, 28.11.2025 - Grundkonzept des Programmcodes für die UART-Kommunikation =
Auf den jeweiligen Platinen werden durch die Bestromung die MCUs gestartet und es werden nacheinander die Dateien "boot.py" und "main.py" abgearbeitet. In "boot.py" befindet sich weiter kein Progammcode, dort werden höchstens Systemeinstellungen vorgenommen. In "main.py" befindet sich die Initialisierung der jeweiligen Platine. Dieses Prgramm muss beendet werden und darf keine Endlosschleife enthalten. Die Steuerung des Ablaufes erfolgt über Interrupt-Service-Routinen (ISR) welche auf definierte Interrupts reagieren und jeweils den zugehörigen Programmcode ausführen.

[[Datei:20251128 Initialisierung MWP.png|thumb|1000px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Abb. 1) Konzept zur Initialisierung der Messwertplatine, (c) Armin Rohnen|Abb. 1) Konzept zur Initialisierung der Messwertplatine, (c) Armin Rohnen]]

Zur weiteren Funktionalität auf der Messwertplatine gehört mindestens die Erstellung des (Grund)Tokens und das erste Senden des Tokens. Wird ein Token empfangen bzw. werden Daten an der UART-Schnittstelle erkannt, erfolgt die Abarbeitung gemäß Abb. 2.

[[Datei:20251128 Programmablauf UART IRQ.png|thumb|1000px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Abb. 2) Programmablauf UART ISR, (c) Armin Rohnen|Abb. 2) Programmablauf UART ISR, (c) Armin Rohnen]]

Die Abarbeitung des UART IRQ erfolgt auf allen Platinen gleich. Der UART.IRQ_RXIDLE ruft als ISR "_uart_rx_handler" auf. Darin wird lediglich geprüft ob wirklich Daten am UART-RX eingegangen sind. Wenn ja, dann werden die Daten aus dem UART-Eingangspuffer ausgelesen und es wird "on_receive" zur weiteren Überprüfung des Tokens aufgerufen. 
In "on_receive" wird geprüft ob es sich um den (richtigen) Token handelt und dieser Fehlerfrei übertragen wurde. Danach wird ein "local_receive" aufgerufen. Diese Methode der Klasse wird jeweils lokal mit der individuellen Token-Abarbeitung überschrieben. In der Token-Abarbeitung befindet sich üblich die Anweisung zum Senden des Tokens. Lediglich auf der Messwertplatine erfolgt das Senden des Tokens durch eine weitere ISR. 
Die Auslagerung der eigentlichen Verarbeitung des Tokens auf einen lokalen Programmcode entlastet den IRQ, so dass dieser sehr schnell wieder aufgerufen werden kann.

Im "local_receive" der Messwertplatine ist die Überprüfung des ersten gesendeten Tokens enthalten. Ist dieser wieder auf der Messwertplatine eingetroffen, dann wird die Messwerterfassung gestartet und es wird mit der eingestellten Abtastrate des ADC die Alert IRS (Abb. 3) abgearbeitet, welche u.a. zu jedem vollen Messwertesatz einen neuen Token versendet.

[[Datei:20251128 Programmablauf ADC IRQ MWP.png|thumb|1000px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Abb. 3) Programmablauf der ADC ISR auf der Messwertplatine, (c) Armin Rohnen|Abb. 3) Programmablauf der ADC ISR auf der Messwertplatine, (c) Armin Rohnen]]

Jeder eingehende Token am UART-RX der jeweiligen Platine lösst die Abarbeitung über die ISR aus. Solange Token im Umflauf sind, solange werden auf den einzelnen Platinen Funktionsabarbeitungen erfolgen. Getriggert wird das System durch die Abtastrate des ADCs auf der Messwertplatine. Endlosschleifen in "main.py" und/oder den ISR stören diesen Ablauf und dürfen daher nicht verwendet werden. Allerdings sind Endlosschleifen icht erforderlich, da dies über den im Umlauf befindlichen Token erfolgt.

= Peter Vogginger, 10.11.2025 - Aufgabenanalyse =
Aktuell werden die Messwerte von jeder Platine eigenständig an die MATLAB®-GUI versendet. Diese visualisiert und verarbeitet die Messwerte. Die erforderlichen Stellgrößen werden wiederum auf den Platinen in Abhängigkeit der MATLAB®-GUI eingestellt.

In Zukunft soll die Kommunikation unter den MCUs erfolgen. Die Steuerung soll über die Maschinensteuerung erfolgen. Es wird weiterhin eine MATLAB®-GUI (im folgenden MATLAB®-Wartungsapp genannt) geben, diese dient jedoch lediglich für Wartungs- und Versuchszwecke. Die Aufgabe besteht darin, eine robuste und schnelle Kommunikation aufzubauen und diese anschließend auf allen MCUs zu implementieren.

In die Auflistung der miteinander kommunizierenden Steuergeräte ist ein Touch-Display und optional ein Maschinensimulator mit aufzunehmen. Dadurch ergeben sich fünf Platinen, die im ständigen Austausch miteinander stehen: Messwertplatine, SSR-Platine, Basisplatine, Display-Platine und Maschinensimulator.

Zur Fehleranalyse und Erprobung sollen weiterhin alle Messwerte in der Kommunikation enthalten sein, um die MATLAB®-Wartungsapp an die Display-Platine anschließen zu können und mittels Logging alle Daten darauf zu visualisieren. Angelehnt an das 1984 von IBM eingeführte Token Ring Network soll eine „im Kreis laufende“ Kommunikation aufgebaut werden.

== Hardware-Aufbau ==
Die Verbindungen werden hardwareseitig durch den UART der MCUs hergestellt. Die UART Sendeleitung Tx einer MCU wird mit der Empfangsleitung Rx der nächsten MCU verbunden. Dies wird von Platine zu Platine in der Reihenfolge: Messwertplatine -> Basisplatine -> SSR-Platine -> Display-Platine -> Messwertplatine durchgeführt. Damit ergibt sich ein geschlossener Ring. Optional kann nach der Displayplatine noch der Maschinensimulator eingeschleift werden.

== Messwerte ==
Es gibt einen definierten Token. Jede Platine erneuert ihren Anteil des Tokens und entnimmt dem Token die benötigten Informationen (Messwerte). Was zuvor die MATLAB®-GUI durchgeführt hat, übernehmen nun die einzelnen Platinen. Dadurch ergibt sich unter den Platinen eine Aufgabenverteilung. Tabelle 1 zeigt eine Auflistung der Daten, die in den Datensatz des Tokens aufgenommen werden sollen. Jede nummerierte Position erhält einen Platz, je nach Bedarf an Größe. Der Token wird als Bytearray ausgeführt.

== Token ==
=== Anzahl ===
Die Anzahl der im Kreis laufenden Tokens soll sich auf einen beschränken. Dieser wird erstmalig von der Messwertplatine erzeugt und anschließend „im Kreis“ gesendet, wobei jede MCU nur den für sie relevanten Teil liest bzw. auch umschreibt. Die Abtastrate des ADC (analog digital converter) gibt die Taktrate des Tokens vor. Durch die Wahl der ADC-Abtastrate wird daher die Kommunikationsgeschwindigkeit (Token/s) beeinflusst. Dieser ist der Flaschenhals und es ist eine langsame Steigerung der Taktrate vorzusehen, um mögliche Auswirkungen und Probleme in der Übertragung festzustellen.

=== Struktur ===
Am Anfang befindet sich ein Startzeichen, um die Art des Tokens (Standard-, Start- oder Paniktoken; siehe unten), festzulegen. Anschließend folgt ein Datensatz und danach eine Prüfsumme. Der Datensatz ist so auszuführen, dass dieser einfach erweitert werden kann, um Erweiterungen zu ermöglichen (z.B. 2. Brühgruppeneinheit). Im Weiteren ist der Token möglichst kurz auszuführen. Der Token soll über eine einheitliche Länge verfügen. Der Token wird als bytearray angelegt und auch so empfangen. (dateneingang = bytearray(readIn(UART))) Datensatz: Jedem Messwert wird ein Bereich von 2 Byte als fester Platz im Token zugewiesen.

=== Prüfsumme ===
Um die fehlerfreie Übertragung eines Tokens zu bestätigen, wird aus dem Datenblock des Tokens eine Prüfsumme gebildet und diese ans Ende des Tokens angehängt. Das verwendete Verfahren ist CRC-32.

=== Standardtoken ===
Es ist erkennbar über das Startzeichen am Anfang und wird genutzt für den regelmäßigen Datenaustausch zwischen den MCUs. Starttoken: Es ist erkennbar über das Startzeichen am Anfang. Hierbei wird beim Einschalten der Espressomaschine die Betriebsbereitschaft der gesamten Kommunikation geprüft. Sowohl ob die Hardwareverbindung intakt ist als auch ob alle MCUs empfangen und senden können. Es gilt zu klären, welche MCU dies aussendet.

=== Paniktoken ===
Es ist erkennbar über das Startzeichen am Anfang. Dies ist die Realisierung eines Not-Halts. Es sollen alle Prozesse augenblicklich gestoppt werden.
=== Fehlererkennung ===
Wird das Token nicht innerhalb einer definierten Zeitspanne wieder am Empfang einer MCU erkannt, festgelegt über einen timer-Funktion, soll am Display eine Fehlermeldung ausgegeben werden. Erkennt eine Platine einen Fehler (aufgrund Timeout), werden Magnetventile geschlossen (stromlos geschaltet), die Heizungen und die Pumpen werden abgeschaltet, der Wert des Dosierventils Kaltwasser wird gespeichert. Es ist ein Fehlerspeicher im Grundkonzept vorgesehen.

== Token Definition ==
Anmerkung Armin Rohnen, 24.06.2026: Die Tokendefinietion ist aufgrund des Wechsels der Steuerungs-MCU auf eine STM32H753ZI erneut angepasst worden.

= Peter Vogginger,19.10.2025 - NUCLEO_H743ZI2 =
Kommunikation als Token-Ring oder in Stern-Topologie

Der Wechsel der Kommunikation von dem geplanten Token-Ring-Verfahren, hin zur Stern-Topologie erfordert 3 serielle Schnittstellen. Dies ist mit der aktuellen Konstellation, 4 MCUs (Basisplatine, SSR-Platine, Messplatine und Displayplatine) mit jeweils einem Raspberry Pi Pico RP2040, nicht möglich. An einem RP2040 stehen 2 serielle Schnittstellen zur Verfügung.

Der Wechsel hin zu einem größeren Board, dem NUCLEO-H743ZI2 MCU-Board mit einer STM32H7 MCU. Der Wechsel würde Vorteile bieten:
* weniger Elektronik in der Peripherie
* ADCs ausreichend am Board
* DACs ausreichend am Board
* 8 serielle Schnittstellen
* viel mehr nutzbare PINs

Die Vielzahl an Anschlüssen bietet die Möglichkeit, von aktuell 3 Platinen (und 3 MCUs) auf 1 Platine mit einem MCU-Board zu reduzieren.

Allerdings bietet diese Umstellung nicht nur Vorteile.

Nachteilig wäre, dass bei jedem MicroPython Update ein eigenes Derivat erstellt werden müsste, da default die ADC auf 12-Bit Auflösung in MicroPython definiert sind. Aktuell existiert ein Derivat mit 16-Bit ADC Konfiguration (NUCLEO_H743ZI2_v1-27-0_ADC_16BIT.hex), dies basiert auf der MicroPython Version v1-27-0.

Allerdings ist die Verfügbarkeit von NUCLEO-Boards immer zeitweise nicht gegeben. Diesbezüglich wäre ein Platinenlayout inkl. den Bauelementen für MCU und der direkten Peripherie erforderlich. Was aber erst nach der Inbetriebnahme der beiden Prototypen-Maschinen sinnvoll erscheint. Die Kosten dieser externen Entwicklung werden auf 50 t€ bis 100 t€ geschätzt.

Aufgrund der aktuellen Situation wird bis auf Weiteres die Verwendung von Raspberry Pi Pico verfolgt.

= Armin Rohnen, 16.10.2025 =
Im Zuge der Analyse für die zweite Auflage von MATLAB® meets MicroPython ist das Thema der UART-Kommunikation tiefer betrachtet worden.

Die Kommunikation ist mit Sorgfalt zu programmieren. Durch Lesen und Schreiben auf die UART-Schnittstelle kann die MCU blockiert und dauerhaft an der Ausführung anderer Programmteile gehindert werden. Die Problematik ist in Abschnitt 3.13 der 2. Auflage MATLAB® meets MicroPython beschrieben.

Evaluation STM32H7

2026-10-16T23:09:47Z

Konstantin Rupprecht:

= Armin Rohnen, 04.08.2026 Umstellung auf STM32H753ZI - Definitionen =
Für die Umstellung der Steuerungselektronik auf eine Steuerungsplatine mit einer STM32H753 MUC und je Brühgruppe eine integrierte Display-MCU-Einheit wurden aus den vorhandenen Platinen der Multi-MCU-Steuerung zwei Prototypensteuerungen erstellt. Diese dienen zur Programmierung und für die erforderlichen Testst der Steuerungsfunktionalität. Die Belegung der Anschlussstecker ist daher identisch zu der Multi-MCU-Steuerung und soll bei der finalen Steuerungsplatine weitestgehend übernommen werden.

Für die Programmierung endscheident ist die PIN-Belegung des Nucleo STM32H753ZI Boards. Verwendet werden die bereits durchkantaktierten ZIO-Stecker CN/, CN8, CN9 und CN10. Die angaben in Klammern () werden für die zweigruppige Variante benötigt und sind aus diesem Grund vorgehalten, sind aber in den Testprototypen nicht umgesetzt. Die Pinbelegung befindet sich etwas anders aufbereitet nochmals in der Systemelektronik.

{| class="wikitable"
|+ PIN Finktionalität SMT32H753ZI - ZIO CN7
|-
! Bemerkung !! Belegung !! Nutzung !! Name !! PIN !! PIN !! Name !! Nutzung !! Belegung !! Bemerkung
|-
| DIG_A-|| Dosierventil 1. BG A-|| I/O|| D16|| 1 || 2 || D15|| I/O|| Dosierventil 1. BG A+||DIG_A+
|-
| DIG_B-|| Dosierventil 1. BG B-|| I/O|| D17|| 3 || 4 || D14|| I/O|| Dosierventil 1. BG B+||DIG_B+
|-
| || || I/O|| D18|| 5 || 6 || || || ||
|-
| FUELL1|| Tank Füllstand min.|| I/O|| D19|| 7 || 8 || || || ||
|-
| || || I/O|| D20|| 9 || 10 || D13|| DAC|| (Pumpe 2. BG)||DAC(2), 0 ... 3,3 V
|-
| FUELL2|| Tank Füllstand max.|| I/O|| D21|| 11 || 12 || D12|| ADC|| Brühgruppendruck 1. BG||SIG7
0,5 ... 4,5 V, 0 ... 12 bar
|-
| FUELL3|| Füllstand Abtropfschale|| I/O|| D22|| 13 || 14 || D11|| I/O|| Heizelement 1. BG||D-SSR15, 8 Hz PWM
|-
| || (Boilerfüllstand 2. BG)|| I/O|| D23|| 15 || 16 || D10|| I/O|| Heizelement Tassenwärmer||D-SSR16, 8 Hz PWM
|-
| DAC_PUMPE
DAC(1), 0 ... 3,3 V
| Pumpe 1. BG|| DAC|| D24|| 17 || 18 || D9|| I/O|| (Heizelement 2. BG)||8 Hz PWM
|-
| FUELL4|| Boilerfüllstand 1. BG|| I/O|| D25|| 19 || 20 || D8|| ADC|| Boilerdruck||SIG5
0,5 ... 4,5 V, 0 ... 4 bar
|}

{| class="wikitable"
|+ PIN Finktionalität SMT32H753ZI - ZIO CN8
|-
! Bemerkung !! Belegung !! Nutzung !! Name !! PIN !! PIN !! Name !! Nutzung !! Belegung !! Bemerkung
|-
| || || || NC|| 1 || 2 || D43|| I/O|| ||
|-
| || || || IOREF|| 3 || 4 || D44|| I/O|| ||
|-
| || || || NRST|| 5 || 6 || D45|| I/O|| ||
|-
| U+ für aktive Filter der Messplatine|| || || 3,3 V|| 7 || 8 || D46|| I/O|| ||
|-
| || || || 5 V|| 9 || 10 || D47|| I/O|| ||
|-
| || || || GND|| 11 || 12 || D48|| I/O|| ||
|-
| || || || GND|| 13 || 14 || D49|| I/O|| ||
|-
| Spannungsversorgung 5 V|| || || VIN|| 15 || 16 || D50|| I/O|| ||
|}

{| class="wikitable"
|+ PIN Finktionalität SMT32H753ZI - ZIO CN9
|-
! Bemerkung !! Belegung !! Nutzung !! Name !! PIN !! PIN !! Name !! Nutzung !! Belegung !! Bemerkung
|-
| SIG8|| Leitwert|| ADC|| A0|| 1 || 2 || D51|| USART_B_SCLK|| ||
|-
| SIG6
0,5 ... 4,5 V, 0 ... 16 bar
| Leitungsdruck 1. BG|| ADC|| A1|| 3 || 4 || D52|| USART_B_RX|| UART zu Display|| Tx_D
|-
| SIG1, NTC|| Boiler 1. BG|| ADC|| A2|| 5 || 6 || D53|| USART_B_TX|| UART zu Display||Rx_D
|-
| SIG2, NTC|| Brühgruppe 1. BG|| ADC|| A3|| 7 || 8 || D54|| USART_B_RTS|| ||
|-
| SIG3, NTC|| Mischer 1. BG|| ADC|| A4|| 9 || 10 || D55|| USART_B_CTS|| ||
|-
| SIG4, NTC|| Tassenwärmer|| ADC|| A5|| 11 || 12 || GND|| || ||
|-
| || (Y221)|| I/O|| D72|| 13 || 14 || D56|| I/O|| (Dosierventil 2. BG A+)||
|-
| || (Y222)|| I/O|| D71|| 15 || 16 || D57|| I/O|| (Dosierventil 2. BG B+)||
|-
| || || I/O|| D70|| 17 || 18 || D58|| I/O|| ||
|-
| || || I/O|| D69|| 19 || 20 || D59|| I/O|| ||
|-
| FLOWMETER|| Flowmeter 1. BG|| I/O|| D68|| 21 || 22 || D60|| I/O|| Flowmeter 2. BG||
|-
| || || || GND|| 23 || 24 || D61|| ADC|| (Leitungsdruck 2. BG)||0,5 ... 4,5 V, 0 ... 16 bar
|-
| CAN_RX|| || UART|| D67|| 25 || 26 || D62|| ADC|| (Noiler 2. BG)||NTC
|-
| CAN_TX|| || UART|| D66|| 27 || 28 || D63|| ADC|| (Brühgruppe 2. BG)||NTC
|-
| || (Dosierventil 2. BG A-)|| I/O|| D65|| 29 || 30 || Dd64|| I/O|| (Dosierventil 2. BG B-)||
|}

{| class="wikitable"
|+ PIN Finktionalität SMT32H753ZI - ZIO CN10
|-
! Bemerkung !! Belegung !! Nutzung !! Name !! PIN !! PIN !! Name !! Nutzung !! Belegung !! Bemerkung
|-
| || || || AVDD|| 1 || 2 || D7|| I/O|| Y101||D-SSR1
|-
| || || || AGND|| 3 || 4 || D6|| I/O|| Y102||D-SSR2
|-
| || || || GND|| 5 || 6 || D5|| I/O|| Y103||D-SSR3
|-
| 0,5 ... 4,5 V, 0 ... 16 bar|| (Brügruppendruck 2. BG)|| ADC|| A6|| 7 || 8 || D4|| I/O|| Y104||D-SSR4
|-
| NTC|| (Mischer 2. BG)|| ADC|| A7|| 9 || 10 || D3|| I/O|| Y105||D-SSR5
|-
| U_FLOW|| Durchfluss 0 ... 3 V, 0 ... 10 ml/s|| ADC|| A8|| 11 || 12 || D2|| I/O|| Y106||D-SSR6
|-
| D-SSR7|| Y107|| I/O|| D26|| 13 || 14 || D1|| UART|| UART zu MS||Rx_MS
|-
| || || I/O|| D27|| 15 || 16 || D0|| UART|| UART zu MS||Tx_MS
|-
| || || || GND|| 17 || 18 || D42|| I/O|| Y108||D-SSR8
|-
| D-SSR9|| Y109|| I/O|| D28|| 19 || 20 || D41|| I/O|| Y110||D-SSR10
|-
| D-SSR11|| Y111|| I/O|| D29|| 21 || 22 || GND|| || ||
|-
| D-SSR12|| Y112|| I/O|| D30|| 23 || 24 || D40|| I/O|| Y113||D-SSR13
|-
| D-SSR14|| (Y214)|| I/O|| D31|| 25 || 26 || D39|| I/O|| (Y215)||
|-
| || || || GND|| 27 || 28 || D38|| I/O|| (Y216)||
|-
| U_PUMPE|| N-Pumpe 0 ... 3 V, 0 ... 5000/min|| ADC|| D32|| 29 || 30 || D37|| I/O|| (Y217)||
|-
| LED 1|| || || D33|| 31 || 32 || D36|| I/O|| (Y218)||
|-
| || (Y219)|| I/O|| D34|| 33 || 34 || D35|| I/O|| (Y219)||
|}

= Armin Rohnen, 22.03.2026 Problembeschreibung=
Die aktelle Steuerungselektronik besteht aus den drei Platinen (und Mikrocontrollern) Basisplatine, Messplatine und SSR-Platine. Hinzu kommt noch mindestens eine weitere Platine in Verbindung mit dem Display und ggf. eine weitere zur Kommunikation über WLAN oder Bluetooth. Dies ergibt mindestens 4 Mikrocontroller im Gesamtsystem, welche kontinuierlich über UART miteinander Daten austauschen. Darunter auch zeit- und sicherheitsrelevante Informationen.

