Das SPI Protokoll für das Kaffeemaschinen Display

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Dieses Wochenende haben wir im Projektteam die Kommunikation vom Controller auf dem Benutzerboard zum Display genauer unter die Lupe genommen. Da wir keine genauen Informationen über die verwendeten Bauelemente hatten sind wir mit google auf die Suche nach Datenblättern von Displays ähnlicher Bauart gegangen. Die meisten Displays mit SPI Interface verstehen das gleiche Protokoll zum Setzen der Kofigurationswerte und Übertragene der Daten. Die Daten haben wir mit Hilfe des Logic Analyser ja schon das letzte mal aus der Maschine extrahiert. Nach einigen Anläufen haben wir im Datenbaltt eines Displaycontrollers (ST7565R) die Konfiguration des Display RAMs gefunden. Mit dem Wissen wie das Bild, das im Display angezeigt wird zu übertragen ist, gelang es uns den Datenstream so zu formatieren, dass wir das Bild des Displays gespiegelt auf dem Bildschirm sehen konnten. Mit ein wenig Bearbeitung der
Daten ist es gelungen das Bild, das am Display angezeigt wird zu rekonstruieren.

Der Inhalt des Datenstreams in serieller Formatierung

Datenübertragung in der Maschine

Die Maschine kommuniziert einmal mit der Steuerplatine und dann mit dem Display. Dabei ist die Verbindungsleitung zwischen den Platinen mit einem Enable
Signal verehen. Wenn dieses Signal High ist, ignoriert die Steuerplatine die Daten; wenn der Pin auf Low gelegt wird, sind die Daten am Bus für die Steuerplatine.
Vom Controller gehen, neben der Datenleitung MOSI, nicht nach Außen geführte Leitungen an das Display. Es ist also anzunehmen, dass dort auch eine Enable und/oder
Clock Leitung dabei ist. Die Daten, die über den SPI Bus bei dauerhaftem High Zustand auf Enable an der Controllerplatine gehen sind somit aller Wahrscheinlichkeit
nach an das Display gerichtet. Genauer betrachtet wurden jedes Paket 541 Bytes übertragen. Das Display hat eine Bildmatrix von 128 * 32 Pixeln, somit werden
4096 Bit zum Darstellen eines monochromen Bildes benötigt. Die übertragenen Bytes beinhalten diese Datenmenge und zusätzlich noch einige Steuerbefehle.

Das Bild steht noch auf dem Kopf und die Page-Select Befehle sind noch links sichtbar

Display RAM

Wichtig ist dabei zu beachten, dass die Pixelreihen des Display nicht wie erwartet seriell mit Daten bestückt werden, sondern der serielle Kommunikationsport nur vor den parallelen geschaltet wurde. Dadurch ergibt sich die Eigenschaft, dass die Daten ‚Zeilenweise‘ in den Speicher des Displays geladen werden. Zeilenweise
bedeutet dabei, dass der Speicher in 8 bit breite Pages eingeteilt wird. Jede Page wird zuerst ausgewählt und dann von Spalte 0 an aufgefüllt. Dadurch erscheinen die Bilddaten nicht waagerecht, sondern senktrecht und werden so zusammen gesetzt. Nachdem der Aufbau des Speichers bekannt war, konnten wir unsere Software danach ausrichten und haben den Displayinhalt ‚CAPPUCCINO‘ in den sortierten Matrxwerten erkennen können. Jede Zeile oder Page begann mit einem Page-Select Befehl, der getroßt ignoriert werden konnte. Der letzte Schritt war es, die Matrix der Bilddaten in ein PNG zu gießen um es später als Bild in einer Webseite verwenden zu können.

Die rekonstruierte Grafik des Maschinendisplays

Analyse des Protokolls zur Maschinensteuerung

Nachdem jetzt die Übertragung der Displaydaten bekannt ist, müssen noch die vorherigen 10 Bytes der Maschinensteuerung in einen Kontext gebracht werden. Mit Hilfe eines kleinen Scripts habe ich die Logic Analyser Mitschnitte in Kommando- und Bildabschnitte zerlegt. Das Bild wird generiert und die Kommandodaten werden daneben in einer Tabelle abgebildet. Jetzt müssen wir nur die passenden Befehle herausfinden. Dazu gibt es dann nächste Woche mehr.

