Firmware-Aktualisierung & Einstellungen

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grbl Fehlermeldungen
Ich habe einen Artikel zu den Fehlermeldungen und Alarmcodes von grbl erstellt, inklusive der häufigsten Ursachen und Lösungen.

Achtung! Seit mindestens einem Jahr werden die S9-Laser mit S30-Mainboards ausgeliefert. Man kann es erkennen, wenn die Boot-Meldungen etwas wie “DLC32” enthalten. Oder man öffnet das Gehäuse und prüft das Mainboard, wenn dort “XY-DLC32” draufsteht, ist es das S10 Mainboard. Dann den Anleitungen für den S10 folgen! Wenn dort nur das Logo und ein Datum mit “De By LYz” draufsteht, ist es das S30 Mainboard.

Endschalter: Achtung! Es ist in der Regel NICHT NÖTIG die Firmware zu flashen, wenn man Endschalter installiert!!! Das wird zwar sogar in manchen Sculpfun-Videos erwähnt, man kann aber immer erst einmal testen, ob es ohne geht. Nur S10-Modelle der ersten Generation hatten einen Firmware-Fehler, alle folgenden Modellen benötigen KEIN Update für Endschalter!

Die Firmware befindet sich im Mikrocontroller auf der Steuerplatine. Der Controller, der auf den meisten billigen Lasergravierern verwendet wird, basiert auf einer Arduino Uno-Architektur, da die ersten Boards echte Arduino Uno-Boards mit CNC-Shields verwendeten. Der Mikrocontroller ist ein ATMega328, der bereits mit einem Arduino-Bootloader ausgeliefert wird (die technischen Details sind auch im Grunde egal). Hier können nicht nur die Parameter geändert werden, sondern die gesamte Firmware kann ausgetauscht / geändert werden. Da es sich um ein offenes Projekt handelt, kann jeder seine eigenen Änderungen an der Firmware vornehmen und hochladen. Ich empfehle jedem, die neueste Version von grbl (1.1h) zu installieren. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu tun, die einfachste ist über LaserGRBL (zwei Firmware-Versionen sind hier bereits enthalten). Es funktioniert aber auch über die Kommandozeile oder Arduino IDE.

Bei den meisten neueren Modellen wurde der ATMega328 durch einen ESP32-Chip ersetzt. Dieser Chip ist deutlich schneller und bietet unter anderem WLAN- und Bluetooth-Funktionalität. Der ESP32-Chip benötigt eine andere Firmware, daher ist unten ein weiterer Abschnitt dazu erstellt. Innerhalb dieser Firmware wird aber weiterhin eine Portierung der ursprünglichen grbl-Implementierung verwendet, sodass sich in der Regel aus Sicht der Benutzung kein Unterschied ergibt.

Wenn man benutzerdefinierte Änderungen an der Firmware vornehmen muss, muss man sie mit der Arduino-IDE kompilieren. Wie das geht, wird im grbl-Wiki (https://github.com/gnea/grbl/wiki/Compiling-Grbl) erklärt. Wenn man über ein Standard-Setup verfügt, kann man die bereits kompilierten Versionen auswählen, die mit LaserGRBL geliefert werden.

SPI FLASH BOOT / Waiting for download — Nachrichten

Wenn man nach dem Verbinden mit dem Laser folgende Nachrichten erhält:

rst:0x10 (RTCWDT_RTC_RESET),boot:0x1ets Jun  8 2016 00:22:57
rst:0x10 (RTCWDT_RTC_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
flash read err, 1000
ets_main.c 371

Dann ist die Firmware beschädigt und lässt sich nicht mehr booten. Dies ist in der Regel kein Problem, da man es durch erneutes Flashen reparieren kann. Die Anleitung dazu finden steht unten. Ein paar weitere Beispiele für solche Meldungen (aus Facebook):

Mythen über Microcrontroller, Firmwareaktualisierungen

Ich lese immer wieder Aussagen über die Firmware, die meines Wissens nach falsch sind. Aus diesem Grund will ich erst einmal ein paar Dinge klarstellen:

• Das EEPROM (nichtflüchtiger Speicher des Controllers) hat begrenzte Schreibzyklen
  • Richtig. ABER: das EEPROM der ATMega-Mikrocontroller hat eine Lebensdauer von 100.000 Schreibzyklen. Wenn du also deinen Speicher täglich neu beschreibst, kannst du das 270 Jahre lang tun, bis du ihn zerstörst. Also: Faktisch sind die Schreibzyklen unbegrenzt!
• Das EEPROM speichert die Einstellungen nicht korrekt
  • Völlig falsch. Einmal geschrieben, sind die Einstellungen gespeichert und bleiben es auch. 99,99% der Benutzer, die mir sagen, dass der Controller ihre Einstellungen nicht speichert, haben nicht die Speichern- oder Save-Taste in der Steuerungssoftware gedrückt. Das Ändern von Werten und das Klicken auf OK im Dialogfenster bedeutet nicht unbedingt, dass die Einstellungen in den Speicher geschrieben werden. Daher immer darauf achten, dass auch in den Speicher zurückgeschrieben wird, was meistens aktiv ausgelöst werden muss. Sowohl LaserGRBL als auch LightBurn speichern die Werte absolut korrekt ab.
• Das Flashen der Firmware kann den Controller zerstören
  • Teilweise richtig. Natürlich kann man den Controller durch das Flashen falscher Firmwares theoretisch beschädigen. ABER solange du nur Standard-Flash-Tools verwendest und die Fuse-Einstellungen nicht veränderst (wenn du nicht weißt, was das ist, wirst du sie höchstwahrscheinlich nicht verändern), kannst du den Controller immer wieder mit einer neuen Firmware flashen. Wenn man den Bootloader des Controllers überschrieben hat, kann man nicht mehr direkt über USB flashen, aber die MKS-DLC-Boards bieten einen ISP-Anschluss, um den Controller manuell zu flashen. In meiner ganzen Karriere ist mir nur 1 Controller komplett kaputtgegangen (und ich habe Tausende geflasht).
• Man kann den Controller zurücksetzen, indem man den RESET-Knopf auf der Hauptplatine drückt.
  • Falsch. Diese Reset-Taste führt lediglich einen Neustart des Controllers durch. Es wird nichts zurückgesetzt oder auf Standardwerte gesetzt.

Firmware Update beim ESP32 (neue S9, S10 + S30 Laser)

Die neuen Laser haben nicht wie die anderen Laser einen ATmega-Mikrokontroller auf dem Mainboard, sondern einen ESP32 Chip. Das ist für die meisten Nutzer nicht relevant, aber der ESP stellt eine andere (neuere) Generation von Chip dar. Unter anderem unterstützt er WLAN, das aber aktuell noch nicht aktiviert ist. Ich gehe davon aus, dass diese Funktionalität noch nachgerüstet wird. Beim S30 kann die Bluetooth-Funktion bereits per Firmware-Update aktiviert werden! Der Chip ist deutlich leistungsfähiger als die alte Generation und kann daher auch bei höheren Geschwindigkeiten arbeiten. Da zurzeit bei fast allen Firmwares für die ESP32-Chips allerdings nur eine Portierung des alten grbl-Codes genutzt wird, halten sich die Verbesserungen aktuell noch sehr in Grenzen.

Für das Update wird ein separates Tool benötigt, dass ich bislang nur für Windows-Systeme gesehen habe. Hier ist der Download-Link. Wer einen Mac hat, muss auf eine Virtualisierung wie Parallels oder einen Windows-Rechner zurückgreifen (Edit: eventuell gibt es doch eine Mac-Version). In der folgenden Bilderserie ist der Upload erklärt. Falls Firmware-Einstellungen verändert wurden, vorher ein Backup machen! Unter Linux geht es auch per Kommandozeile:

Linux command line:
python3 esptool.py --baud 300000 --chip esp32 --port /dev/ttyUSB write_flash --flash_mode dio --flash_size detect 0x0 firmware-filename.bin

Update: Sculpfun bietet inzwischen ein eigenes Tool zum Upload an, man kann es auf der Download-Seite unter den Tools für den iCube-Laser herunterladen.

Beachten:

• Am besten erstmal NUR das USB-Kabel anschließen, das Netzteil NICHT anschließen bzw. den kleinen Schalter auf AUS lassen. Der Controller wird über das USB-Kabel mit Strom versorgt und kann eventuell nicht richtig resettet werden, wenn der externe Strom an ist. Je nach Board ist das unterschiedlich, beim S30 muss das Netzteil AN sein.
• Nach dem Flashen sind alle Einstellungen auf Werkseinstellungen zurückgesetzt. Daher auch in diesem Fall vorher ein Backup der Einstellungen machen! (Z.B. mit LaserGRBL, wie oben beschrieben, das funktioniert auch für die ESP32)
• Nach dem erfolgreichen Flashen einmal das USB-Kabel ziehen und wieder anstecken, damit der Controller neu startet (daher auch kein weiteres Stromkabel anschließen, dann startet er nicht neu).
• Jetzt sollte sich der Laser wie gewohnt wieder verbinden lassen.

Wenn man die Bluetooth-Funktionalität nutzen will, muss man noch eine Antenne am Board montieren, der Typ ist IPEX 1 WIFI/BT 4DB:

MacOS

Wenn man mit einem Mac arbeitet und die MKS/Sculpfun-Flash-Tools nicht verwenden kann/will, weil diese die Umgehung von Sicherheitsmaßnahmen erfordern, kann man die Firmware auch über Webdienste programmieren. Dies ist nicht auf Macs beschränkt, es funktioniert auch unter Windows und Linux, aber diese Benutzer haben in der Regel weniger Probleme mit den normalen Methoden.