== Warum sind es so viele Mikroconroller ==
Zu Beginn der Steuerungsentwicklung ergab sich aufgrund der Corona-Krise das Problem, dass Mikrocontroller-Board schwer verfügbar waren. In diesem Zeitraum ist mit dem Raspberry Pi Pico (RP2040) ein kostengünstiger und sehr gut verfügbarer Mikrocontroller in den Markt gebracht worden. Mit dieser MCU entwickelte sich auch die Idee die Steuerung mit MicroPython zu programmieren. Der Nachteil des RP2040 ist jedoch seine Baugröße, er verfügt über relativ wenige PINs und hat keinen programmierbaren DAC (digital analog converter) zur Sollsignalgenerierung. Im Zuge der Steuerungsentwicklung hat sich zudem herausgestellt, dass für die Spannungsmessung der Sensorsignale (Drücke und Temperaturen) eine 16Bit-Auflösung benötigt wird, um die angestrebte Genauigkeit erreichen zu können.

== Alternativen ==
Gerade die Problematik mit der erforderlichen Auflösung von 16Bit für die Spannungsmessung der Druck- und Temperatursignale führt auf die STM32H7-MCU. Diese ist als NUCLEO STM32H753ZI relativ gut im Markt verfügbar. Allerdings gibt es hierzu kein evaluiertes MicroPython-Derivat.

Von einer weiteren Variante, dem NUCLEO STM32H743ZI2-Board sind im Labor 3 Stück verfügbar. Der Unterschied zwischen STM32H743ZI2 und STM32H753ZI ist die Krypto-Unterstützung im H753, welche gänzlich nicht benötigt wird. Darüber hinaus sind beide Boards PIN-gleich und grundsätzlich sollte das vorhandene 16Bit-ADC optimierte MicroPython-Derivat des STM32H743ZI2 auch auf dem STM32H753ZI funktionieren. Nur gesichert ist dies allerdings nicht. Das wäre zu überprüfen.

Allerdings würden für den aktuell anstehenden Bedarf an mximal 3 Systemsteuerungen, die vorhandenen drei STM32H743ZI2-Boards ausreichen.

== Was zu tun ist ==
* Lauffähigkeit des 16Bit-ADC optimierten MicroPython-Derivat des STM32H743ZI2 auf dem STM32H753ZI
* Nutzbare ADC-PINs
* Nutzbare UART PINs
* Nutzbare PWM-Pins bzw. MicroPython-Algorithmus für 8 Hz PWM-Signal mit 0 bis 100% einstellbaren Tastverhältnis
* Nutzbare Dig-Out-PINs
* Nutzbare Dig-In-PINs

Die Überprüfung der PINs soll sich auf die bereits bestückten Kontaktleisten CN7, CN8, CN9 und CN10 beschränken. Nur wenn diese für die Anforderungen der Steuerungselektronik nicht ausreichen, darf auf die im Default unbestückten Kontaktleisten CN11 und CN12 ausgewichen werden.

Projektstart 14.10.2026

2026-10-16T16:59:01Z

Konstantin Rupprecht:

= Besprechungsprotokoll Projektstart – 14.10.2026 =
Ort: VLabor für Maschinendynamik; Raum B0273 
Datum: 14.10.2026 
Teilnehmer: LfbA Armin Rohnen, Benedikt Biebl, Luka Topic, Gerardo Gonzalez de la Cerda, Markus Dirnberger, Julian Schiederer, Konstantin Rupprecht 
Moderator: LfbA Armin Rohnen 
Protokollant: Konstantin Rupprecht

= Top 1) Protokollführer =
Konstantin Rupprecht wurde von LfbA Armin Rohnen beauftragt das Protokoll für den 14.10.2026 zu verfassen.

= Top 2) Vorstellungsrunde =
Die Teammitglieder stellten sich kurz vor und begründeten ihre Motivationen dieses Projektmodul gewählt zu haben.

= Top 3) Projekt / Projektteam =
Während dem Projekt sollen sich die Teilnehmer selbständig organisieren, Aufgabenstellungen interpretieren und daraus Lösungsstrategien entwickeln.
Da Julian Schiederer momentan seine Abschlussarbeit schreibt und das Projektmodul daher zeitlich nicht priorisieren kann, verlässt er das Projektteam. Das Projektteam besteht nun aus den Teilnehmern: LfbA Armin Rohnen, Benedikt Biebl, Luka Topic, Gerardo Gonzalez de la Cerda, Markus Dirnberger, Konstantin Rupprecht.

= Top 4) Kommunikation und Dokumentation =
Die Kommunikation soll ausschließlich über die HM-eMail stattfinden. Um ein zeitnahes Beantworten zu gewährleisten, sollen die Teilnehmer täglich ihr Postfach kontrollieren.
Die Projektdokumentation wird im Wiki für Technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee festgehalten und ist auf dem aktuellen Stand zu halten (spätestens alle 2-Wochen). Zu Projektabschluss wird eine Abschlusspräsentation gehalten, die als Orientierung für die nachfolgenden Teilnehmern dient.

= Top 5) KI Nutzung =
Die Teilnehmer haben zugestimmt, sich an die vorgelegten Regeln der KI-Nutzung zu halten. Dazu zählen das Brainstorming, Quellen und Literatur Recherche, Datenanalyse und Programmierung, Lektorat, Literaturverwaltung und Zitationsmanagement.

= Top 6) Projektstand Prototypenbau =
LfbA Armin Rohnen erläuterte den aktuellen Projektstand des Prototypenbaus. Es ist eine Aufgabenanalyse vorhanden, jedoch muss noch eine Revision und eine Priorisierung stattfinden. Es existiert ein montierter Faltrahmen, wobei die Montage nicht dokumentiert wurde. Ebenso ist die Problemstellung nicht dokumentiert. Für die Boilerübernahme muss der Boiler um 180° gedreht werden und die momentanen Befestigungsteile dafür sind nicht passend. Zudem soll eine Außenhülle erstellt werden. Die Lanzenadapter für die Übernahme aus der Glasboilermaschine sind noch nicht final entwickelt und sollen letztendlich aus Messing hergestellt werden. Die Steuerungselektronik/ Programmierung ist vorhanden, muss aber im Projektverlauf abgestimmt werden. Der Maschine fehlen Maschinenfüße. Die Abtropfschale ist zu niedrig, unhandlich und ist nicht formstabil.

= Top 7) Projektstand BZ 10 Umbau =
LfbA Armin Rohnen verwies auf dem Projektstand des BZ-10 Umbaus. Es ist eine Maschine im Bestand die für den Umbau benutzt werden soll. Von der BZ-10 ist eine Explosionszeichnung vorhanden. Der Änderungsumfang der BZ-10 muss ermittelt werden sowie die Anpassungen für die Brühgruppe. Diese soll einen Kunststoffeinsatz bekommen was zum Entfall der Brühgruppenheizung führt und eine neue Brühgruppenbrücke als Faltteil fordert. Die gleichen Lanzen aus der Glasboilermaschine sollen hier ebenfalls verbaut werden. Die BZ-10 soll eine Boilerisolierung bekommen. Die Steuerungselektronik soll baugleich zur Labormaschine und Glasboilermaschine sein. Es fehlen die Aufgabenanalyse, Priorisierung sowie Zielvereinbarung.

= Top 8) Projektstand Programmierung =
LfbA Armin Rohnen teilte mit, dass er in den Semesterferien einiges für die Maschinensteuerung unternommen habe. Somit ist schon eine Aufgabenanalyse vorhanden, sowie eine Prototypenplatine zur Umstellung auf die STM32H7-Plattform. Die überarbeitete Steuerplatine muss bestückt und getestet werden. Der Code für die Maschinenstartprozedur würde ebenfalls verfasst. Die Kommunikation mit dem Display wurde mit simulierten Werten getestet und die Grundlagen der Darstellungen erstellt. Die Kommunikation mit dem Maschinensimulator/ Wartungsapp wurde nicht weiter behandelt. Für den Maschinesimulator selbst ist eine Platinenentwicklung erforderlich als auch die Implementierung der Durchflusssimulation und der Pumpendrehzahl. Das Grundkonzept des Maschinensimulator/ Wartungsapp muss von MATLAB® auf Python wegen Lizenzproblemen umgelagert werden.

= Top 9) Regeltermin =
Es wurde sich vorerst auf den Regeltermin am Mittwoch um 9 Uhr geeinigt. Am kommenden Termin sollen die Arbeitspakete der einzelnen Teilnehmer vorgestellt werden.

= Top 10) Laboreinweisung =
Im Rahmen der Laborunterweisung wurde insbesondere auf folgende Punkte hingewiesen: Das Labor verfügt über mehrere Not-Aus Systeme. Diese schalten bei Betätigung entsprechende Netzversorgung stromfrei.
Arbeiten an Netzversorgungsanlagen (230V) dürfen nicht selbstständig durchgeführt werden. Sollten Arbeiten an Netzversorgungsanlagen durchgeführt worden sein, dann sind diese bis zur Überprüfung einer Elektrofachkraft still zu legen.
Das Lupenlicht am Lötplatz ist nach der Nutzung ganz nach links zu schieben, um Gefahren aufgrund von fokussiertem Licht zu vermeiden.
Werkzeuge, Betriebsmittel, etc. die auf einem Arbeitsplatz liegen, sind für den Arbeitenden reserviert. Sobald sie nicht mehr benötigt werden, sind sie unverzüglich an ihren Aufbewahrungsplatz zurückzuräumen. Dort stehen sie dann allen wieder zur Verfügung.
Die Arbeitsplätze sind immer ordentlich zu verlassen. Im Labor stehen elektro- und messtechnische Bauteile zur Verfügung, an denen man sich bedienen kann. Sofern etwas leer geht oder fehlt, muss Herr Armin Rohnen benachrichtigt werden.
Sollte jemand etwas aus dem Labor mit nach Hause nehmen wollen, ist auch dies mit Herr Armin Rohnen vorher abzustimmen.

= Zugehörige Dokumente =
[[:Datei:20261013 Projektstart.pdf|Präsentation zum Projektstart]]

Projektstart 14.10.2026

2026-10-15T14:00:13Z

Konstantin Rupprecht: /* Besprechungsprotokoll Projektstart – 14.10.2026 */

Projektstart 14.10.2026

2026-10-15T13:42:58Z

Konstantin Rupprecht: /* Besprechungsprotokoll Projektstart – 14.10.2026 */

Systemsoftware

2026-05-22T15:05:11Z

Konstantin Rupprecht: /* ToDo-Liste: MCUs - Verlagerung der Regelkreise aus der MATLAB®-GUI auf die Mikrocontroller der Steuerungselektronik */

<htmltag tagname="img" src="http://vg04.met.vgwort.de/na/4531f1734b324b72b2d7e566cdf639f0" width="1" height="1" alt=""></htmltag>
[[Datei:Breites Logoband.png|mini|zentriert|hochkant=2.5]] 
Die Systemsoftware lässt sich nicht ohne die Beachtung der Systemelektronik erstellen.

Für die Systemsoftware wurde ein mehrstufiger Entwicklungsprozess definiert:
# Nutzung einer MCU auf der MicroPython verwendet werden kann. Dies ist durch das STM32F411 nucleo Board der Basiselektronik bzw. durch den Raspberry Pi Pico der Multi-MCU-Elektronik gegeben.
# Auf der MCU werden lediglich die elementaren Grundfunktionen (GPIO schalten und erfassen, Messwert erfassen, PWM Ausgeben, Sollwert ausgeben, etc.) realisiert und über eine MicroPython zu MATLAB® Schnittstelle [41] wird die Funktionalität in einer MATLAB® GUI hergestellt.
# Die Softwareentwicklung startet mit der labortechnischen Espressomaschine und wird auf die weiteren Projekte schrittweise transportiert. Dazu ist die Maschinenelektronik gleich zu halten und es sind die gleichen Anschluss-Pins zu verwenden.
# Nach Abschluss der Testphase der MATLAB® Bedienung wird schrittweise die Betriebssoftware in MicroPython auf der MCU implementiert, so dass am Ende dieses Prozessschrittes die MATLAB®-Verbindung lediglich für weiterführende Datenerfassung und grafische Darstellungen verwendet wird, welche nicht mit dem Display der Maschine möglich ist oder dort nicht dargestellt werden soll.
# Ob eine Portierung des MicroPython-Codes nach Microcontroller C durchgeführt wird, ist derzeit nicht entschieden.

Es wurden mehrere, die Softwareentwicklung vorbereitende FMEAs durchgeführt. Die hierdurch entstandenen Dokumentation befinden sich in der Dokumentationsauflistung. Im weiteren wurde eine Projektarbeit zur Konzeptfindung für die Badienung durchgeführt. Auch die hierdurch entstandenen, teilweise auf die FMEA aufbauenden Dokumente befinden sich in der Dokumentationsliste.

= Projektdokumentationen und Beschreibungen =
* [[:Datei:20210228 Konzept Systemelektronik.pdf|Konzeptbeschreibung Systemelektronik]]
* [[:Datei:20210605 Workflow Embedded Systems.pdf|Workflow Embedded Systems]]
* [[:Datei:20200521 Bericht1 NerminArbi.pdf|Funktionsanalyse Boilerbefüllung, Tassenwärmung, Milchschäumen]]
* [[:Datei:20200518 Bericht halbauto Entkalkung Egger Alexander.pdf|Funktionsanalyse zur halbautomatischen Entkalkung]]
* [[:Datei:20200518 V0 4 Bericht Funktionsanalyse Rückspulung-Spulung Sladoje.pdf|Funktionsanalyse Rückspülung und Spülung]]
* [[:Datei:20200521 Bericht Espresso-Teewasserbezug Urbin.pdf|Funktionsanalyse Espresso und Teewasserbezug]]
* [[:Datei:20200522 Bericht Funktionsanalyse Energieeffizienz Egger Alexander.pdf|Funktionsanalyse Energieeffizienz]]
* [[:Datei:20200521 V2 Bericht Funktionsanalyse Bedienung Sladoje.pdf|Funktionsanalyse Bedienung]]
* [[:Datei:20200525 Bericht Abbildung aller Maschinen Urbin V2.pdf|Funktionsanalyse Abbildung aller Maschinen]]
* [[:Datei:20200609 Bericht Fehleranalyse Entschichtung.pdf|Fehleranalyse Entschichtung]]
* [[:Datei:20200610 Fehleranalyse Dampf Brühgruppe Sladoje.pdf|Fehleranalyse Brühgruppe und Dampfbezug]]
* [[:Datei:20200613 Bericht Fehleranalyse Mischer;Magnetventile V2.pdf|Fehleranalyse Mischer und Magnetventile]]
* [[:Datei:20200611 Bericht3 NerminArbi.pdf|Fehleranalyse Boiler]]
* [[:Datei:20200705 Dichtheitsprüfung.pdf|Dichtheitsprüfung]]
* [[:Datei:20200704 Massnahmen Urbin.pdf|Prüfkonzepte Magnetventile und Mischer]]
* [[:Datei:20200701 Maßnahmenanalyse NerminArbi.pdf|Maßnahmen Boiler]]
* [[:Datei:20200628 Maßnahmen Entschichtung zweiter Stand.pdf|Maßnahmen Entschichtung]]
* [[:Datei:20200627 Maßnahmenkonzept Brühguppe Dampf Sladoje.pdf|Maßnahmen Brühgruppe und Dampf]]
* [[:Datei:20200707_FMEA.xlsx|FMEA Tabelle]]
* [[:Datei:20201207_Bedienkonzept.pptx|PPT Simulation des Bedienkonzeptes]]
* [[:Datei:20210207_Bedienkonzept_Funktionsliste.xlsx|Bedienkonzept Funktionsliste]]
* [[:Datei:20210219_Bedienkonzept_Projektdokumentation.pdf|Bedienkonzept Projektdokumentation]]
* [[:Datei:HMProjektBedienoberflaecheEspresso.zip|MATLAB® GUI]]
* [[Entwicklung Systemsoftware SoSe2022]]
* [[Entwicklung Systemsoftware SoSe2023]]
* [[Mikrocontroller Programmierung in MicroPython WiSe 2025/26]]
* [[Mikrocontroller Programmierung in MicroPython SoSe 2026]]

= [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Programmcode Programmcode] =
Aktueller Programmcode und Änderungsdokumentation ab Jan 2023

= [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Software-Bugs Software-Bugs] =

= ToDo-Liste(n) Systemsoftware =

== Prioritätsangabe ==
Prio 1 - Abarbeitung zeitnah erforderlich 
Prio 2 - Abarbeitung erforderlich 
Prio 3 - Abarbeitung kann warten 
Prio 99 - Abarbeitung erfordert Vorarbeiten 

== Status ==
10 - Erfasst 
30 - in Bearbeitung 
50 - Lösung definiert 
70 - in Umsetzung 
90 - Umsetzung abgeschlossen 
99 - Abbruch per Beschluss (Dokumentation dazu erforderlich) 
100 - Maßnahme bestätigt 