Reverse Engineering einer Kaffeemaschine

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Meine aktuelle Projektarbeit befasst sich mit dem Innenleben eines Kaffee Vollautomaten der Firma Severin, Genauer gesagt der KV8023 S2+. Ziel dieser Arbeit ist es die Kommunikation zwischen Bedienpanel und Kaffeemaschine zu analysieren und gegebenenfalls so zu manipulieren, dass die Maschine über einen Mikrocontroller ferngesteuert werden kann. Dazu habe ich die Maschine erst einmal geöffnet und zwei Flachbaugrupppen gefunden. Eine ist Netzteil, Netzspannung-Schaltung und Controller für die eigentliche Maschine, die andere ist ein Bedienpanel mit einem eigenen ATmega1284P an board. Das Flachbandkabel, mit dem beide Platinen verbunden sind deutet darauf hin, dass die Steuerung der Maschine über ein Bussystem gelöst ist. Wo die eigentliche Intelligenz steckt ist mit eines der ersten Punkte, die es herauszufinden gibt.
Geöffneter Vollautomat Controller des Bedienpanels

Nach einer genaueren Betrachtung des Panels habe ich die Verbindungen der Bauteile in einem Plan aufgestellt. Dieser Plan zeigt alle Steckverbinder, das Displayinterface und die, an den Controller angeschlossene Hardware (Taster, Drehencoder und LED). Eine Erweiterung des Verbindungskabels mittels eines Schneidklemmsteckers erzeugt den Zugriff auf den vermeindlichen Bus. Dieses Kabel ist verbunden mit dem SPI Interface des Controllers, mit dem Display (hier fehlt noch die Belegung der Kontakte).
Ein kurzer Test mit dem Logic Analyser zeigt, dass auf dem SPI Bus tatsächlich reger Betrieb herrscht. Nach einigen Kaffees habe ich jetzt mehrere Minuten Kommunikation mitgeschnitten und werde im nächsten Schritt versuchen die Telegramme auszuwerten und zuzuordnen.
Mitschnitt zweier Telegramme der Buskommunikation
Die Übertragung startet zyklisch alle 0,126 Sekunden, es werden 10 Byte über den Bus mit Enable Low (An) übermittelt. Auf diese Bytes gibt es eine Antwort auf der MISO Leitung. Darauf folgen 540 Bytes ohne Antwort, bei denen der Enable des Flachbandkabels konstant auf High (Aus) liegt. Es liegt nahe, dass es sich hierbei um Daten für das Display handelt, denn auch dorthin ist MOSI des Controllers verbunden. Mit einem Arduino und einem kleinen Sketch kann ich also nächste Woche die 10 Byte Telegramme abfangen und zur Auswertung aussortieren. Dadurch reduziert sich die Menge der Telegramme auf ein Minimum und die Entschlüsselung ebendieser wird hoffentlich leichter fallen.
Um eine Fernsteuerung durchzuführen, muss die Kommunikationsverbindung unterbrochen werden, da sonst das Bedienpanel in die automatisierten Telegramme zusätzliche Telegramme schicken würde. Gleichzeitig muss dem Bedienpanel die Antwort der Maschine vorgespielt werden, da sonst ein Fehler angezeigt wird. Wie sich die Anzeige des Displays manipulieren lässt habe ich mir noch nicht überlegt, da der Enable Eingang des Displays nicht nach Außen geführt wird.

Projektarbeit ASURO

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Der ASURO war zentraler Bestandteil der letzten Projektarbeit. Das Ergebnis ist eine Betrachtung der Hardware und eine Umsetzung in Software.