= ToDo-Liste: MCUs - Verlagerung der Regelkreise aus der MATLAB®-GUI auf die Mikrocontroller der Steuerungselektronik =
{| class="wikitable sortable"
|-
! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
|-
| [[Startprozedur]] || || 1 || 70 ||
|-
| [[Kommunikation per UART|UART Kommunikation zwischen den einzelnen MCUs]] || Konstantin Rupprecht|| 1 || 30 ||22.05.2026
|-
| [[Evaluation STM32H7 |Umstellung auf STM32H7]] || Konstantin Rupprecht|| 1 || 10 ||22.05.2026
|-
| [[Mehrkernnutzung und/oder Multitasking]] || Konstantin Rupprecht|| 1 || 100 ||08.05.2026
|-
| [[Integration eines Displays mit Touchfunktion]] || Loic Aboufiras|| 1 || 30 ||22.05.2026
|-
| [[Integration eines Vertikalhebels]] || Loic Aboufiras|| 1 || 30 ||12.06.2026
|-
| [[Maschinensimulator]] || Felix Kerner|| 1 || 30 ||22.05.2026
|-
| [[Visualisierung und Interaktion über die MATLAB®-GUI|Wartungs-App]] || Felix Kerner|| 1 || 30 ||22.05.2026
|-
| [[Verlagerung des Füllstandsreglers auf das Basisboard|Verlagerung des Füllstandsreglers]] || Tillmann Haas|| 1 || 30 ||08.05.2026
|-
| [[Verlagerung der Boilerdruckregelung auf die Messplatine|Verlagerung der Boilerdruckregelung]] || Tillmann Haas|| 1 || 30 ||15.05.2026
|-
| [[Verlagerung des Mischtemperaturreglers auf das Basisboard|Verlagerung des Mischtemperaturreglers]] || Tillmann Haas|| 1 || 10 ||10.06.2026
|-
| [[Verlagerung des Durchflussreglers auf das Basisboard|Verlagerung des Durchflussreglers]] || Tillmann Haas|| 1 || 10 ||08.07.2026
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Preinfusion auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Kaffeebezug auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Wasserbezug auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Dampfbezug auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Spülen auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Grundreinigung auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Visualisierung und Interaktion über eine WEB-Anwendung]] || || 1 || 10 ||
|}

= ToDo-Liste: Allgemeines =
{| class="wikitable sortable"
|-
! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
|-
| [[Sicherheitsfunktionen]] || || 99 || 50 ||
|-
| [[ Übersicht über verbaute Aktorik und Sensorik in Tabellenform]] || || 2 || 90 ||
|-
| [[Stromsparmodus]] || || 99 || 10 ||
|-
| || || || ||
|}

= ToDo-Liste: Mechatronische Inbetriebnahme Glasboilermaschine =
{| class="wikitable sortable"
|-
! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
|-
| [[Fehlerbehebungen]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Startprozedure]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Tankfüllstandsregelung]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Boilerfüllstandsregelung]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Boilerdruckregelung]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Mischwassertemperaturregelung]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Durchflussregelung]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Kaffeebezug]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Teebezug]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Temperatureinstellung über Vertikalhebel]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Simulation Handhebelmaschine]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Flush/Rückspülreinigung]] || || 1 || 10 ||
|-
| || || || ||
|}

= ToDo-Liste: MCUs - Hardwarenahe Software =
{| class="wikitable sortable"
|-
! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
|-
| [[Grundfunktionen der MCU und mehrere MCUs]] || || || 100 ||
|-
| Basisboard: [[Schalten Magnetventile (Labor) STM32-Basisboard]] MATLAB®GUI || || || 100
|-
| Basisboard: [[Pumpenansteuerung Basisboard Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| Basisboard: [[Schrittmotorsteuerungen Basisboard Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| Basisboard: [[Tastenerkennung Basisboard Multi-MCU]] || || 1 || 10 ||
|-
| Basisboard: [[Füllstandserkennung Basisboard Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| Basisboard: [[Durchflussmessung Basisnoard Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| SSR-Platine: [[Schalten Magnetventile SSR-Platine Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| SSR-Platine: [[Schrittmotorsteuerungen SSR-Platine Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| Messplatine: [[Messdatenerfassung Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| || || || ||
|}

= ToDo-Liste der Grundlagenprogrammierung - MATLAB®-Funktionen und GUI =
{| class="wikitable sortable"
|-
! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
|-
| [[MATLAB®-GUI Start der App]] || || || ||
|-
| [[MATLAB®-GUI Initialisierung Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[MATLAB®-GUI Schalten Magnetventile]] || || || ||
|-
| [[MATLAB®-GUI Datensicherung]] || || || ||
|-
| [[Messwerte erfassen Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Pumpenansteuerung Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Füllstandsregler Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Regler Boilerdruck Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Mischregler Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Durchflussregler Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Misch-Durchfluss Kaskadenregelung Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Preinfusion Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[einfacher Kaffeebezug Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Kaffeebezug Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Wasserbezug Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Dampfbezug Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Spülvorgänge Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Grundreinigung Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Tastenbedienung Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Display Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Glasboiler Abtropfwanne]] || || || ||
|-
| [[Schrittmotorensteuerung Bypass]] || || || ||
|-
| [[Schrittmotorensteuerung Mischer]] || || || ||
|-
| [[Schrittmotorensteuerung Brühgruppendrossel]] || || || ||
|-
| [[Adaption an Multi-MCU - Neuprogrammierung MATLAB® GUI]] || || || ||
|-
| || || || ||
|-
| || || || ||
|-
| Dokumentation der Software mit STM32-Elektronik. Ein Betrieb dieser wird nicht mehr weiter verfolgt. || || || ||
|-
| [[Messwerte erfassen (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Pumpenansteuerung (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Füllstandsregler (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Regler Boilerdruck (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Mischregler (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Durchflussregler (Labor)]] || || || ||
|-
| [[einfacher Kaffeebezug (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Kaffeebezug (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Wasserbezug (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Dampfbezug]] || || || ||
|-
| [[Spülvorgänge (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Tastenbedienung (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Anpassungen für Schrittmotorensteuerung]] || || || ||
|-
| || || || ||
|}

= ToDo-Liste: APP =
{| class="wikitable sortable"
|-
! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
|-
| [[APP - Konzept]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Messwerte erfassen APP]] || || 99 || 10 ||
|-
| [[Preset / Profilverwaltung]] || || 99 || 10 ||
|-
| || || || ||
|}

Systemelektronik

2026-05-08T16:25:46Z

Konstantin Rupprecht: /* Armin Rohnen, 04.05.2026 */

<htmltag tagname="img" src="http://vg07.met.vgwort.de/na/bba645a1dc394f49accdad8cbefaa70f" width="1" height="1" alt=""></htmltag>
[[Datei:Breites Logoband.png|mini|zentriert|hochkant=2.5]] 

= Armin Rohnen, 04.05.2026 =
Aufgrund der guten Verfügbarkeit des NUCLEO-H753ZI, welches PINgleich und Firmwarecompatible zum NUCLEO-H743ZI2 ist, wurde entschieden, die nächste Prototypenelektronik mit diesem MCU-Board zu erstellen. Dadurch reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Platinen auf eine. zusätzlich wird ein Touch-Display mit RP2350 MCU verbaut werden. Die Kommunikation zwischen STM32 und Display erfolgt über UART. Auch dies reduziert den HArdwareaufwand. Als maximale Ausbaustufe wird aktuell die 2-Zylinder-Glasboilermaschine betrachtet. Hierfür wird die PIN-Belegung des STM32 sowie das Softwaregrundkonzept ausgelegt. Realisiert werden auf Basis vorhandener Basis, SSR und Messplatinen zwei Musterplatinen zum Entwickeln und Testen der Betriebssoftware.

{| class="wikitable"
|+ PIN Funktionalität STM32H743 - Zio Connector CN7
|-
! Name !! phys. PIN !! ADC !! I/O !! PWM !! DAC !! UART !! Pinbelegung !! Notizen
|-
| D16 || 1 || || X|| || || || Dosierventil 1. BG A-||
|-
| D15 || 2 || || X || || || || Dosierventil 1. BG A+||
|-
| D17 || 3 || || X|| || || || Dosierventil 1. BG B-||
|-
| D14 || 4 || || X|| || || || Dosierventil 1. BG B+||
|-
| D18 || 5 || || X|| || || || ||
|-
| VREFP || 6 || || || || || || ||
|-
| D19 || 7 || || X|| || || || Tank Füllstand min.||
|-
| GND || 8 || || || || || || ||
|-
| D20 || 9 || || X|| || || || ||
|-
| D13 (ADC) || 10 || || || || DAC(2)|| || Pumpe 2. BG (12 Bit)||0 - 4096 / 0 - 5 V / 0 - 5000/min
|-
| D21 || 11 || || X|| || || || Tank Füllstand max.||
|-
| D12 || 12 || X|| || || || || Brühgruppendruck 2. BG||0,5 - 4,5 V / 0 - 12 bar
|-
| D22 || 13 || || X|| || || || Füllstand Abtropfschale||
|-
| D11 || 14 || || || X|| || || Heizelement 1. BG||PWM 0 - 100 %
TIM_E_PWM1
(TIM3_CH2)
|-
| D23 || 15 || || X|| || || || Boilerfüllstand 2. BG||
|-
| D10 || 16 || || || X|| || || Heizelement Tassenwärmer||PWM 0 - 100 %
TIM_B_PWM3
(TIM4_CH3)
|-
| D24 || 17 || || X|| || DAC (1)|| || Pumpe 1. BG (12 Bit)||0 - 4096 / 0 - 5 V / 0 - 5000/min
|-
| D9 || 18 || || || X|| || || Heizelement 2. BG||PWM 0 - 100 %
TIM_B_PWM2
(TIM4_CH4)
|-
| D25 || 19 || || X|| || || || Boilerfüllstand 1. BG||
|-
| D8 || 20 || X|| || || || || Boilerdruck||0,5 - 4,5 V / 0 - 4 bar
|}

{| class="wikitable"
|+ PIN Funktionalität STM32H743 - Zio Connector CN8
|-
! Name !! phys. PIN !! ADC !! I/O !! PWM !! DAC !! UART !! Pinbelegung !! Notizen
|-
| NC || 1 || || || || || || ||
|-
| D43 || 2 || || X || || || || ||
|-
| IOREF || 3 || || || || || || ||
|-
| D44 || 4 || || X|| || || || ||
|-
| NRST || 5 || || || || || || ||
|-
| D45 || 6 || || X|| || || || ||
|-
| 3,3 V || 7 || || || || || || ||
|-
| D46 || 8 || || X|| || || || ||
|-
| 5 V || 9 || || || || || || ||Spannungsversorgung
|-
| D47 || 10 || || X|| || || || ||
|-
| GND || 11 || || || || || || ||
|-
| D48 || 12 || || X|| || || || ||
|-
| GND || 13 || || || || || || ||
|-
| D49 || 14 || || X|| || || || ||
|-
| VIN || 15 || || || || || || ||
|-
| D50 || 16 || || X|| || || || ||
|}

{| class="wikitable"
|+ PIN Funktionalität STM32H743 - Zio Connector CN9
|-
! Name !! phys. PIN !! ADC !! I/O !! PWM !! DAC !! UART !! Pinbelegung !! Notizen
|-
| A0 || 1 || X|| || || || || Leitwert|| 0 - 5 V / 0,2 - 2 mS/cm
|-
| D51 || 2 || || X || || || || Y214||
|-
| A1 || 3 || X|| || || || || Leitungsdruck 1. BG|| 0,5 - 4,5 V / 0 -16 bar
|-
| D52 || 4 || || || || || USART_B_RX|| Display||
|-
| A2 || 5 || X|| || || || || Boilertemp. 1. BG|| NTC
|-
| D53 || 6 || || || || || USART_B_TX|| Display||
|-
| A3 || 7 || X|| || || || || Brügruppentemp. 1. BG||NTC
|-
| D54 || 8 || || X|| || || || Y215||
|-
| A4 || 9 || X|| || || || || Mischtemp. 1. BG||NTC
|-
| D55 || 10 || || X|| || || || Y216||
|-
| A5 || 11 || X|| || || || || Tassenwärmer|| NTC
|-
| GND || 12 || || || || || || ||
|-
| D72 || 13 || || X|| || || || ||
|-
| D56 || 14 || || X|| || || || Dosierventil 2. BG A+||
|-
| D71 || 15 || || X|| || || || ||
|-
| D57 || 16 || || X|| || || || Dosierventil 2. BG B+||
|-
| D70 || 17 || || X|| || || || Y217||
|-
| D58 || 18 || || X|| || || || Y218||
|-
| D69 || 19 || || X|| || || || Y219||
|-
| D59 || 20 || || X|| || || || Y220||
|-
| D68 || 21 || || X|| || || || Y221||
|-
| D60 || 22 || || X|| || || || Y222||
|-
| GND || 23 || || || || || || ||
|-
| D61 || 24 || X|| || || || || Leitungsdruck 2. BG||0,5 - 4,5 V / 0 - 16 bar
|-
| D67 || 25 || || || || || CAN_RX|| ||
|-
| D62 || 26 || X|| || || || || Boilertemp. 2. BG|| NTC
|-
| D66 || 27 || || || || || CAN_TX|| ||
|-
| D63 || 28 || X|| || || || || Brühgruppentemp. 2. BG|| NTC
|-
| D65 || 29 || || X|| || || || Dosierventil A-||
|-
| D64 || 30 || || X|| || || || Dosierventil A+||
|}

{| class="wikitable"
|+ PIN Funktionalität STM32H743 - Zio Connector CN10
|-
! Name !! phys. PIN !! ADC !! I/O !! PWM !! DAC !! UART !! Pinbelegung !! Notizen
|-
| AVDD || 1 || || || || || || ||
|-
| D7 || 2 || || X || || || || Y101||
|-
| AGND || 3 || || || || || || ||
|-
| D6 || 4 || || X|| || || || Y102||
|-
| GND || 5 || || || || || || ||
|-
| D5 || 6 || || X|| || || || Y103||
|-
| A6 || 7 || X|| || || || || Brühgruppendruck 2. BG||0,5 - 4,5 V / 0 - 12 bar
|-
| D4 || 8 || || X|| || || || Y104||
|-
| A7 || 9 || X|| || || || || Mischtemp. 2. BG||NTC
|-
| D3 || 10 || || X|| || || || Y105||
|-
| A8 || 11 || X|| || || || || ||
|-
| D2 || 12 || || X|| || || || Y106||
|-
| D26 || 13 || || X|| || || || Y107||
|-
| D1 || 14 || || || || || USART_A_TX|| Maschinensimulator||
|-
| D27 || 15 || || X|| || || || ||
|-
| D0 || 16 || || || || || USART_A_RX|| Maschinensimulator||
|-
| GND || 17 || || || || || || ||
|-
| D42 || 18 || || X|| || || || Y108||
|-
| D28 || 19 || || X|| || || || Y109||
|-
| D41 || 20 || || X|| || || || Y110||
|-
| D29 || 21 || || X|| || || || Y111||
|-
| GND || 22 || || || || || || ||
|-
| D30 || 23 || || X|| || || || Y112||
|-
| D40 || 24 || || X|| || || || Y113||
|-
| D31 || 25 || || X|| || || || ||
|-
| D39 || 26 || || X|| || || || ||
|-
| GND || 27 || || || || || || ||
|-
| D38 || 28 || || X|| || || || ||
|-
| D32 || 29 || X|| || || || || ||
|-
| D37 || 30 || || X|| || || || ||
|-
| D33 || 31 || || || || || || || Gekoppelt mit LED 1
|-
| D36 || 32 || || X|| || || || ||
|-
| D34 || 33 || || X|| || || || ||
|-
| D35 || 34 || || X|| || || || ||
|}

= Armin Rohnen, 05.10.2023 =
Auf Basis der bisherigen Erfahrungen und der Anforderung(en) durch mehrgruppige Maschinentypen wie z. B. die 2-Zylinder Glasboilermaschine ist das finale Elektronik-Konzept [[:Datei:20230909 Elektronik-Konzeptbeschreibung.pdf|[104]]] entsanden.

Für die Prototypen nach 10.2023 soll diese Elektronik entwickelt und verbaut werden. Diese Elektronik stellt den final angestrebten modularen Stand dar.

== SSR-Platine - Kennung ssr ==
Alle Magnetventile werden über die SSR-Platine geschaltet. Diese verfügt über eine Raspberry Pi Pico MCU. 12 SSRs (z. B. VOR1121) für die Schaltung der 11 Magnetventile der Maschinenbasisvariante sowie ein SSR zur Reserve befinden sich auf der Platinenbasis. Jeweils 6 weitere SSRs werden über Aufsteckplatinen für die Erweiterung auf 2 Brühgruppen bzw. 3 Brühgruppen untergebracht.

Diese Platine beinhaltet die 230 V AC und die 24 V DC Verteilung.

Auf dieser MCU werden keine Regelkreise gerechnet.

Die Platinenmaße dürfen 162 x 75 mm nicht überschreiten. Die Positionierung ist in der 1-Zylinder- Glasboilermaschine stehend in Bauraum 1 als letzte Platine vorgesehen.

== Schrittmotorplatine - Kennung sch ==
Alle Schrittmotoren werden über die Schrittmotorplatine angesteuert. Diese verfügt über eine Raspberry Pi Pico MCU. Die Platine wird für den maximalbedarf an Schrittmotoren ausgelegt jedoch nur soweit wie der Bedarf ist bestückt. Dies ermöglicht im Prototypenbau die Ansteuerung der zusätzlich erforderlichen Schrittmotoren.

Auf dieser MCU werden keine Regelkreise gerechnet. Um mehrere Schrittmotoren gleichzeitig stellen zu können muss die MicroPython-Funktion asyncio verwendet werden. Durch die erforderlichen Pausen während der einzelnen Schrittmotoransteuerungen ergeben sich nutzbare Wartezeiten für die verschachtelte Ausführung.

Die Platinenmaße dürfen 162 x 75 mm nicht überschreiten. Die Positionierung ist in der 1-Zylinder-Glasboilermaschine stehend in Bauraum 1 als vorletzte Platine vorgesehen. Die Bohrungen für die Platinenbefestigung müssen im gleichen Raster wie bei der SSR-Platine gesetzt werden.

== Basisplatine - Kennung bas ==
Die Basisplatine umfasst die gesamten Funktionssteuerungen, Regelungen und Messdatenerfassung für den Maschinenbetrieb. Um dies leisten zu können wird ein NUCLEO STM32H743ZI2 MCU-Board verwendet. Das Board kann mit MicroPython betrieben werden, verfügt über 140 PINs, 12-Bit-DACs und 16-Bit-ADCs.

Die Basisplatine wird aufgrund des großen Schaltungsaufwandes ein Platinenpaket werden. Eine Mutterplatine, welche die Maße 164 x 98 mm nicht überschreiten darf, wird durch weitere Aufsteckund Ansteck-Platinen zu einem gesamthaften Platinenpaket. Die Maximaldimensionen des Platinenpaketes sind durch die verfügbaren Bauräume limitiert. In der Variante für eine Brühgruppe darf der Bauraum 45 x 164 x 98 mm nicht überschritten werden.

Die Grundvariante der Basisplatine wird für Maschinen mit 1 Brühgruppe ausgelegt. Dies umfasst die digitale Verarbeitung des Flowmeters und der Drehknöpfe, 4 Füllstandsdetektionen, 4 NTCMesswerte und 4 Spannungsmesswerte. Es werden 2 PWM Signale welche wahlweise die 1000 W Heizelemente über 5 A SSRs steuern oder SSRs für höhere Leistungen ansteuern. Die Platine enthält ebenso die Ansteuerung eines Displays mit Touch-Funktion und für die Kommunikation mit den beiden anderen Platinen werden 2 UART-Schnittstellen verwendet.

Um die Störungssicherheit zu erhöhen werden die Display- und Touch-Schnittstellen für die Varianten mit 2 und 3 Brühgruppen in der Grundvariante angelegt jedoch nur bei Bedarf bestückt. Reicht das Platinenmaß 164 x 98 mm nicht aus, muss durch eine Aufsteckplatine die nutzbare Platinenfläche
erweitert werden.

Die Grundvariante kann um bis zu 2 Ansteck- oder Aufsteck-Platinen für den Erweiterungsbedarf der mehrgruppigen Varianten erweitert werden. Der Erweiterungsumfang ist für die 2. oder die 3. Brühgruppe jeweils identisch und umfasst je eine Platine mit den Schaltungen für

* 1 Flowmeter
* 1 Füllstand
* 1 Signalaufbereitung Tasten
* 3 Signalaufbereitungen für NTC-Messwerte
* 2 Signalaufbereitungen für Spannungsmesswerte
* 1 Signalverstärkung für die Pumpensteuerspannung
* 1 Leistungs SSR 5 A oder höher

Durch die Steckbaren Zusatzplatinen und die Grundauslegung der Basisplatine für die Erfassung der Messdaten im Gesamtumfang kann für Erprobungs- und Forschungszwecke eine eingruppige Maschine mit einer Steuerung für eine mehrgruppige Maschine betrieben werden. Was den Bedarf
an zusätzlicher Sensorik abdecken dürfte.

Als Alternative für die Leistungs-SSRs (XSSRs) bietet sich u.u. eine eigenständige Leistungsplatine an, welche dann auch den Verteiler des 230 V AC vornimmt. Hierzu ergibt sich allerdings die Fragestellung des in der 1-Zylinder Glasboilermaschine vorhandenen Bauraums.

== Kommunikation der Platinen untereinander ==
Die Kommunikation geht von der Basisplatine aus. Es werden über UART an die SSR-Platine und Schrittmotorplatine kurze Kommandosequenzen gesendet.

== Bauräume ==
=== 1-Gruppige Maschinen ===
* Bauraum 1: 80 x 164 x 77 mm
* Bauraum 2: 80 x 164 x 98 mm, davon 33 x 164 x 98 mm vom Netzteil belegt.

=== 2-Gruppige Maschinen ===
Es stehen unter der Abtropfschale drei Bauräume zur Verfügung
* 2 Bauräume zu je 282 x 180 x 65 mm
* 1 Bauraum 92 x 78 x 65 mm

= Armin Rohnen, 23.02.2023 - STEP-Dateien der Platinen =
In den STEP-Dateien der Platinen sind einige Bauelemente, insb. die Federklemmen nicht in der waren Größe abgebildet. In den einzelnen Wiki-Seiten sind die relevanten Datenblätter verlinkt, bzw. hier:
* [[Datei:Federkraftklemmblock.pdf|PTSA Federkraftklemmblock]]

= Armin Rohnen, 07.02.2023 =
Grundlegend kann die Systemelektronik nicht ohne die [[Systemsoftware]] betrachtet werden.

Die aktuell verwendete und leider nur sehr gering dokumentierte Elektronik wird aus mehreren Gründen auf eine Multi-MCU-Elektronik umgestellt. Zum einen bestehen immer wieder Lieferengpässe bei verfügbaren MCU-Evaluationsboards, was dazu geführt hat, dass sich für das am wahrscheinlichsten verfügbare und obendrein auch relativ kostengünstige Raspberry Pi Pico Board endschieden wurde. Dies ist mit und ohne W-Lan verfügbar.

Zum Anderen erfordert ein MCU-Wechsel auch immer eine Anpassung der Systemelektronik, so dass die Überlegung nach der wahrscheinlich verfügbarsten MCU wichtig für die Projektweiterführung ist.

Als weiterer technischer Aspekt für die Entscheidung der überarbeiteten Systemelektronik ist die Entscheidung bezüglich einiger steuerbarer Ventile in den Maschinen. Es werden nun mehrere Schrittmotorsteuerungen benötigt, welche den Ausführungstask auf dem jeweiligen Prozessor(kern) bis zu 1 Sekunde blockieren können. Dies würde die Systemsteuerung nicht unerheblich blockieren.

== Schema der Systemsteuerung ==

[[Datei:20230207 Konzept.png|thumb|750px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Abbildung 1) Schema der Multi-MCU-Systemelektronik|Abbildung 1) Schema der Multi-MCU-Systemelektronik]]

Die Multi-MCU-Elektronik (Abbildung 1) besteht im Kern aus drei Systemboards, welche jeweils mit einem Raspberry Pi Pico als MCU bestückt sind. Während der Entwicklungsphase erfolgt für jedes der drei Boards eine eigenständige USB-Verbindung zu einem übergeordneten PC mit einer MATLAB®-GUI. Im Produktivbetrieb soll dies für die Labormaschine lediglich über das Basisboard erfolgen. Eventuell kann im Produktivbetrieb gänzlich auf eine USB-Verbindung verzichtet werden, wenn per W-LAN oder Bluetooth ein Datenaustausch ermöglicht werden kann. Prinzipiell ist ein Datenaustausch im Produktivbetrieb via MQTT darstellbar.

== Unterschied Entwicklungsbetrieb / Produktivbetrieb ==

Für die Systemsoftware wurde ein mehrstufiger Entwicklungsprozess definiert:

# Nutzung von MCUs welche mit MicroPython programmiert werden können.
# Auf den MCUs werden lediglich die elementaren Grundfunktionen (GPIO schalten und erfassen, Messwert erfassen, PWM Ausgeben, Sollwert ausgeben, etc.) realisiert und über die MATLAB® meets MicroPython - Schnittstelle [41] wird die Funktionalität in einer MATLAB® GUI hergestellt.
# Die Softwareentwicklung startet mit der labortechnischen Espressomaschine und wird auf die weiteren Projekte schrittweise transportiert.
# Nach Abschluss der Testphase der MATLAB® Bedienung wird schrittweise die Betriebssoftware in MicroPython auf der MCU implementiert, so dass am Ende dieses Prozessschrittes ein Produktivbetrieb ohne MATLAB®-Verbindung möglich ist. Die MATLAB®-Verbindung dient dann lediglich für weiterführende Datenerfassung, grafische Darstellungen, welche nicht mit dem Display der Maschine möglich ist oder dort nicht dargestellt werden soll und Servicefunktionen.

Eine Portierung der Software nach C ist nicht vorgesehen.

== Basisboard ==
Die für den Betrieb der Kaffeemaschine wichtigen Steuerungen und Regelungen

* Pumpensteuerung
* Füllstandsregler
* Durchflussregler
* Mischtemperaturregler

und die Funktionssteuerung mit

* Preinfusion
* Kaffeebezug
* Wasserbezug
* Dampfbezug
* Spülen (Rückspülreinigung)
* Grundreinigung

werden auf der MCU des Basisboards durchgeführt. Die Verwaltung von Presets kann für wenige Presets auf diesem Board stattfinden, umfangreichere Datensammlungen müssen jedoch auf einem übergeordnetem System stattfinden.

Ziel ist, dass im Produktivbetrieb eine MATLAB®-Verbindung nicht erforderlich ist. Optional soll im Produktivbetrieb über USB eine MATLAB®-GUI angesschlossen werden können.

Über die UART1-Schnittstelle werden die Anweisungen zum Magnetventilschalten, die Initialisierungen von Dampfhahn und Dosierventil sowie die Positionierung von Dampfhahn und Dosierventil übermittelt.

Die UART2-Schnittstelle dient der Kommunikation mit der Messplatine. Die Messplatine sendet in einem definierten Takt kontinuierlich die Messdaten an das Basisboard. Umgekehrt erfolgt lediglich eine Kommunikation bei Änderung der Sollwerteinstellungen für den Boilerdruck und der Solltemperatur am Tassenwärmer.

Das Basisboard verfügt über einen 24 V Spannungsverteiler sowie über den 5 V Spannungsregler und Spannungsverteiler. Es dient zur Ermittlung der Flowrate über das Flowmeter, der Erkennung der Füllstände (Tank min., Tank max. Abwasser max., Boiler max.) und der Bedientastenerkennung inkl. Drehinkrementerkennung. Es werden die selten zu betätigenden Schrittmotoren der Brühgruppendrossel und des Pumpenbypasses angesteuert sowie der Pumpensollwert (0 - 5 V) ausgegeben.

== SSR-Platine ==
Die SSR-Platine schaltet die Magnetventile mit 24 V DC Magnetspulen, die beiden 230 V AC XSSRs sowie die Schrittmotorsteuerung für das Dosierventil und den Dampfhahn.

Schaltkommandos dazu erfolgen über die UART1-Schnittstelle von der Basisplatine für die Schrittmotoren und die Magnetventile, während für die XSSRs das Steuersignal, üblich PWM, über eine Kabelverbindung von der Messplatine erfolgt.

== Messplatine ==
Auf der Messplatine werden an insgesamt 8 Eingängen über einen 16-Bit-ADS1115 ADC mit vorgeschaltetem Multiplexer kontinuierlich Messdaten erfasst. Die Messdaten werden über die UART1-Schnittstelle an das Basisboard zur Weiterverarbeitung übermittelt.

Die Messplatine führt die Regelungen für den Boilerdruck und den Tassenwärmer durch. Die Sollwerte hierzu werden über die UART1-Schnittstelle vom Basisboard übermittelt. Wert 0 bedeutet dabei die Deaktivierung des Reglers. Initial sind die Regler mit Sollwert = 0 deaktiviert. Die Stellwerte der regler sind PWM-Signale, welche an die SSR-Platine per Hardwareleitung übertragen werden, um dort XSSRs zu steuern.

== Bisherige Steuerungselektronik(en) ==
Eine Dokumentation der bisherigen Varianten der Steuerungselektronik wird im Wiki nicht mehr nagezogen.

= Armin Rohnen, 15.01.2022 =
Telefonat mit einem Dienstleister zur Elektronikentwicklung

Manfred Eggersdorf, eggersdorf.com, 033233 40 94 70

Seiner Einschätzung nach wären 3 bis 4 Entwicklungsschleifen erforderlich- Aufgrund der aktuellen Situation in der Bauelementeverfügbarkeit müssen dafür 12 bis 18 Monate Entwicklungszeitraum einkalkuliert werden.

Er schätzt die Entwicklungskosten (ohne Platinen, Bauelemente etc.) auf ca. 40 k€.

Die Kosten kommen aus einem Vergleich mit einem anderen Projekt. Schaltpläne sowie Infos zu bekannten Fehlern, Verbesserungsvorschläge, etc. werden natürlich benötigt.

Vor der nächsten Entwicklungsschleife der Elektronik muss der Funktionsumfang, Sensoreingänge, Ausgänge, etc. fix definiert sein.

Die Elektronik muss eigenständig CE geprüft sein. Die Kosten dazu betragen ca. 5 k€.

= Armin Rohnen, 15.01.2022 =
Einschätzung zur weiteren Elektronikentwicklung von Marius Ghica, der die aktuelle Elektronik entwickelt hat. Es sind noch drei weitere Entwicklungsschleifen erforderlich. Je Entwicklungsschleife würde er ca. 50 Arbeitsstunden benötigen. Ein neu beauftragter Dienstleister sollte für seine erste Entwciklungsschleife mit der doppelten Arbeitszeit zurecht kommen. Daraus leitet sich sich ab:

# Entwicklungsschleife 15 k€
# Entwicklungsschleife 7,5 k€
# Entwicklungsschleife 7,5 k€
# CE 5 k€

ergibt in Summe: 35 k€

Auch Marius Ghica weist darauf hin, dass zur nächsten Entwicklungsschleife die Ein- und Ausgänge zur Elektronik definiert sein müssen und es danach keine Veränderungen in der Spezifikation mehr geben darf.

= ToDo Systemelektronik =
== Status ==

10 - Erfasst 
30 - in Bearbeitung 
50 - Lösung definiert 
70 - in Umsetzung 
90 - Umsetzung abgeschlossen 
99 - Abbruch per Beschluss (Dokumentation dazu erforderlich) 
100 - Maßnahme bestätigt 

== ToDo-Liste Systemelektronik ==
{| class="wikitable"
|+
|-
! lfd-Nr. !! Arbeitspaket !! ToDo !! Wer !! Status !! WV
|-
| 1 || Basisboard || [[Multi-MCU-Elektronik:Basisboard|Basisboard]] || || 100 ||
|-
| 2 || Messplatine || [[Multi-MCU-Elektronik:Messplatine|Messplatine]] || || 100 ||
|-
| 3 || SSR-Platine || [[Multi-MCU-Elektronik:SSR-Platine|SSR-Platine]] || || 100 ||
|-
| 4 || Schrittmotor || [[Schrittmotor-Treiber]] || || 100 ||
|-
| || || ========== Finalisierung ========== || || ||
|-
| 5 || STM32H753ZI-Platine || [[STM32-Elektronik:STM32Board|Systemsteuerung]] || || 10 ||
|-
| 6 || Simulator || [[STM32-Elektronik:Maschinensimulator|Maschinensimulator]] || || 10 ||
|}

Startprozedur

2026-05-08T10:00:20Z

Konstantin Rupprecht: /* Kommunikationsaufbau mit Maschinensimulator */

= Armin Rohnen, 07.05.2026 - Startprozedur mit STM32 - Steuerung =
Durch die Entscheidung anstelle mehrerer Platinen mit einzelnen MCUs zu verwenden eine zentrale Maschinensteuerungs-Platine mit einer STM32H753 MCU verändert sich der Ablauf des Maschinenstarts. Hinzu kommt, dass ein Touch-Display mit integrierter MCU-Platine für die Visualisierung und Interaktion mit dem Anwender eingesetzt wird. Das Display verarbeitet auch die User-Interaktion über den Vertikalhebel und den zwei Drucktasten. Im weiteren gibt es für Wartungs- und Simulationszwecke einen Maschinensimulator.

Die Kommunikation zwischen STM32-Maschinensteuerung, dem Display und ggf. dem Maschinensimulator erfolgt über getrennte UART-Schnittstellen.

[[Datei:20260505 Rohnen Startprozedur 1.001.png|thumb|350|right|]]

== Initialisierung der Maschinensteuerung ==
Die Maschinensteuerung (STM32 MCU) und das Display starten durch Einschalten der Maschine (Power On). Aufgrund des erforderlichen Einschwingens der einzelnen Steuerungskomponenten erfolgt zunächst eine zeitlich begrenzte Wartezeit von mehreren Sekunden. Die Maschinensteuerung muss dabei länger warten als die Display-MCU. Es muss sichergestellt sein, dass zur Initialisierung der Maschinensteuerung alle MCUs in der Peripherie bereits gestartet und initialisiert sind. Für den Maschinensimulator und die Wartungs-APP bedeutet dies, dass die zugehörigen MATLAB®-Apps bereits aktiv sind.

Danach erfolgt die Initialisierung der verwendeten PINs und der Messwerterfassung sowie die Aktivierung der Interrupt-Service-Routinen (ISRs) für die Durchflussmessung(en) über die FLowmeter. Zu dieser Initialisierung gehört auch die Initialisierung der Schrittmotoren der Dosierventile. Diese Initialisierung wird mehrere Sekunden in Anspruch nehmen. Es wird ein Counter (Maschinen_Counter) angelegt, der während der Startprozedur und später während des Maschinenbetriebs die jeweils aktuelle Situation des Maschinenzustands beschreibt. Damit ist die Initialisierung der Maschinensteuerung abgeschlossen, der Maschinen_Counter wird mit 0 anelegt. Es folgt der Kommunikationsaufbau mit der Peripherie.

== Kommunikationsaufbau mit Display ==
Für den Kommunikationsaufbau mit dem Display wird das Byte "0x0A" über UART an das Display gesendet. Es wird im Programmablauf sofort eine UART-Leseanweisung durchgeführt, für den Fall keiner oder zu sehr verzögerter Antwort wird über eine Timer-Funktion abgebrochen. Im Fall TimeOut wird ohne Display-Ausgabe der Maschinenstart weiter durchgeführt. Ohne die angeschlossene Wartungs-App ist dann aber keine Maschinennutzung möglich.

Ist das Display kommunikationsbereit, wird für den kontinuierlich zu sendenden Display-Token ein Timer mit Timer-Funktion angelegt. Für die Kommunikation von Display zu STM32 erfolgt die Initialisierung einer ISR auf die entsprechende UART RX-Leitung. Der Maschinen_Counter wird auf 1 erhöht.

== Kommunikationsaufbau mit Maschinensimulator ==
Für den Kommunikationsaufbau mit dem Maschinensimulator wird das Byte "0x0A" über UART an dan Maschinensimulator gesendet. Es wird im Programmablauf sofort eine UART-Leseanweisung durchgeführt, für den Fall keiner oder zu sehr verzögerter Antwort wird über eine Timer-Funktion abgebrochen. Im Fall TimeOut wird ohne Wartungs-App / Mschinensimulator der Maschinenstart weiter durchgeführt.

Ist der Maschinensimulator angeschlossen, wird für den kontinuierlich zu sendenden Simulator-Token ein Timer mit Timer-Funktion angelegt. Zur Sicherheit wird für die Kommunikation von Maschinensimulator zu STM32 eine ISR auf der entsprechenden UART RX-Leitung initialisiert. Es erfolgt normal keine Kommunikation von Maschinensimulator zu STM32. Hierüber wäre eine Umschaltung von Maschinensimulator auf Wartungs-App möglich.

Alle für die Reglersteuerung erforderlichen Flags werden 1 gesetzt und es erfolgt der weitere Ablauf des Maschinenstarts.

Ist der Maschinensimulator als Gateway zur Wartungs-APP angeschlossen, wird für den kontinuierlich zu sendenden Wartungs-Token ein Timer mit Timer-Funktion angelegt. Für die Kommunikation von Wartungs-App über Maschinensimulator an STM32 wird eine ISR auf der entsprechenden UART RX-Leitung initialisiert. Alle für die Reglersteuerung erforderlichen Flags werden in diesem Fall 0 gesetzt und es erfolgt der Übergang in die Reglerschleife.

Es erfolgt entsprechendes Logging am Display.

[[Datei:20260505 Rohnen Startprozedur2.001.png|thumb|350|right|]]

== Reglerschleife ==
Die Reglerschleife ist sowohl Bestandteil der Startprozedur als auch Bestandteil des normalen Maschinenbetriebs. Solange der Maschinen_Counter kleiner 5 ist, befindet sich die Maschine in der Startprozedur. Während der Startprozedur werden die, für den Maschinenbetrieb erforderlichen Komponenten in den Betriebszustand überführt. Die Reglerschleife wird mit einem Takt von ca. 100 Hz entweder als Timer-Funktion oder mittels anderweitiger Programmierung.

Die Reglerschleife startet mit der Messwerterfassung aller analogen Sensoren und der Zustandsabfrage der Füllstands-PINs. Die Messwerterfassung der Flowmeter erfolgt über eigene ISR-Funktionen. Für alle Messwerte (auch die Flowmeter) wird ein aus mindestens 25 Momentanmesswerte bestehender gleitender Effektivwert mit exponentieller Gewichtung gebildet. Bei erstmaliger Messwerterfassung wird der Maschinen_Counter auf 2 gesetzt.

Ist das Flag für den Tankfüllstandsregler auf 1 gesetzt und der Maschinen_Counter hat mindestens den Wert 2, erfolgt der Programmdurchlauf des Tankfüllstandsreglers. Der Maschinen_Counter wird auf 3 gesetzt, wenn der Tankfüllstand erstmalig sein Maximum erreicht hat.