Zusammenfassung
In dieser Studienarbeit wurde die Firmware des ASURO Roboters erweitert. Ziel war es, die Sensorwerte der sechs Sensoren zyklisch abzufragen, um die Werte für den Programmierer direkt zur Verfügung zu stellen. Der Controller des ASUROs besitzt einen AD-Wandler mit sechs Messkanälen, deren Aktivierung in der Software koordiniert und deren Messwerte in die realen Werte umgerechnet werden.

Bei den Sensoren handelt es sich um Reflexionslichtschranken, optoelektronische Sensoren, Taster und Batteriespannung. Von den Reflexionslichtschranken kann auf die Umdrehungen der Räder geschlossen werden; von den optoelektronischen Sensoren kann auf die Helligkeit des Untergrunds geschlossen werden. Die Taster dienen zur Kollisionsabfrage an der Roboterstirnseite und die Batteriespannung dient zur Überwachung der Stromversorgung.

Die Abfrage der Sensoren wurde durch zyklische Auswahl der Messkanäle innerhalb der AD-Wandler Interrupt Service Routine realisiert. Die Werte werden in einem öffentlichen struct dem Rest der Roboter Software zur Verfügung gestellt.

Zusätzlich beschreibt diese Arbeit noch die Verwendung der Softwaresimulation in Atmel Studio und eine Methode für Unittests mit AVR Mikrocontrollern.

Sicherheit im Internet der Dinge (Fonera mit SSL)

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Sollte es einmal so weit sein, dass sogar der Kühlschrank mit der Heizung und der Waschmaschine spricht um ein möglichst Strom effizientes Miteinander zu gewährleisten, wird das aller Wahrscheinlichkeit nach über Funk passieren. Doch eine Kommunikation über Funk ist alles andere als sicher und so muss der Sicherheitsaspekt von Beginn an in die Entwicklung internetfähiger Haushaltsartikel mit einfließen. Ich experimentiere zur Zeit mit einem kleinen Linuxboard, das unter anderem eine WLAN-Schnittstelle hat.

Sollte dieses Board einmal zum steuern eines Haushaltsgegenstandes verwendet werden, bleibt zu überlegen, wie die Kommunikation von der Kontrollstelle zum Board gesichert werden kann. Eine Möglichkeit wäre das erstellen eines abgeschlossenen WiFi Netzwerks das nur zur Steuerung der Geräte dient und nicht mit dem Internet verbunden ist. Das führt allerdings nicht dazu, dass das Gerät im Internet erreichbar ist, was unserem Ziel nicht gerecht wird. Eine zweite Möglichkeit ist eine normale HTTP Verbindung mit HTTP Auth zu implementieren. Somit ist schon mal eine einfache Sicherheitsebene dazugekommen und das Gerät steht nicht mehr jedem Internetteilnehmer zur Verfügung. Die nächste Schicht wäre eine Verschlüsselte Kommunikation über HTTPS. Dadurch wird das Passwort nicht mehr sichtbar übertragen und einem eventuellen Mithörer bleibt der Anmeldeprozess verborgen. Ein Passwort ist allerdings selten sicher, wenn man dem Benutzer keine vorgegebenen Grenzen setzt. Deshalb bietet sich die Kombination aus Passwort und Zertifikatslogin an. Dabei besitzt der Client ein Public / Private Schlüsselpaar und ein Passwort mit dem das Zertifikat im Client geöffnet werden kann.

Um eine SSL Verbindung über HTTPS zur Fonera zu ermöglichen, benötigt man einen anderen Webserver als den Busybox httpd. Ich habe mich für den mini-httpd entschieden, der bringt auch die Erweiterung für SLL nämlich matrixssl mit. Im OpenWrt Wiki findet sich eine gute Anleitung, wie man mini-httpd mit SSL durchführt. Anders als in der Anleitung angegeben muss allerdings das Paket mini-httpd-matrixssl anstelle von mini-httpd-openssl installiert werden. Ansonsten kann der Anleitung gefolgt werden. Jetzt steht auf der Fonera nur noch  HTTPS mit einem eigenen Zertifikat zur Verfügung. Der nächste Schritt ist nun ein Frontend zu Anmeldung auf der Fonera zu programmieren.