Ist das Flag für den Boilerfüllstandsregler auf 1 gesetzt und der Maschinen_Counter hat mindestens den Wert 3, es ist also der Tank bereits auf maximum aufgefüllt, erfolgt der Programmdurchlauf des Boilerfüllstandsreglers. Der Maschinen_Counter wird auf 4 gesetzt, wenn der Boilerfüllstand erstmalig sein Maximum erreicht hat.

Ist das Flag für den Boilerdruckregler auf 1 gesetzt und der Maschinen_Counter hat mindestens den Wert 4, es ist demnach der Boiler hinreichend gefüllt, erfolgt der Programmdurchlauf des Boilerdruckreglers. Handelt es sich um einen Systemstart aus Umgebungstemperatur, erfolgt der Aufheizvorgang mit den zugehörigen Maßnahmen zur thermischen Entschichtung. Der Boilerdruckregler wird zusätzlich verriegelt, wenn der Boilerfüllstand nicht als Maximum erkannt wird. Der Mschinen_Counter wird auf 5 gesetzt, wenn erstmals der eingestellte Boilersolldruck erreicht wird. Die Maschine wechselt dann von der Startprozedur in den regulären Betrieb.

Die einzelnen Zwischenstände der Startprozedur werden kontinuierlich über UART an das Display kommuniziert und dort als Logging angezeigt. Erreicht die Maschine den regulären Betrieb, wechselt am Display die Darstellungsform und es wird das Bedienungsmenü mit den Systemanzeigen sichtbar.

Befindet sich die Maschine im regulären Betrieb (Maschinen_Counter = 5) und es wird über das Display ein Bezug (Kaffee oder Teewasser) aktiviert, erfolgt der Programmdurchlauf des Mischtemperaturreglers. Dies beinhaltet die Schaltung der erforderlichen Magentventile und die Herstellung eines Wasserdurchflusses. Solange die Mischtemperatur nicht erreicht ist, wird das Bezugswasser in die Abtropfschale abgeleitet. Wenn die Mischtemperatur erreicht ist, wird der Maschinen_Counter auf 6 gesetzt.

Ist das Flag für den Bezug auf 1 gesetzt und ist die Mischtemperatur erreicht (Maschinen_Counter = 6) wird er Programmablauf für den Durchflussregler durchlaufen. Darin enthalten sind die erforderlichen Ventilschaltungen für den Kaffeebezug bzw. Teewasserbezug. Im Fall des Kaffeebezugs wird nach einer definierten Totzeit der Istwert für den Mischtemperaturregler auf den Temperatursensor in der Brühgruppe umgeschaltet. Wird der Bezug durch Nutzeraktion oder durch erreichen der Bezugsmenge beendet, wird der Maschinen_Counter = 5 gesetzt. Dies deaktiviert die beiden, für den Wasserbezug erforderlichen Regelkreise. Es werden alle geschalteten Magnetventile zurück, die Pumpensteuerung auf 0 V und der Istwert für den Mischtemperaturregler wieder auf den Mischwassertemperatursensor gesetzt.

= Philipp Schiebel, 13.11.2025 - Aufgabenanalyse =
==Initialisierung der Systeme==
Nach dem Einschalten der Stromversorgung werden alle vier Mircocontroller (MCU) automatisch aktiviert und führen ihren Code in main.py aus. Darin wird die Kommunikation initialisiert.

==Aufbau der Kommunikationsstruktur==
Nach einer definierten Startwertzeit stellt die Messwertplatine den Anfangstoken bereit. Aufgrund des Verbundes der Platinen (Messwertplatine -> Basisplatine -> SSR-Platine -> Displayplatine) kann die Displayplatine bei Erhalt des Anfangstokens auf eine korrekte Initialisierung aller Platinen schließen.
Jede Platine überprüft zusätzlich den Kommunikations-TimeOut und geht bei ausbleibendem Token in einen Sicherheitszustand über.

==Start der Messwerterfassung==
Nach erfolgreichem Wiedererhalt des Initialisierungstokens startet die die Messplatine die Messwerterfassung, erstellt den ersten Messwertdatensatz und sendet anschließend kontinuierlich Messwert-Token. Die Basisplatine ergänzt die empfangenen Messwerttoken um eigene Messdaten. Dadurch wird ein kontinuierlicher Kommunikations- und Datenaustausch zwischen allen MCUs ermöglicht, bei dem die Messplatine den Takt vorgibt.

==Reglerstart==
Mit Beginn der Messwerterfassung wird auch der Boilerfüllstand überprüft. Bei der Glasboilermaschine werden zusätzlich die Füllstände der beiden Tanks überprüft. Darauf reagiert die Füllstandsregelung. Solange der Sollwert noch nicht erreicht ist, bleibt der Boilerdruckregler deaktiviert. Erst wenn der Füllstand erreicht ist, wird dieser aktiviert. Dabei wird zusätzlich die Boilertemperatur überwacht, um die Entschichtungsfunktion zu steuern. Wird eine einstellbare Abschalttemperatur überschritten, wird die Entschichtung deaktiviert.
Die Startprozedur gilt als erfolgreich abgeschlossen, sobald der Sollwert des Boilerdrucks erstmals überschritten wird. In diesem Moment erkennt der Boilerdruckregler die Betriebsbereitschaft und sendet diese. Die Displayplatine reagiert darauf, indem sie die Betriebsbereitschaft zum Kaffeebezug signalisiert.

==Anzeige und Fehlerausgabe==
Während des gesamten Ablaufs zeigt die Displayplatine den aktuellen Status der Startprozedur an. Dazu gehören Informationen über den Boilerfüllstand, den Boilerdruck und die Boilertemperatur. Bei Timeout oder Fehlern während des Startvorgangs erfolgt eine sichtbare Ausgabe am Display.

= Armin Rohnen, 18.10.2025 - Vorschlag zur Startprozedur =
Wenn die aktuelle manuelle Startprozedur der labortechnischen Espressomaschine als Grundlage für die zukünftige Startprozedur dient, dann ergäbe sich für den Ablauf:
# alle MCUs starten, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird. Dadurch wird der Programmcode in main.py ausgeführt. In main.py wird als erstes die UART-Kommunikation initialisiert, wie es in der 2. Auflage von [40] beschrieben ist. Dabei wird uart.irq_rx mit einem uart_rx.handler verwendet sowie für ausreichend definierten Schreib- und Lesespeicher gesorgt.
# Alle MCUs warten auf die Initialisierung der Kommunikation
# Nach einer definierten Startwartezeit sendet die MCU der Messwertplatine einen Token zur Initialisierung der Kommunikation.
# Jede andere MCU arbeitet die Initialisierung ab und sendet den Token weiter.
# Der Token muss wieder bei der Messwertplatine ankommen. Erfolgt dies nicht innerhalb einer definierten Zeit (Timeout) dann erfolgt der Abbruch der Startprozedur mit einer entsprechenden Ausgabe am Display. Kommt der Token InTime bei der Messwertplatine wieder an, dann sendet die Messwertplatine einen Token zum Start der Messwerterfassung.
# Der Token wird von der Messplatine erstellt. Dort wird die Messwerterfassung gestartet und wenn der erste Messwertdatensatz zusammengestellt ist, der erste Token gesendet. Ab diesem Zeitpunkt wird immer dann, wenn ein Messwertdatensatz der Messplatine zusammengestellt ist, ein Token gesendet. Dadurch gibt die Messwertplatine den Kommunikationstakt vor.
# Die Basisplatine fügt dem Token die Messwerte der Basisplatine bei.
# Wenn die Displayplatine erstmalig alle Messwerte erhalten hat, sendet diese einen Token zum Start der Systemüberprüfung.
# Auf den Token der Systemüberprüfung reagiert als erstes die Basisplatine. Dort wird der Boilerfüllstand geprüft und so lange ein Boilerfüllstands-Flag 0 gesetzt, solange der Füllstand nicht erreicht ist. Das Boilerfüllstands-Flag muss Bestandteil des kontinuierlich umlaufenden Tokens sein. Solange der Füllstand nicht erreicht ist, darf der Boilerdruckregler nicht starten bzw. muss die Heizleistung = 0 sein.
# Wenn der Boilerfüllstand erreicht ist, wird auf der Messplatine der Boilerdruckregler aktiv. Durch Abgleich mit der Boilertemperatur (kleiner 95 ° C) wird entschieden ob die Entschichtungsfunktion aktiviert wird. Wird die Boilertemperatur von 95 °C überschritten wird die Entschichtung deaktiviert. Wird erstmalig der Sollwert des Boilerdrucks überschritten ist die Maschine betriebsbereit.
# Auf dem Display wird der jeweilige Stand der Startprozedur angezeigt. Während der Startprozedur ist, zumindest aktuell, ein sichtbares Logging sinnvoll.
# Der Zustand des Boilerfüllstandsreglers, des Druckreglers, die Boilertemperatur und der Boilerdruck werden kontinuierlich am Display visualisiert, ebenso wird bei Kaffeebezug die Durchflussrate und der Brühgruppendruck angezeigt. Die Displayplatine dient der Übertragung von Systemlogging und Messwerten zur MATLAB® Wartungs-App.

= Armin Rohnen, 04.10.2025 =
Für den Systemstart der Espressomaschine muss der Funktionsablauf definiert werden. So ist z. B. zunächst die MCU-Kommunikation zu starten, die Messwerterfassung zu starten, es ist zu prüfen ob das Wartungstool angeschlossen ist, es sind die Füllstände zu kontrollieren usw.

Mikrocontroller Programmierung in MicroPython SoSe 2026

2026-05-03T10:39:47Z

Konstantin Rupprecht: /* UART-Kommunikation */

<htmltag tagname="img" src="https://vg07.met.vgwort.de/na/3e58d840a91b42ac97ee493cdd085245" width="1" height="1" alt=""></htmltag>
[[Datei:Breites Logoband.png|mini|zentriert|hochkant=2.5]] 

= Mikrocontroller Programmierung in MicroPython Sommersemester 2026 =
Für die Projekte zur labortechnischen Espressomaschine (und weiteren Derivaten) ist die Mikrokontroller-Programmierung einer Steuerungselektronik erforderlich.

Die Programmierung der Mikrocontroller erfolgt in MicroPython und die übergeordnete Steuerung ist eine MATLAB®-APP mit einem Prozessschaubild. Die Grundfunktionalität dieses Vorgehensweise ist in der Quellenliste unter [40] (MATLAB® meets MicroPython) beschrieben.

Das Projekt wurde bereits durch eine Projektgruppe bearbeitet und hat einen Projektstand, der jedoch noch nicht die gesamte erforderliche Steuerungsfunktionalität umfasst.

Es wird angestrebt eine Steuerung auf Basis eines Nucleo STM32H743ZI2 zu erstellen. Dies würde die aktuell drei Steuerungsplatinen und Mikrocontroller auf einen reduzieren. Kommunikation wäre dann lediglich zum Displaycontroller erforderlich.

= Aufgabenanalyse =
==UART-Kommunikation==
Es soll eine Stern-Topologie implementiert werden, welche die UART-Kommunikation
zu einem separaten Display-Controller, dem Maschinensimulator und der Wartungs-
App herstellt. Dabei sind Sende- und Empfangs-Token für das Display, die Wartungs-App und den Maschinensimulator einzuführen. Es gilt dabei, den Umfang und Takt der
neuen Token festzulegen.

==Mehrkernnutzung und/oder Multitasking==

Es gibt bestimmte Vorgänge, welche regelmäßig zur Unterbrechung des Pro-
grammablaufs führen. Es gilt, diese Vorgänge zu identifizieren und umzuleiten,
damit diese den Programmablauf nicht mehr unterbrechen. Die Möglichkeit
der Mehrkernnutzung fällt dabei aus, da der STM32H753ZI nur über einen
M7-Kern verfügt. Dank der Hardware-Unterstützung DMA sowie der Nutzung
der uasyncio-Library besteht die Möglichkeit, die Vorgänge umzuleiten. Somit
können die Unterbrechungen des Programmablaufs reduziert werden.

== Maschinensimulator ==
Die Hauptaufgabe des Maschinensimulators ist die Nachbildung aller Sensordaten der Kaffeemaschine. Dies ermöglicht die Programmentwicklung der Steuerungselektronik ohne die reale Hardware. Die für die Simulation benötigte Hardware ist bereits rudimentär vorhanden, muss aber für einen zuverlässigen und störungsfreien Betrieb optimiert werden. Zudem muss für die Umsetzung der Durchflusssimulation noch eine entsprechende Hardware-Modellierung erfolgen. Softwareseitig ist der Python-Code für die Datengenerierung größtenteils fertiggestellt [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Wiki/index.php?title=Maschinensimulator <nowiki>[ToDo Maschinensimulator - Funktionsnutzung]</nowiki>]. Es fehlen aktuell noch die Flowmetersimulation sowie die Aufheizsimulation, welche für die Validierung der Druck- und Temperaturregelung benötigt wird. Die vom Maschinensimulator gelieferten Temperatur- und Druckwerte müssen validiert werden. Dabei wird soll ein bereits bekannter Messfehler bei den Temperaturwerten durch die Anpassung der Einstellwerte behoben werden. Für den Programmablauf des Simulators wird eine MATLAB®-App entwickelt, die parallel zum Ablauf des STM32 arbeitet. Für die UART-Kommunikation in der Sterntopologie zwischen dem Maschinensimulator und dem STM32 müssen zudem spezifische Sende- und Empfangs- Token implementiert sowie deren Taktung und Datenumfang definiert werden. Zusätzlich wird ein Gateway als Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Maschinensimulator und der Wartungs-App implementiert. Des Weiteren muss während der Ausarbeitung des Maschinensimulators eine Projektfortschrittsdokumentation erfolgen. Die Ausarbeitung erfolgt in einem ein- bis zweiwöchigen Turnus.

== Füllstandsregler ==
Die Füllstandsregelung erkennt den Füllstand über eine Kurzschlussdetektion. Liegt kein
Kurzschluss vor, wird dies als zu niedriger Füllstand interpretiert und der Boilerdruckregler
zur Vermeidung von Trockenheizen gesperrt. Beim Erreichen des Sollfüllstands erfolgt eine
gezielte Überfüllung bei reduzierter Pumpenspannung, um ein periodisches Ein- und
Ausschalten der Regelung zu vermeiden. Da die in der MATLAB®-GUI realisierte Boiler Füllstandsregelung aus [114] bereits in einem ersten Stand in MicroPython übertragen
wurde, liegt der Fokus hier auf der Validierung am Maschinensimulator sowie der
Abstimmung mit den Schnittstellenpartnern.

== Boilerdruckregelung ==
Ziel ist es, die bisher in der MATLAB®-GUI realisierte Boilerdruckregelung aus [114], die auf
einem PD-Regler basiert, vollständig zu übertragen, sodass die Regelung unabhängig von der
externen PC-Umgebung arbeitet.

== Mischtemperaturregler ==
Der Mischtemperaturregler nach [114] dient zur Regelung der Kaffee- und
Teewassertemperatur und wird als PID-Regler für das Mischventil umgesetzt. Die Stellgröße
ist dabei die Verstellung des Mischventils. Der Temperatursollwert wird aus dem jeweils
aktiven Rezept vorgegeben. Da die Regelung vom aktuellen Durchfluss abhängt, wird eine
Kaskadenstruktur verwendet. In dieser Struktur arbeitet der Durchflussregler als innerer,
schneller Regelkreis, während der Mischtemperaturregler den äußeren Regelkreis bildet und
die Ergebnisse des inneren Kreises berücksichtigt. Daraus ergibt sich ein besonderes
Augenmerk auf das Testen des Zusammenspiels der beiden Regler anhand des
Maschinensimulators, um das Ziel – die Implementierung dieser Kaskadenregelung auf dem
STM32 – zu erreichen.

== Durchflussregler ==
Ein Durchflussregler, der in MATLAB® gemäß [114] vorliegt, wird als PID-Regler in
MicroPython umgesetzt. Durch die Anpassung der Pumpendrehzahl über einen
Spannungssollwert von 0–5 V kann ein konstanter oder ein profildefinierter Volumenstrom
entsprechend der Sollwertvorgabe realisiert werden. Als innerer Regelkreis liefert er
kontinuierlich Durchflusswerte an den Mischtemperaturregler. Daraus ergibt sich der Fokus
auf der Implementierung und dem Test des Reglers sowie auf der Validierung seines
Zusammenspiels mit dem übergeordneten Mischtemperaturregler im Maschinensimulator,
um die Integration auf dem STM32 sicherzustellen.

== Startprozedur ==
Das Ziel ist es, eine Startprozedur zu definieren. Beim Einschalten der Stromversorgung starten die Prozessoren der Maschine. Ohne eine festgelegte Ablauflogik würden die einzelnen Systemteile jedoch unkoordiniert anlaufen. Daraus ergibt sich der technische Bedarf, eine eindeutige Reihenfolge für den Start festzulegen und die zugehörigen Ausgaben auf dem Display so zu definieren, dass der Startprozess nachvollziehbar verfolgt werden kann.

Dafür müssen zunächst die relevanten Inhalte der Startprozedur identifiziert werden. Außerdem sind die beteiligten Schnittstellen zu erkennen und die Reihenfolge der einzelnen Startschritte so festzulegen, dass ein geordneter und technisch sinnvoller Maschinenstart möglich ist.

== Display ==
Ziel ist eine kompakte und benutzerfreundliche Displaylösung, die sich nahtlos in das Gesamtsystem integriert. Das Display mit Touchfunktion dient als Schnittstelle zur Interaktion zwischen Bediener und Maschine. Messwerte müssen strukturiert darzustellen sowie die Auswahl von Funktionen wie Kaffeerezepten, Teewasser- oder Dampfbezug zu ermöglichen. Zusätzlich übernimmt das Display die Visualisierung der Startprozedur, relevanter Betriebszustände und der Sicherheitsfunktionen.

Zunächst werden die benötigten Funktionalitäten analysiert und definiert, darunter Messwertanzeige, Benutzerführung und Sicherheitsmeldungen. Parallel dazu werden drei unterschiedliche Displaytypen (rundes Display, LCD2 und 1,69Display) auf ihre Eignung hin untersucht, um anschließend die, am besten passende, Variante auszuwählen. Die MCU der Displayplatine erhält die benötigten Informationen über die UART-Kommunikation aus dem System und muss in die bestehende Gesamtarchitektur integriert werden. Der Vertikalhebel dient zur Vorgabe von Sollwerten, während die beiden Anschlagtaster die Funktionen Kaffeebezug und Flush beziehungsweise Reinigung auslösen. Diese Bedienelemente sind mit der Displayplatine zu verbinden, damit das Display die zugehörigen Informationen und Zustände für den Benutzer darstellen kann.

== STM32 ==
Als Haupt-MCU soll ein STM32H753ZI-Controller verwendet werden. Es soll sichergestellt
werden, dass die vorinstallierten Steckerleisten CN7 bis CN10 ausreichend Pins für
Definition der benötigten UART-, ADC-, DAC- und GPIO-Pins aufweisen. 
Die Boilerdruck-, die Wassertemperatur-, die Durchfluss- und die Füllstandsregelung des
Boilers müssen implementiert werden. Es soll ebenfalls eine UART-Kommunikation für ein
Touch-Display, einen Maschinensimulator sowie eine Möglichkeit zum Anschließen einer
Wartungs-App programmiert werden. Um einen geordneten Ablauf der einzelnen
Komponenten bei Inbetriebnahme der Maschine zu gewährleisten, soll eine Startprozedur
programmiert werden

== Wartungs - APP ==
Es müssen der Inhalt des Wartungs-Token definiert werden, ein GUI-Layout erstellt werden, ein Kommunikationsaufbau mit dem Maschinensimulator hergestellt werden, die Darstellung der Messwerte, eine manuelle Startprozedur, das Schalten von Magnetventilen, die Einstellung von Sollwertvorgaben (Boilerdruck, Bezugswassertemperatur, Durchfluss) und manuellen Stellwerten für das PWM-Heizelement, die Pumpenansteuerung und die Stellung des Dosierventils sowie die Messwertspeicherung und das Logging programmiert werden. Die App ist bis zu einem funktionsfähigen Prototypen erforderlich.

= Leistungsvereinbarung =

== Startprozedur ==
Es wird eine definierte und nachvollziehbare Startprozedur für die Maschine erarbeitet. Das Ergebnis umfasst eine festgelegte Reihenfolge der Startschritte, die Berücksichtigung der relevanten Schnittstellen sowie ein Konzept für die Ausgaben auf dem Display, damit der Startprozess strukturiert abläuft und für den Benutzer verfolgbar ist.

== Maschinensimulator ==
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines voll funktionsfähigen Maschinensimulators, der das Testen der auf den STM32 zu verlagernden Regelkreisen ermöglicht. Hierfür werden physikalische Größen wie Temperatur und Druck simuliert und über die Digital- Potentiometer MCP4151 als elektrische Signale an die Steuerungselektronik ausgegeben. Der Maschinensimulator wird in einer MATLAB®-App implementiert, sodass der Maschinensimulators parallel zu einer weiteern MCU an einem PC betrieben werden kann. Die App soll sowohl den Betrieb des Simulators als solches als auch die Nutzung als Wartungs-App ermöglichen.

== Wartungs - APP ==
Die aktuelle MATLAB®-GUI soll in eine komfortable Bedienoberfläche für Wartungs- und Einstellarbeiten überführt werden. Bei aktivierter Wartungs-App sollen sämtliche Tastenfunktionen und die Vertikalhebelfunktion nutzbar sein und zudem alle Aktoren (Magnetventile, Pumpenleistung und Schrittmotorverstellungen) über diese App angesteuert werden können. Des Weiteren soll die bisherige Visualisierung der Messwerte und Schaltzustände erhalten bleiben. Dies allerdings mit einer geringeren Aktualisierungsrate, da vier Aktualisierungen pro Sekunde als ausreichend angesehen werden.

==UART-Kommunikation==
Um die spezifischen Daten von dem STM32H7 auf das Display zu übertragen, sowie
Steuerbefehle des Displays für den STM32H7, wird ein neue UART-Schnittstelle mit Display-Token eingeführt. Ebenfalls wird eine UART-Kommunikation mit entsprechendem Token für
Maschinensimulator und der Wartungs-App implementiert. Dabei soll ein Gateway den
Zugriff für die Wartungs-App integriert werden.

==Multitasking==
Die direkte Hardware-Unterstützung über DMA gestaltet sich schwierig in MicroPython, da
sie von MicroPython automatisch verwendet wird (bspw. bei Buffern) und nur über
Registeraccess direkt ausgeführt werden kann. Daher wird die Nutzung der uasyncio-Library
bevorzugt, welche die Vorgänge, die den Programmablauf verzögern, umleitet. Dadurch soll
das Programm reibungsfreier ablaufen.

==STM32H7==
Die bestehenden Regelkreise, Füllstandsregelung (Boiler und Tanks), Boilerdruckregelung,
Mischtemperaturregelung und Durchflussregelung werden von den drei Microcontroller auf
den STM32H7 verlagert. Ebenfalls erfolgt die Migration der Messwerterfassung aller
verbauten Sensoren auf die neue STM32H7-Plattform. 
Zusätzlich wird eine UART-Kommunikation implementiert, die die Anbindung des Displays,
eines Maschinensimulators sowie für den Zugriff durch eine externe Wartungs-App über
einem Gateway ermöglicht. 
Um einen geordneten Ablauf der einzelnen Komponenten bei Inbetriebnahme der Maschine
zu gewährleisten, wird eine Startprozedur programmiert. 
Die Hardware-Umsetzung wird von LfbA Armin Rohnen übernommen.

== Display ==
Es wird eine geeignete Displaylösung ausgewählt und in das Gesamtsystem integriert. Das Ergebnis umfasst die Darstellung relevanter Messwerte, Betriebszustände, Sicherheitsmeldungen und der Startprozedur sowie die Einbindung der Bedienfunktionen über Touch, Vertikalhebel und Anschlagtaster.

== Vertikalhebel ==
Der Vertikalhebel wird als Bedienelement technisch und funktional in das System integriert. Das Ergebnis umfasst die Erfassung und Verarbeitung der Hebelstellung als Sollwertvorgabe für den Durchflussregler, die Einbindung der Anschlagtaster als zusätzliche Bedienfunktionen sowie die Anzeige der relevanten Informationen auf dem Display.

== Verlagerung der Regler Syntax ==
Ziel dieser Arbeit ist die vollständige Übertragung der in MATLAB® implementierten Regelalgorithmen aus [114] in MicroPython sowie deren Vorbereitung für die Implementierung auf einer STM32‑MCU. Die Umsetzung erfolgt entlang der bestehenden Reglerstruktur: Füllstandsregler, Boilerdruckregelung, Mischtemperaturregler und Durchflussregler.

= Besprechungsprotokolle und weitere Unterlagen =
* [[:Datei:20260214 Abschlusspraesentation.pdf|Übergabepräsentation Vorgänger]]
* [[:Datei:20260326 Projektstart.pdf|Aktueller Projektstand]]
* [[Projektstart 26.03.2026]]
* [[Projektrücksprache 02.04.2026]]
* [[Projektrücksprache 09.04.2026]]
* [[Projektrücksprache 17.04.2026]]
* [[Projektrücksprache 24.04.2026]]
* [[Projektrücksprache 08.05.2026]]
* [[Projektrücksprache 15.05.2026]]
* [[Projektrücksprache 22.05.2026]]
* [[Projektrücksprache 29.05.2026]]
* [[Projektrücksprache 05.06.2026]]
* [[Projektrücksprache 12.06.2026]]
* [[Projektrücksprache 19.06.2026]]
* [[Projektrücksprache 03.07.2026]]
* [[Projektrücksprache 10.07.2026]]
* [[Abschlusspräsentation 24.07.2026]]

Systemsoftware

2026-04-27T21:39:49Z

Konstantin Rupprecht: Das ToDo Mehrkernnutzung und/oder Multitasking abgeschlossen (100)

<htmltag tagname="img" src="http://vg04.met.vgwort.de/na/4531f1734b324b72b2d7e566cdf639f0" width="1" height="1" alt=""></htmltag>
[[Datei:Breites Logoband.png|mini|zentriert|hochkant=2.5]] 
Die Systemsoftware lässt sich nicht ohne die Beachtung der Systemelektronik erstellen.

Für die Systemsoftware wurde ein mehrstufiger Entwicklungsprozess definiert:
# Nutzung einer MCU auf der MicroPython verwendet werden kann. Dies ist durch das STM32F411 nucleo Board der Basiselektronik bzw. durch den Raspberry Pi Pico der Multi-MCU-Elektronik gegeben.
# Auf der MCU werden lediglich die elementaren Grundfunktionen (GPIO schalten und erfassen, Messwert erfassen, PWM Ausgeben, Sollwert ausgeben, etc.) realisiert und über eine MicroPython zu MATLAB® Schnittstelle [41] wird die Funktionalität in einer MATLAB® GUI hergestellt.
# Die Softwareentwicklung startet mit der labortechnischen Espressomaschine und wird auf die weiteren Projekte schrittweise transportiert. Dazu ist die Maschinenelektronik gleich zu halten und es sind die gleichen Anschluss-Pins zu verwenden.
# Nach Abschluss der Testphase der MATLAB® Bedienung wird schrittweise die Betriebssoftware in MicroPython auf der MCU implementiert, so dass am Ende dieses Prozessschrittes die MATLAB®-Verbindung lediglich für weiterführende Datenerfassung und grafische Darstellungen verwendet wird, welche nicht mit dem Display der Maschine möglich ist oder dort nicht dargestellt werden soll.
# Ob eine Portierung des MicroPython-Codes nach Microcontroller C durchgeführt wird, ist derzeit nicht entschieden.

Es wurden mehrere, die Softwareentwicklung vorbereitende FMEAs durchgeführt. Die hierdurch entstandenen Dokumentation befinden sich in der Dokumentationsauflistung. Im weiteren wurde eine Projektarbeit zur Konzeptfindung für die Badienung durchgeführt. Auch die hierdurch entstandenen, teilweise auf die FMEA aufbauenden Dokumente befinden sich in der Dokumentationsliste.

= Projektdokumentationen und Beschreibungen =
* [[:Datei:20210228 Konzept Systemelektronik.pdf|Konzeptbeschreibung Systemelektronik]]
* [[:Datei:20210605 Workflow Embedded Systems.pdf|Workflow Embedded Systems]]
* [[:Datei:20200521 Bericht1 NerminArbi.pdf|Funktionsanalyse Boilerbefüllung, Tassenwärmung, Milchschäumen]]
* [[:Datei:20200518 Bericht halbauto Entkalkung Egger Alexander.pdf|Funktionsanalyse zur halbautomatischen Entkalkung]]
* [[:Datei:20200518 V0 4 Bericht Funktionsanalyse Rückspulung-Spulung Sladoje.pdf|Funktionsanalyse Rückspülung und Spülung]]
* [[:Datei:20200521 Bericht Espresso-Teewasserbezug Urbin.pdf|Funktionsanalyse Espresso und Teewasserbezug]]
* [[:Datei:20200522 Bericht Funktionsanalyse Energieeffizienz Egger Alexander.pdf|Funktionsanalyse Energieeffizienz]]
* [[:Datei:20200521 V2 Bericht Funktionsanalyse Bedienung Sladoje.pdf|Funktionsanalyse Bedienung]]
* [[:Datei:20200525 Bericht Abbildung aller Maschinen Urbin V2.pdf|Funktionsanalyse Abbildung aller Maschinen]]
* [[:Datei:20200609 Bericht Fehleranalyse Entschichtung.pdf|Fehleranalyse Entschichtung]]
* [[:Datei:20200610 Fehleranalyse Dampf Brühgruppe Sladoje.pdf|Fehleranalyse Brühgruppe und Dampfbezug]]
* [[:Datei:20200613 Bericht Fehleranalyse Mischer;Magnetventile V2.pdf|Fehleranalyse Mischer und Magnetventile]]
* [[:Datei:20200611 Bericht3 NerminArbi.pdf|Fehleranalyse Boiler]]
* [[:Datei:20200705 Dichtheitsprüfung.pdf|Dichtheitsprüfung]]
* [[:Datei:20200704 Massnahmen Urbin.pdf|Prüfkonzepte Magnetventile und Mischer]]
* [[:Datei:20200701 Maßnahmenanalyse NerminArbi.pdf|Maßnahmen Boiler]]
* [[:Datei:20200628 Maßnahmen Entschichtung zweiter Stand.pdf|Maßnahmen Entschichtung]]
* [[:Datei:20200627 Maßnahmenkonzept Brühguppe Dampf Sladoje.pdf|Maßnahmen Brühgruppe und Dampf]]
* [[:Datei:20200707_FMEA.xlsx|FMEA Tabelle]]
* [[:Datei:20201207_Bedienkonzept.pptx|PPT Simulation des Bedienkonzeptes]]
* [[:Datei:20210207_Bedienkonzept_Funktionsliste.xlsx|Bedienkonzept Funktionsliste]]
* [[:Datei:20210219_Bedienkonzept_Projektdokumentation.pdf|Bedienkonzept Projektdokumentation]]
* [[:Datei:HMProjektBedienoberflaecheEspresso.zip|MATLAB® GUI]]
* [[Entwicklung Systemsoftware SoSe2022]]
* [[Entwicklung Systemsoftware SoSe2023]]
* [[Mikrocontroller Programmierung in MicroPython WiSe 2025/26]]
* [[Mikrocontroller Programmierung in MicroPython SoSe 2026]]

= [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Programmcode Programmcode] =
Aktueller Programmcode und Änderungsdokumentation ab Jan 2023

= [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Software-Bugs Software-Bugs] =

= ToDo-Liste(n) Systemsoftware =

== Prioritätsangabe ==
Prio 1 - Abarbeitung zeitnah erforderlich 
Prio 2 - Abarbeitung erforderlich 
Prio 3 - Abarbeitung kann warten 
Prio 99 - Abarbeitung erfordert Vorarbeiten 

== Status ==
10 - Erfasst 
30 - in Bearbeitung 
50 - Lösung definiert 
70 - in Umsetzung 
90 - Umsetzung abgeschlossen 
99 - Abbruch per Beschluss (Dokumentation dazu erforderlich) 
100 - Maßnahme bestätigt 

= ToDo-Liste: MCUs - Verlagerung der Regelkreise aus der MATLAB®-GUI auf die Mikrocontroller der Steuerungselektronik =
{| class="wikitable sortable"
|-
! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
|-
| [[Startprozedur]] || Konstantin Rupprecht / Loic Aboufiras|| 1 || 30 ||08.05.2026
|-
| [[Kommunikation per UART|UART Kommunikation zwischen den einzelnen MCUs]] || Konstantin Rupprecht|| 1 || 70 ||08.05.2026
|-
| [[Evaluation STM32H7 |Umstellung auf STM32H7]] || Konstantin Rupprecht|| 1 || 10 ||08.05.2026
|-
| [[Mehrkernnutzung und/oder Multitasking]] || Konstantin Rupprecht|| 1 || 100 ||08.05.2026
|-
| [[Integration eines Displays mit Touchfunktion]] || Loic Aboufiras|| 1 || 30 ||08.05.2026
|-
| [[Integration eines Vertikalhebels]] || Loic Aboufiras|| 1 || 30 ||12.06.2026
|-
| [[Maschinensimulator]] || Francis Booth|| 1 || 70 ||08.05.2026
|-
| [[Visualisierung und Interaktion über die MATLAB®-GUI|Wartungs-App]] || Felix Kerner|| 1 || 10 ||08.05.2026
|-
| [[Verlagerung des Füllstandsreglers auf das Basisboard|Verlagerung des Füllstandsreglers]] || Tillmann Haas|| 1 || 30 ||08.05.2026
|-
| [[Verlagerung der Boilerdruckregelung auf die Messplatine|Verlagerung der Boilerdruckregelung]] || Tillmann Haas|| 1 || 30 ||15.05.2026
|-
| [[Verlagerung des Mischtemperaturreglers auf das Basisboard|Verlagerung des Mischtemperaturreglers]] || Tillmann Haas|| 1 || 10 ||10.06.2026
|-
| [[Verlagerung des Durchflussreglers auf das Basisboard|Verlagerung des Durchflussreglers]] || Tillmann Haas|| 1 || 10 ||08.07.2026
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Preinfusion auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Kaffeebezug auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Wasserbezug auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Dampfbezug auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Spülen auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Erstellung der Funktionssteuerung - Grundreinigung auf dem Basisboard]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Visualisierung und Interaktion über eine WEB-Anwendung]] || || 1 || 10 ||
|}

= ToDo-Liste: Allgemeines =
{| class="wikitable sortable"
|-
! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
|-
| [[Sicherheitsfunktionen]] || || 99 || 50 ||
|-
| [[ Übersicht über verbaute Aktorik und Sensorik in Tabellenform]] || || 2 || 90 ||
|-
| [[Stromsparmodus]] || || 99 || 10 ||
|-
| || || || ||
|}

= ToDo-Liste: Mechatronische Inbetriebnahme Glasboilermaschine =
{| class="wikitable sortable"
|-
! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
|-
| [[Fehlerbehebungen]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Startprozedure]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Tankfüllstandsregelung]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Boilerfüllstandsregelung]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Boilerdruckregelung]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Mischwassertemperaturregelung]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Durchflussregelung]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Kaffeebezug]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Teebezug]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Temperatureinstellung über Vertikalhebel]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Simulation Handhebelmaschine]] || || 1 || 10 ||
|-
| [[Flush/Rückspülreinigung]] || || 1 || 10 ||
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| || || || ||
|}

= ToDo-Liste: MCUs - Hardwarenahe Software =
{| class="wikitable sortable"
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! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
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| [[Grundfunktionen der MCU und mehrere MCUs]] || || || 100 ||
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| Basisboard: [[Schalten Magnetventile (Labor) STM32-Basisboard]] MATLAB®GUI || || || 100
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| Basisboard: [[Pumpenansteuerung Basisboard Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| Basisboard: [[Schrittmotorsteuerungen Basisboard Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| Basisboard: [[Tastenerkennung Basisboard Multi-MCU]] || || 1 || 10 ||
|-
| Basisboard: [[Füllstandserkennung Basisboard Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| Basisboard: [[Durchflussmessung Basisnoard Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| SSR-Platine: [[Schalten Magnetventile SSR-Platine Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| SSR-Platine: [[Schrittmotorsteuerungen SSR-Platine Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| Messplatine: [[Messdatenerfassung Multi-MCU]] || || || 100 ||
|-
| || || || ||
|}

= ToDo-Liste der Grundlagenprogrammierung - MATLAB®-Funktionen und GUI =
{| class="wikitable sortable"
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! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
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| [[MATLAB®-GUI Start der App]] || || || ||
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| [[MATLAB®-GUI Initialisierung Multi-MCU]] || || || ||
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| [[MATLAB®-GUI Schalten Magnetventile]] || || || ||
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| [[MATLAB®-GUI Datensicherung]] || || || ||
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| [[Messwerte erfassen Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Pumpenansteuerung Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Füllstandsregler Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Regler Boilerdruck Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Mischregler Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Durchflussregler Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Misch-Durchfluss Kaskadenregelung Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Preinfusion Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[einfacher Kaffeebezug Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Kaffeebezug Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Wasserbezug Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Dampfbezug Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Spülvorgänge Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Grundreinigung Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Tastenbedienung Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Display Multi-MCU]] || || || ||
|-
| [[Glasboiler Abtropfwanne]] || || || ||
|-
| [[Schrittmotorensteuerung Bypass]] || || || ||
|-
| [[Schrittmotorensteuerung Mischer]] || || || ||
|-
| [[Schrittmotorensteuerung Brühgruppendrossel]] || || || ||
|-
| [[Adaption an Multi-MCU - Neuprogrammierung MATLAB® GUI]] || || || ||
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| || || || ||
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| || || || ||
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| Dokumentation der Software mit STM32-Elektronik. Ein Betrieb dieser wird nicht mehr weiter verfolgt. || || || ||
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| [[Messwerte erfassen (Labor)]] || || || ||
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| [[Pumpenansteuerung (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Füllstandsregler (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Regler Boilerdruck (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Mischregler (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Durchflussregler (Labor)]] || || || ||
|-
| [[einfacher Kaffeebezug (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Kaffeebezug (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Wasserbezug (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Dampfbezug]] || || || ||
|-
| [[Spülvorgänge (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Tastenbedienung (Labor)]] || || || ||
|-
| [[Anpassungen für Schrittmotorensteuerung]] || || || ||
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| || || || ||
|}

= ToDo-Liste: APP =
{| class="wikitable sortable"
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! Arbeitspaket !! Wer !! Prio !! Status !! WV
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| [[APP - Konzept]] || || 2 || 10 ||
|-
| [[Messwerte erfassen APP]] || || 99 || 10 ||
|-
| [[Preset / Profilverwaltung]] || || 99 || 10 ||
|-
| || || || ||
|}

Mehrkernnutzung und/oder Multitasking

2026-04-27T21:37:20Z

Konstantin Rupprecht:

=Konstantin Rupprecht, 27.04.2026 Multitasking mittels Uasyncio=
Uasyncio ist eine Implementierung von der asyncio library von C-Python für Microcontroller.
Es wird eingesetzt, um ein ähnliches Ergebnis wie bei Multithreading zu erzielen. Dabei
werden die Aufgaben jedoch nicht parallel ausgeführt, sondern laufen kooperativ ab. Das
erzielt die uasyncio über den sogenannte Event-Loop. Er läuft kontinuierlich in einer Schleife
und verwaltet sämtliche Aufgaben. Dabei stellt eine Aufgabe eine gekapselte Coroutine dar,
also eine Funktion, die ihren eigenen Ausführungszustand speichern kann. Im Gegensatz zu
normalen Funktionen wird ein Task nicht einmal vollständig durchlaufen, sondern kann an
bestimmten Punkten unterbrochen und später fortgesetzt werden. Dadurch ist es möglich,
Aufgaben effizient zu pausieren und später exakt an derselben Stelle weiterzuführen. Der
Wechsel zwischen verschiedenen Aufgaben erfolgt ausschließlich an definierten
Übergabepunkten. Das bedeutet, dass eine Aufgabe aktiv die Kontrolle an den Event-Loop
zurückgeben muss, damit eine andere Aufgabe ausgeführt werden kann. Dieser kontrollierte
Eingriff ermöglich uasyncio die Aufgaben effektiv zu strukturieren und den Programmablauf
damit zu optimieren, ohne das komplexe Synchronisationsmechanismen benötigt werden,
wie es bei Multithreading nötig ist. Gleichzeitig ergibt sich daraus jedoch die Anforderung,
dass Aufgaben so gestaltet sein müssen, dass sie regelmäßig die Kontrolle abgeben
können. Andernfalls kann ein einzelner Task den gesamten Ablauf blockieren. 

Damit uasyncio verwendet werden kann, muss es zunächst im Programm importiert und der
Event-Loop gestartet werden. Dies geschieht durch das Definieren von asynchronen
Funktionen mit „async def“, die anschließend als Tasks eingeplant werden. Der
Einstiegspunkt ist meist eine Haupt-Coroutine, die alle weiteren Aufgaben startet. Der Event
Loop wird dann mit „uasyncio.run()“ initialisiert und ausgeführt, wobei diese Funktion die
Kontrolle übernimmt und alle registrierten Tasks verwaltet. Innerhalb der Coroutinen werden
an geeigneten Stellen „await“-Ausdrücke verwendet, um die Kontrolle gezielt an den Event
Loop zurückzugeben. Ohne einen solchen Start des Event-Loops und das explizite
Einplanen von Tasks würde uasyncio nicht aktiv werden, da es vollständig ereignisgesteuert
arbeitet.

= Peter Vogginger, 15.01.2025 Versuch der Mehrkernnutzung =
Die Mehrkernnutzung wird versuchshalber mit einem zusätzlichen Schrittmotor und der bereits programmierten UART-Kommunikation getestet. Die Schrittmotorsteuerung wird auf den Hauptkern (Core 0) und die Kommunikation auf den 2. Kern (Core 1) verlagert. Diese Aufteilung wird gewählt, da es vermutlich zu einem besserem Motorlauf führt. Dies wird im weiteren Verlauf auch versucht, zu bestätigen. 

Der Versuchsaufbau besteht aus zwei RP2040-Platinen, dem Schrittmotor, sowie dessen Ansteuerung/ Stromversorgung (realisiert auf einer zusätzlichen Platine). Die RP2040-Platinen sind miteinander verkabelt (siehe hierzu Seite [[Kommunikation_per_UART]]). Die Platine mit der Schrittmotorsteuerung ist als Relais in dem Kommunikationsring ausgeführt. Die zweite RP2040 beinhaltet den Code für den ersten Token (Messwert-Platine) und startet die Kommunikation. 

Die Versuchsdurchführung sieht vor, dass der Schrittmotor permanent drehen soll und bei Beginn der Kommunikation die Drehbewegung des Motors beobachtet wird. Der Programmcode des Motors wurde in Teilen aus einer früheren Projektarbeit entnommen, sowie aus dem
offiziellen MicroPython-Wiki (siehe: https://docs.micropython.org/en/latest/library/rp2.html). Die Kommunikation über UART wird als reines Relais ausgeführt, das heißt der eingehende Token wird kontrolliert und weitergesendet. Dies wurde bereits erfolgreich angewendet. 

Läuft sowohl die Kommunikation, ersichtlich über das Ausgabefenster in THONNY, und dreht der Motor ebenso, ist die Mehrkernnutzung erfolgreich getestet. Im weiteren Verlauf wird das Drehverhalten der Motorwelle mit und ohne parallele Kommunikation beurteilt und verfeinert.
Im ersten Versuch zeigt sich, dass sich die Welle des Motors ohne Mehrkernnutzung nahezu ruckfrei dreht, allerdings in paralleler Ausführung sich ein starkes Rucken einstellt. Um dies zu reduzieren, wird die Motor-Ansteuerung auf die spezialisierte Hardware-Einheit PIO des RP2040 verlegt. Sie ermöglicht es, Ein- und Ausgabesignale sehr präzise und unabhängig von der CPU zu steuern, indem eigene kleine Programme (ASM-Code) direkt in der PIO-Hardware ausgeführt werden. Diese ist fest auf dem RP2040 integriert, es wird nur der Programmcode der Schrittmotorsteuerung angepasst. 

Daraufhin zeigt sich, dass sich mit dieser Art der Motorsteuerung ein weniger ruckeliges Verhalten während der parallel ablaufenden Kommunikation einstellt. Allerdings ist die Drehung der Motorwelle, ohne die Verwendung der Mehrkernnutzung, weniger flüssig. Dies ist hier allerdings nicht entscheidend. 

Ebenso zeigt sich, dass die Verlagerung der Kommunikation auf den Nebenkern nicht zu dem oben erwähnten besseren Motorlauf führt. Ganz im Gegenteil, eine Verlagerung der Motorsteuerung auf den Nebenkern (Core1), wobei zugleich die Kommunikation auf dem Hauptkern (Core0) ausgeführt wird, erweist sich als deutlich besser im Hinblick auf den sofortigen Kommunikationsaufbau, und die Motorbewegung ist weniger ruckelig. 
Link zum bisherigen Programmcode: [[Datei:20260108_Test_Dualcorenutzung.zip]] 

Im weiteren Verlauf wird die Positionierung der Schrittmotorwelle mittels Datenwert im Token
übermittelt und dessen korrekte Anfahrung getestet. Der Schrittmotor hat hierzu die Position 0.

Die Ausarbeitung des Programmcodes ist aufwendig und wird im Folgenden anhand der drei
Ablaufdiagramme (Abb..) vorgestellt.
[[Datei:20260210 Ablaufdiagramm Schrittmotorsteuerung ssr Teil1.png|thumb|300px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Ablaufdiagramm der Funktion schrittmotor_steuerung, (c) Peter Vogginger|Ablaufdiagramm der Funktion schrittmotor_steuerung, (c) Peter Vogginger]]

[[Datei:20260210 Ablaufdiagramm Schrittmotorsteuerung ssr Teil2.png|thumb|899px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Ablaufdiagramme der Funktionn set_target_steps und motor_run, (c) Peter Vogginger|Ablaufdiagramme der Funktionen set_target_steps und motor_run, (c) Peter Vogginger]]

=== schrittmotor_steuerung ===
Die Funktion schrittmotor_steuerung ist Teil der main.py der SSR-Platine und wird bei jedem Aufruf der lokalen Funktion on_receive_ssr ausgeführt. Somit wird sie bei jedem Eintreffen eines neuen Tokens über die UART-Schnittstelle aufgerufen (http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Wiki/index.php?title=Kommunikation_per_UART). 

Die Aufgaben dieser Funktion sind: 
:• das Auslesen der Zielposition der Motorwelle aus dem Token, 
:• das Schreiben der aktuellen Istposition des Motors in den Token, 
:• sowie der Aufruf der Funktion set_target_steps, sofern erforderlich. 

Die Schrittanzahl wird in Halbschritten angegeben und aus dem Token mithilfe eines Getters
ausgelesen. Hierbei ist zu beachten, dass es sich um einen Integerwert mit Vorzeichen handelt
und somit der Setter entsprechend set_signed_bytes() heißt (http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Wiki/index.php?title=Kommunikation_per_UART Setter und Getter für Bits und Bytes). 

Die Istposition ist die absolute Schrittanzahl vom Zustand 0 (beim Dosierventil ist das der
Zustand „geschlossen“). Die Istposition wird bei jedem Tokenempfang mithilfe eines Setters in
den Token geschrieben und somit fortlaufend aktualisiert. Der Wertebereich des Dosierventils
ist 0…550. Somit wird der Setter set_bytes() verwendet, da keine negativen Werte vorkommen
können. 

Zusätzlich überprüft die Funktion, ob der Motor im Moment dreht. Hierzu dient das Flag
motor_dreht. Dieses Flag wird in den Funktionen set_target_steps und motor_run gesetzt bzw.
zurückgesetzt. Dreht der Motor aktuell, wird kein neuer Positionierbefehl ausgelöst, um den
Bewegungsablauf nicht zu stören. Nur wenn der Motor steht und die Zielposition von der
Istposition abweicht, wird die Funktion set_target_steps erneut aufgerufen.

=== set_target_steps ===
Die Funktion set_target_steps ist Teil der Klasse MOTORSTEUERUNG in der Datei
motorsteuerung.py auf der SSR-Platine. Die Aufgaben dieser Funktion sind: 

:• der Vergleich der vorgegebenen Schrittanzahl mit der Minimal- und der Maximalposition 
:• die Festlegung der Drehrichtung des Motors, sowie 
:• das Setzen und Zurücksetzen des Status-Flags motor_dreht. 

Im ersten Schritt wird überprüft, ob die vorgegebene Schrittanzahl target_steps kleiner als die
minimal mögliche Position (0) ist. Falls dies zutrifft, wird die Schrittanzahl auf die
Minimalposition 0 gesetzt. Anschließend wird geprüft, ob die Schrittanzahl größer als die
Maximalposition des Dosierventils (550) ist. Ist dies der Fall, wird die Schrittanzahl auf die
Maximalposition gesetzt. Die Zielposition ist nun die Schrittanzahl. 

Darauffolgend wird die Zielposition mit der aktuellen Istposition verglichen, um die Drehrichtung
des Motors festzulegen. Ist die Zielposition größer als die Istposition, wird der Motor in positiver
Drehrichtung (= rechtsdrehend bzw. schließend) betreiben, ist sie kleiner, erfolgt die Bewegung
in negativer Drehrichtung (= linksdrehend bzw. öffnend 

Abschließend wird das Flag motor_dreht gesetzt. Dieses dient dazu, dass während einer
laufenden Motorbewegung die Funktion set_target_steps nicht erneut aufgerufen wird. Dadurch
wird eine Störung der Motorbewegung und des Ablaufs verhindert. Die Funktion
motor_steuerung wird weiterhin bei jedem Eintreffen eines neuen Tokens aufgerufen. 

=== motor_run ===
Die Funktion motor_run ist Teil der Klasse MOTORSTEUERUNG in der Datei motorsteuerung.py
auf der SSR-Platine. 

Die Aufgabe dieser Funktion ist die kontinuierliche Ansteuerung des Schrittmotors auf dem
zweiten Prozessorkern (Core 1). 

Die Funktion wird mit dem Aufruf _thread.start_new_thread(motor.motor_run,()) gestartet und
läuft über eine Endlosschleife während der gesamten Einschaltdauer der Platine. Diese Struktur
ist notwendig, um die Mehrkernnutzung des RP2040 zu realisieren und eine gleichzeitige
Motorbewegung sicherzustellen. 

Zu Beginn wird der Index idx der Schrittsequenz auf null gesetzt. Dieser dient als Laufvariable zur
Auswahl des aktuellen Spulenzustandes. 

Anschließend wird innerhalb einer Schleife permanent überprüft, ob das Flag motor_dreht
gesetzt ist. Dieses Flag wird in der Funktion set_target_steps aktiviert, sobald eine neue
Zielposition angefordert wurde.
Ist das Flag gesetzt, wird ein vorgegebenes Schrittmuster ausgegeben. Das Schrittmuster ist
motorabhängig und besteht bei dem verwendeten bipolaren zweiphasigen Schrittmotor aus
acht verschiedenen Spulenzuständen: STEP_SEQ = (0b0100, 0b0101, 0b0001, 0b1001, 0b1000,
0b1010, 0b0010, 0b0110). Die Gesamtheit der Einträge ist die Schrittfrequenz. Hierbei handelt
es sich um die Halbschritt-Sequenz, welche für das Dosierventil vorgesehen ist. 

Die Ausgabe des aktuellen Spulenzustands erfolgt über den Aufruf self.sm.put(self.STEP_SEQ[idx]). Jeder Eintrag der Schrittfrequenz entspricht genau einem
Halbschritt. 

Der Schrittindex wird anschließend durch den Aufruf idx = (idx + self.drehrichtung) % 8
aktualisiert. Abhängig von der Drehrichtung ergibt sich dabei folgender Zusammenhang:

:• Ist die Drehrichtung +1, lautet die Abfolge 0 → 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 7 → 0 → … 
:• ist die Drehrichtung -1, lautet die Abfolge 0 → 7 → 6 → 5 → 4 → 3 → 2 → 1 → 0 → … 

Durch den Modulo-Operator wird sichergestellt, dass der Index stets im gültigen Bereich der
Schrittfrequenz bleibt. Bei jedem Schleifendurchlauf wird die Variable idx genau einmal
verändert, somit entspricht jeder Schleifendurchlauf exakt einem Motor-Halbschritt. 

Die aktuelle Position wird anschließend mit self.aktuelle_position += self.drehrichtung
aktualisiert. 

Ob die Zielposition erreicht wurde, wird durch den Vergleich self.aktuelle_position ==
self.ziel_position überprüft. Ist dies der Fall, wird das Flag motor_dreht auf False gesetzt,
wodurch die Motorbewegung beendet wird. Die Schleife läuft weiterhin. 

Der Zugriff auf das Flag motor_dreht wird in der Funktion motor_run benötigt, da es die
Motorverstellung aus der Bewegung heraus stoppt. In der Funktion set_target_steps wird
dagegen entschieden, ob der Motor überhaupt drehen soll und das Flag wird entspechend
gesetzt.

= Armin Rohnen, 11.04.2024 =
Grundsätzlich verfügt der ARM-Prozessor der Raspberry Pi Pcio MCU RP2040 über zwei Kerne, die im Gegensatz zu anderen MCUs gleichwertig sein sollen. Die Quellenlage hierzu lässt jedoch eine eindeutige Beurteilung dieser Annahme nicht zu. Eine ggf. verbessernde Quellenlage könnte hierzu neue Ansätze liefern. Für die Verlagerung der Regelkreise auf die MCUs ist zuvor eine Festlegung zu treffen in welcher Form eine Mehrkernnutzung und/oder ein Multitasking implementiert wird.

Damit ist ein Framework für die Systemsteuerung zu definieren. Hierzu sind in der Linksammlung [119] unter Scheduling, Threading und Frameworks einige Libraries aufgelistet.

MicroPython stellt hierzu die Module uasyncio und _thread zur Verfügung. Letzteres verwendet für die Programmausführung den zweiten Prozessorkern. _thread wird allerdings als sehr experimentell bezeichnet. Allerdings lassen sich keine Negativinformation recherchieren.

Mehrkernnutzung und/oder Multitasking

2026-04-27T21:36:39Z

Konstantin Rupprecht:

=Konstantin Rupprecht, 27.04.2026 Multitasking mittels Uasyncio=
Uasyncio ist eine Implementierung von der asyncio library von C-Python für Microcontroller.
Es wird eingesetzt, um ein ähnliches Ergebnis wie bei Multithreading zu erzielen. Dabei
werden die Aufgaben jedoch nicht parallel ausgeführt, sondern laufen kooperativ ab. Das
erzielt die uasyncio über den sogenannte Event-Loop. Er läuft kontinuierlich in einer Schleife
und verwaltet sämtliche Aufgaben. Dabei stellt eine Aufgabe eine gekapselte Coroutine dar,
also eine Funktion, die ihren eigenen Ausführungszustand speichern kann. Im Gegensatz zu
normalen Funktionen wird ein Task nicht einmal vollständig durchlaufen, sondern kann an
bestimmten Punkten unterbrochen und später fortgesetzt werden. Dadurch ist es möglich,
Aufgaben effizient zu pausieren und später exakt an derselben Stelle weiterzuführen. Der
Wechsel zwischen verschiedenen Aufgaben erfolgt ausschließlich an definierten
Übergabepunkten. Das bedeutet, dass eine Aufgabe aktiv die Kontrolle an den Event-Loop
zurückgeben muss, damit eine andere Aufgabe ausgeführt werden kann. Dieser kontrollierte
Eingriff ermöglich uasyncio die Aufgaben effektiv zu strukturieren und den Programmablauf
damit zu optimieren, ohne das komplexe Synchronisationsmechanismen benötigt werden,
wie es bei Multithreading nötig ist. Gleichzeitig ergibt sich daraus jedoch die Anforderung,
dass Aufgaben so gestaltet sein müssen, dass sie regelmäßig die Kontrolle abgeben
können. Andernfalls kann ein einzelner Task den gesamten Ablauf blockieren. 

Damit uasyncio verwendet werden kann, muss es zunächst im Programm importiert und der
Event-Loop gestartet werden. Dies geschieht durch das Definieren von asynchronen
Funktionen mit „async def“, die anschließend als Tasks eingeplant werden. Der
Einstiegspunkt ist meist eine Haupt-Coroutine, die alle weiteren Aufgaben startet. Der Event
Loop wird dann mit „uasyncio.run()“ initialisiert und ausgeführt, wobei diese Funktion die
Kontrolle übernimmt und alle registrierten Tasks verwaltet. Innerhalb der Coroutinen werden
an geeigneten Stellen „await“-Ausdrücke verwendet, um die Kontrolle gezielt an den Event
Loop zurückzugeben. Ohne einen solchen Start des Event-Loops und das explizite
Einplanen von Tasks würde uasyncio nicht aktiv werden, da es vollständig ereignisgesteuert
arbeitet.

= Peter Vogginger, 15.01.2025 Versuch der Mehrkernnutzung =
Die Mehrkernnutzung wird versuchshalber mit einem zusätzlichen Schrittmotor und der bereits programmierten UART-Kommunikation getestet. Die Schrittmotorsteuerung wird auf den Hauptkern (Core 0) und die Kommunikation auf den 2. Kern (Core 1) verlagert. Diese Aufteilung wird gewählt, da es vermutlich zu einem besserem Motorlauf führt. Dies wird im weiteren Verlauf auch versucht, zu bestätigen. 

Der Versuchsaufbau besteht aus zwei RP2040-Platinen, dem Schrittmotor, sowie dessen Ansteuerung/ Stromversorgung (realisiert auf einer zusätzlichen Platine). Die RP2040-Platinen sind miteinander verkabelt (siehe hierzu Seite [[Kommunikation_per_UART]]). Die Platine mit der Schrittmotorsteuerung ist als Relais in dem Kommunikationsring ausgeführt. Die zweite RP2040 beinhaltet den Code für den ersten Token (Messwert-Platine) und startet die Kommunikation. 

Die Versuchsdurchführung sieht vor, dass der Schrittmotor permanent drehen soll und bei Beginn der Kommunikation die Drehbewegung des Motors beobachtet wird. Der Programmcode des Motors wurde in Teilen aus einer früheren Projektarbeit entnommen, sowie aus dem
offiziellen MicroPython-Wiki (siehe: https://docs.micropython.org/en/latest/library/rp2.html). Die Kommunikation über UART wird als reines Relais ausgeführt, das heißt der eingehende Token wird kontrolliert und weitergesendet. Dies wurde bereits erfolgreich angewendet. 

Läuft sowohl die Kommunikation, ersichtlich über das Ausgabefenster in THONNY, und dreht der Motor ebenso, ist die Mehrkernnutzung erfolgreich getestet. Im weiteren Verlauf wird das Drehverhalten der Motorwelle mit und ohne parallele Kommunikation beurteilt und verfeinert.
Im ersten Versuch zeigt sich, dass sich die Welle des Motors ohne Mehrkernnutzung nahezu ruckfrei dreht, allerdings in paralleler Ausführung sich ein starkes Rucken einstellt. Um dies zu reduzieren, wird die Motor-Ansteuerung auf die spezialisierte Hardware-Einheit PIO des RP2040 verlegt. Sie ermöglicht es, Ein- und Ausgabesignale sehr präzise und unabhängig von der CPU zu steuern, indem eigene kleine Programme (ASM-Code) direkt in der PIO-Hardware ausgeführt werden. Diese ist fest auf dem RP2040 integriert, es wird nur der Programmcode der Schrittmotorsteuerung angepasst. 

Daraufhin zeigt sich, dass sich mit dieser Art der Motorsteuerung ein weniger ruckeliges Verhalten während der parallel ablaufenden Kommunikation einstellt. Allerdings ist die Drehung der Motorwelle, ohne die Verwendung der Mehrkernnutzung, weniger flüssig. Dies ist hier allerdings nicht entscheidend. 

Ebenso zeigt sich, dass die Verlagerung der Kommunikation auf den Nebenkern nicht zu dem oben erwähnten besseren Motorlauf führt. Ganz im Gegenteil, eine Verlagerung der Motorsteuerung auf den Nebenkern (Core1), wobei zugleich die Kommunikation auf dem Hauptkern (Core0) ausgeführt wird, erweist sich als deutlich besser im Hinblick auf den sofortigen Kommunikationsaufbau, und die Motorbewegung ist weniger ruckelig. 
Link zum bisherigen Programmcode: [[Datei:20260108_Test_Dualcorenutzung.zip]] 

Im weiteren Verlauf wird die Positionierung der Schrittmotorwelle mittels Datenwert im Token
übermittelt und dessen korrekte Anfahrung getestet. Der Schrittmotor hat hierzu die Position 0.

Die Ausarbeitung des Programmcodes ist aufwendig und wird im Folgenden anhand der drei
Ablaufdiagramme (Abb..) vorgestellt.
[[Datei:20260210 Ablaufdiagramm Schrittmotorsteuerung ssr Teil1.png|thumb|300px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Ablaufdiagramm der Funktion schrittmotor_steuerung, (c) Peter Vogginger|Ablaufdiagramm der Funktion schrittmotor_steuerung, (c) Peter Vogginger]]

[[Datei:20260210 Ablaufdiagramm Schrittmotorsteuerung ssr Teil2.png|thumb|899px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Ablaufdiagramme der Funktionn set_target_steps und motor_run, (c) Peter Vogginger|Ablaufdiagramme der Funktionen set_target_steps und motor_run, (c) Peter Vogginger]]

=== schrittmotor_steuerung ===
Die Funktion schrittmotor_steuerung ist Teil der main.py der SSR-Platine und wird bei jedem Aufruf der lokalen Funktion on_receive_ssr ausgeführt. Somit wird sie bei jedem Eintreffen eines neuen Tokens über die UART-Schnittstelle aufgerufen (http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Wiki/index.php?title=Kommunikation_per_UART). 

Die Aufgaben dieser Funktion sind: 
:• das Auslesen der Zielposition der Motorwelle aus dem Token, 
:• das Schreiben der aktuellen Istposition des Motors in den Token, 
:• sowie der Aufruf der Funktion set_target_steps, sofern erforderlich. 

Die Schrittanzahl wird in Halbschritten angegeben und aus dem Token mithilfe eines Getters
ausgelesen. Hierbei ist zu beachten, dass es sich um einen Integerwert mit Vorzeichen handelt
und somit der Setter entsprechend set_signed_bytes() heißt (http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Wiki/index.php?title=Kommunikation_per_UART Setter und Getter für Bits und Bytes). 

Die Istposition ist die absolute Schrittanzahl vom Zustand 0 (beim Dosierventil ist das der
Zustand „geschlossen“). Die Istposition wird bei jedem Tokenempfang mithilfe eines Setters in
den Token geschrieben und somit fortlaufend aktualisiert. Der Wertebereich des Dosierventils
ist 0…550. Somit wird der Setter set_bytes() verwendet, da keine negativen Werte vorkommen
können. 

Zusätzlich überprüft die Funktion, ob der Motor im Moment dreht. Hierzu dient das Flag
motor_dreht. Dieses Flag wird in den Funktionen set_target_steps und motor_run gesetzt bzw.
zurückgesetzt. Dreht der Motor aktuell, wird kein neuer Positionierbefehl ausgelöst, um den
Bewegungsablauf nicht zu stören. Nur wenn der Motor steht und die Zielposition von der
Istposition abweicht, wird die Funktion set_target_steps erneut aufgerufen.

=== set_target_steps ===
Die Funktion set_target_steps ist Teil der Klasse MOTORSTEUERUNG in der Datei
motorsteuerung.py auf der SSR-Platine. Die Aufgaben dieser Funktion sind: 

:• der Vergleich der vorgegebenen Schrittanzahl mit der Minimal- und der Maximalposition 
:• die Festlegung der Drehrichtung des Motors, sowie 
:• das Setzen und Zurücksetzen des Status-Flags motor_dreht. 

Im ersten Schritt wird überprüft, ob die vorgegebene Schrittanzahl target_steps kleiner als die
minimal mögliche Position (0) ist. Falls dies zutrifft, wird die Schrittanzahl auf die
Minimalposition 0 gesetzt. Anschließend wird geprüft, ob die Schrittanzahl größer als die
Maximalposition des Dosierventils (550) ist. Ist dies der Fall, wird die Schrittanzahl auf die
Maximalposition gesetzt. Die Zielposition ist nun die Schrittanzahl. 

Darauffolgend wird die Zielposition mit der aktuellen Istposition verglichen, um die Drehrichtung
des Motors festzulegen. Ist die Zielposition größer als die Istposition, wird der Motor in positiver
Drehrichtung (= rechtsdrehend bzw. schließend) betreiben, ist sie kleiner, erfolgt die Bewegung
in negativer Drehrichtung (= linksdrehend bzw. öffnend 

Abschließend wird das Flag motor_dreht gesetzt. Dieses dient dazu, dass während einer
laufenden Motorbewegung die Funktion set_target_steps nicht erneut aufgerufen wird. Dadurch
wird eine Störung der Motorbewegung und des Ablaufs verhindert. Die Funktion
motor_steuerung wird weiterhin bei jedem Eintreffen eines neuen Tokens aufgerufen. 

=== motor_run ===
Die Funktion motor_run ist Teil der Klasse MOTORSTEUERUNG in der Datei motorsteuerung.py
auf der SSR-Platine. 

Die Aufgabe dieser Funktion ist die kontinuierliche Ansteuerung des Schrittmotors auf dem
zweiten Prozessorkern (Core 1). 

Die Funktion wird mit dem Aufruf _thread.start_new_thread(motor.motor_run,()) gestartet und
läuft über eine Endlosschleife während der gesamten Einschaltdauer der Platine. Diese Struktur
ist notwendig, um die Mehrkernnutzung des RP2040 zu realisieren und eine gleichzeitige
Motorbewegung sicherzustellen. 

Zu Beginn wird der Index idx der Schrittsequenz auf null gesetzt. Dieser dient als Laufvariable zur
Auswahl des aktuellen Spulenzustandes. 

Anschließend wird innerhalb einer Schleife permanent überprüft, ob das Flag motor_dreht
gesetzt ist. Dieses Flag wird in der Funktion set_target_steps aktiviert, sobald eine neue
Zielposition angefordert wurde.
Ist das Flag gesetzt, wird ein vorgegebenes Schrittmuster ausgegeben. Das Schrittmuster ist
motorabhängig und besteht bei dem verwendeten bipolaren zweiphasigen Schrittmotor aus
acht verschiedenen Spulenzuständen: STEP_SEQ = (0b0100, 0b0101, 0b0001, 0b1001, 0b1000,
0b1010, 0b0010, 0b0110). Die Gesamtheit der Einträge ist die Schrittfrequenz. Hierbei handelt
es sich um die Halbschritt-Sequenz, welche für das Dosierventil vorgesehen ist. 

Die Ausgabe des aktuellen Spulenzustands erfolgt über den Aufruf self.sm.put(self.STEP_SEQ[idx]). Jeder Eintrag der Schrittfrequenz entspricht genau einem
Halbschritt. 

Der Schrittindex wird anschließend durch den Aufruf idx = (idx + self.drehrichtung) % 8
aktualisiert. Abhängig von der Drehrichtung ergibt sich dabei folgender Zusammenhang:

:• Ist die Drehrichtung +1, lautet die Abfolge 0 → 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 7 → 0 → … 
:• ist die Drehrichtung -1, lautet die Abfolge 0 → 7 → 6 → 5 → 4 → 3 → 2 → 1 → 0 → … 

Durch den Modulo-Operator wird sichergestellt, dass der Index stets im gültigen Bereich der
Schrittfrequenz bleibt. Bei jedem Schleifendurchlauf wird die Variable idx genau einmal
verändert, somit entspricht jeder Schleifendurchlauf exakt einem Motor-Halbschritt. 

Die aktuelle Position wird anschließend mit self.aktuelle_position += self.drehrichtung
aktualisiert. 

Ob die Zielposition erreicht wurde, wird durch den Vergleich self.aktuelle_position ==
self.ziel_position überprüft. Ist dies der Fall, wird das Flag motor_dreht auf False gesetzt,
wodurch die Motorbewegung beendet wird. Die Schleife läuft weiterhin. 

Der Zugriff auf das Flag motor_dreht wird in der Funktion motor_run benötigt, da es die
Motorverstellung aus der Bewegung heraus stoppt. In der Funktion set_target_steps wird
dagegen entschieden, ob der Motor überhaupt drehen soll und das Flag wird entspechend
gesetzt.

= Armin Rohnen, 11.04.2024 =
Grundsätzlich verfügt der ARM-Prozessor der Raspberry Pi Pcio MCU RP2040 über zwei Kerne, die im Gegensatz zu anderen MCUs gleichwertig sein sollen. Die Quellenlage hierzu lässt jedoch eine eindeutige Beurteilung dieser Annahme nicht zu. Eine ggf. verbessernde Quellenlage könnte hierzu neue Ansätze liefern. Für die Verlagerung der Regelkreise auf die MCUs ist zuvor eine Festlegung zu treffen in welcher Form eine Mehrkernnutzung und/oder ein Multitasking implementiert wird.

Damit ist ein Framework für die Systemsteuerung zu definieren. Hierzu sind in der Linksammlung [119] unter Scheduling, Threading und Frameworks einige Libraries aufgelistet.

MicroPython stellt hierzu die Module uasyncio und _thread zur Verfügung. Letzteres verwendet für die Programmausführung den zweiten Prozessorkern. _thread wird allerdings als sehr experimentell bezeichnet. Allerdings lassen sich keine Negativinformation recherchieren.

Mikrocontroller Programmierung in MicroPython SoSe 2026

2026-04-20T19:18:07Z

Konstantin Rupprecht: /* Leistungsvereinbarung */

Mikrocontroller Programmierung in MicroPython SoSe 2026

2026-04-20T19:15:23Z

Konstantin Rupprecht: /* Leistungsvereinbarung */

Mikrocontroller Programmierung in MicroPython SoSe 2026

2026-04-20T19:12:51Z

Konstantin Rupprecht: /* STM32 */

Mikrocontroller Programmierung in MicroPython SoSe 2026

2026-04-18T00:48:58Z

Konstantin Rupprecht: /* Aufgabenanalyse */

Mikrocontroller Programmierung in MicroPython SoSe 2026

2026-04-18T00:47:39Z

Konstantin Rupprecht: /* Aufgabenanalyse */

Mikrocontroller Programmierung in MicroPython SoSe 2026

2026-04-18T00:42:58Z

Konstantin Rupprecht: /* Aufgabenanalyse */

Mikrocontroller Programmierung in MicroPython SoSe 2026

2026-04-18T00:37:31Z

Konstantin Rupprecht: /* Aufgabenanalyse */

Projektrücksprache 09.04.2026

2026-04-11T12:15:03Z

Konstantin Rupprecht:

=Besprechungsprotokoll-09.04.2026=
Ort: Online via Zoom 
Datum: 09.04.2026 
Teilnehmer: Konstantin Rupprecht, Loic Aboufiras, Francis Booth, Tillmann Haas, Felix Kerner, Armin
Rohnen 
Moderator: LfbA Armin Rohnen/Felix Kerner 
Protokollant: Konstantin Rupprecht

==Top 1) Annahme des Protokolls==
Das Protokoll aus der vorherigen Besprechung wurde nicht von Armin Rohnen anerkannt, da es Ihm
mehrmals in dem falschen Format von dem zuständigen Protokollanten zugesendet wurde. Es ist eine
erneute Sendung mit richtigem Format anzustreben.

==Top 2) Team-Feedback von LfbA Armin Rohnen==
LfbA Rohnen weiste das Team auf eine unzureichende Teamarbeit hin. Er machte deutlich, dass sich
die Teilnehmer mehr absprechen müssen. Es gilt die Aufgaben gemeinsam zu bewältigen.

==Top 3) Intervention von LfbA Armin Rohnen==
Aufgrund der mangelnden Teamarbeit befindet sich das Team nun im zwei-wöchentlichen Rückstand.
Da sich das Team jetzt schon im Rückstand befinde, veranlasste LfbA Rohnen diese Rücksprache als
Intervention. LfbA Rohnen verwies nochmals auf das Merkblatt. Es ist sich in Zukunft stärker an das
Merkblatt zu halten.

==Top 4) Umlegung des Besprechungstermin==
Der vorherige Besprechungstermin vom Donnerstag um 16 Uhr, wurde auf den Freitag um 17 Uhr
gelegt. Es soll den Beteiligten mehr Zeit für die Vorbereitung auf die Rücksprache geben.

==Top 5) Besprechung der Aufgabenanalyse==
LfbA Rohnen nahm den ersten Entwurf der abgegebenen Aufgabenanalyse nicht an, weswegen Herr
Rohnen die ToDo´s für die Aufgabenanalyse mit dem Team besprochen hat.

==Top 6) Hinweis zur Arbeitshaltung==
LfbA Rohnen weiste nochmals auf die Arbeitshaltung der Teilnehmer hin. Er machte deutlich, dass es
so nicht weiter gehen kann und sich die Beteiligten deutlich mehr mit dem Thema auseinander
setzten sollen. Die Teilnehmer bestätigten, dass sie ihre Arbeitshaltung ändern werden.

==Top 7) Roadmap erstellen==
LfbA Rohnen gab in Aufgabe, eine Roadmap für die nächsten drei Wochen zu erstellen. Diese soll bis
zum Freitag, den 10.04.2026 um 20 Uhr bei Herr Rohnen sein. Das Team soll sich damit
auseinandersetzten, wie es in Zukunft weitergehen soll.

==Top 8) Ziel für die nächste Rücksprache==
Es soll eine brauchbare Aufgabenanalyse vorliegen. Aus dieser Aufgabenanalyse soll dann die
Zielvereinbarung für das Projekt erstellt werden.

Projektrücksprache 09.04.2026

2026-04-11T12:12:37Z

Konstantin Rupprecht: Die Seite wurde neu angelegt: „=Besprechungsprotokoll-09.04.2026= Ort: Online via Zoom Datum: 09.04.2026 Teilnehmer: Konstantin Rupprecht, Loic Aboufiras, Francis Booth, Tillmann Haas, Felix Kerner, Armin Rohnen Moderator: LfbA Armin Rohnen/Felix Kerner Protokollant: Konstantin Rupprecht ==Top 1) Annahme des Protokolls== Das Protokoll aus der vorherigen Besprechung wurde nicht von Armin Rohnen anerkannt, da es Ihm mehrmals in dem falschen Format von dem zuständigen Pr…“

=Besprechungsprotokoll-09.04.2026=
Ort: Online via Zoom 
Datum: 09.04.2026 
Teilnehmer: Konstantin Rupprecht, Loic Aboufiras, Francis Booth, Tillmann Haas, Felix Kerner, Armin
Rohnen 
Moderator: LfbA Armin Rohnen/Felix Kerner
Protokollant: Konstantin Rupprecht

==Top 1) Annahme des Protokolls==
Das Protokoll aus der vorherigen Besprechung wurde nicht von Armin Rohnen anerkannt, da es Ihm
mehrmals in dem falschen Format von dem zuständigen Protokollanten zugesendet wurde. Es ist eine
erneute Sendung mit richtigem Format anzustreben.

==Top 2) Team-Feedback von LfbA Armin Rohnen==
LfbA Rohnen weiste das Team auf eine unzureichende Teamarbeit hin. Er machte deutlich, dass sich
die Teilnehmer mehr absprechen müssen. Es gilt die Aufgaben gemeinsam zu bewältigen.

==Top 3) Intervention von LfbA Armin Rohnen==
Aufgrund der mangelnden Teamarbeit befindet sich das Team nun im zwei-wöchentlichen Rückstand.
Da sich das Team jetzt schon im Rückstand befinde, veranlasste LfbA Rohnen diese Rücksprache als
Intervention. LfbA Rohnen verwies nochmals auf das Merkblatt. Es ist sich in Zukunft stärker an das
Merkblatt zu halten.

==Top 4) Umlegung des Besprechungstermin==
Der vorherige Besprechungstermin vom Donnerstag um 16 Uhr, wurde auf den Freitag um 17 Uhr
gelegt. Es soll den Beteiligten mehr Zeit für die Vorbereitung auf die Rücksprache geben.

==Top 5) Besprechung der Aufgabenanalyse==
LfbA Rohnen nahm den ersten Entwurf der abgegebenen Aufgabenanalyse nicht an, weswegen Herr
Rohnen die ToDo´s für die Aufgabenanalyse mit dem Team besprochen hat.

==Top 6) Hinweis zur Arbeitshaltung==
LfbA Rohnen weiste nochmals auf die Arbeitshaltung der Teilnehmer hin. Er machte deutlich, dass es
so nicht weiter gehen kann und sich die Beteiligten deutlich mehr mit dem Thema auseinander
setzten sollen. Die Teilnehmer bestätigten, dass sie ihre Arbeitshaltung ändern werden.

==Top 7) Roadmap erstellen==
LfbA Rohnen gab in Aufgabe, eine Roadmap für die nächsten drei Wochen zu erstellen. Diese soll bis
zum Freitag, den 10.04.2026 um 20 Uhr bei Herr Rohnen sein. Das Team soll sich damit
auseinandersetzten, wie es in Zukunft weitergehen soll.

==Top 8) Ziel für die nächste Rücksprache==
Es soll eine brauchbare Aufgabenanalyse vorliegen. Aus dieser Aufgabenanalyse soll dann die
Zielvereinbarung für das Projekt erstellt werden.