Rufe eine Online-Flash-Seite wie https://espressif.github.io/esptool-js oder https://esp.huhn.me/ auf. Man muss einen unterstützten Browser wie Google Chrome verwenden. Klicke dann auf “Verbinden” und wähle den entsprechenden Anschluss des Geräts. Wenn Probleme auftreten, kann es helfen, als Baudrate 115200 auszuwählen. Die Startadresse muss auf 0x0 (nicht 0x1000) eingestellt werden. Mit “Choose File” kann man dann das Firmware-Image von der Festplatte auswählen. Im Anschluss auf “Flash “Program” klicken. Dies sollte wie alle anderen Flash-Tools funktionieren, nur eben in einem Browser.

Eric hat den Prozess am Mac probiert, hier ist noch einmal seine Zusammenfassung.

Sculpfun iCube Firmware Update

Beim iCube gibt es eine kleine Besonderheit, es gibt zwei Mainboard-Versionen, die unterschiedliche Firmwares benötigen. Daher darauf achten, welches Mainboard verbaut ist, damit die richtige Version gewählt wird. Das restliche Prozedere ist genau wie bei den anderen 32Bit-Boards (siehe weiter oben), mit dem MKS oder Sculpfun Upload Tool.

Die Standard-Einstellungen für den iCube finden sich auf der iCube-Seite, sie haben nicht mehr in die Tabelle unten gepasst.

Alternative mit der OpenBuilds-Software (8bit + 32bit)

Manolo aus der offiziellen Facebook-Gruppe hat eine Anleitung erstellt, wie man die Firmware mit der OpenBuilds-Software updaten kann:

FluidNC

Die FluidNC Firmware kann hier heruntergeladen werden: https://github.com/bdring/FluidNC. Für den S9 habe ich auch eine funktionierende Konfiguration erstellt (auf dem MKS-DLC32 Board): FluidNC_SculpfunS9. Die sollte auch mit dem S10-Mainboard funktionieren, habe ich aber noch nicht ausführlich getestet. Die Installation funktioniert mit einem Script, das im Installationsarchiv beiliegt. Man benötigt das MKS Tool wie bei den oben genannten Varianten nicht. Es wird wohl an einer Display-Unterstützung gearbeitet, aktuell gibt es die noch nicht. Die Steuerung erfolgt über das Webinterface (oder LaserGRBL/LightBurn etc.). Hier ist ebenfalls die Konfiguration für das S30-Mainboard, um FluidNC zu nutzen: config.yaml-Download.

Es finden sich noch weitere Details zu Möglichkeiten und Einstellungen von FluidNC hier: Austausch Mainboard und Ansteuerung Relais.

Aktualisierungsprozess 8Bit-Controller (S6 – alte S9)

Hinweis
Die nachfolgenden Beschreibungen beziehen sich auf Laser mit Arduino bzw. ATmega Mikrokontrollern. Das bedeutet die Mainboards von S6 und ältere Serien des S9. Die neuen S9, S10 und S30 Laser haben ein neues Mainboard mit einem ESP32 Chip, welches sich mit den folgenden Methoden NICHT flashen lässt.

Wichtige Schritte
1. Zuerst die Einstellungen speichern!
2. Firmware-Update durchführen
3. Einstellungen überprüfen und bei Bedarf wieder herstellen.

Speichern von Einstellungen

Das Speichern der Einstellungen ist wichtig, sobald man die Firmware flasht, da einige Werte während des Flashens auf die Werkseinstellungen zurückgesetzt werden können. Ich würde sogar empfehlen, nach dem Flashen auf die Werkseinstellungen zurückzusetzen und dann geänderte Werte durch das Backup zu ersetzen.

Einstellungen via LaserGRBL sichern

Zuerst muss man eine Verbindung zum Laser herstellen, indem man den richtigen COM-Anschluss auswählt und auf das Verbindungssymbol klickt.

Vorkompilierter Firmware-Upload über LaserGRBL

Wenn man nur auf die neueste verfügbare grbl-Firmware aktualisieren möchte, kann man die vorkompilierten Firmware-Images (.hex-Dateien) verwenden, die mit LaserGRBL geliefert werden. Dabei gibt es zwei Optionen, entweder, wenn man ein Standard-Setup ohne Endstopps hat oder alternativ, wenn man Endstopps hat und automatisches Homing verwenden möchte. Weitere Informationen finden sich auf der LaserGRBL Firmware-Flash-Seite. Ich empfehle generell die Version “v1.1h custom, XY homing” zu wählen. Auch wenn man aktuell nicht vor hat, das automatische Homing einzusetzen. Man muss es nicht aktivieren, aber kann es später kurzfristig nutzen, wenn man es doch benötigt. Für Sculpfun Laser empfehle ich meine Version zu verwenden, siehe nächster Abschnitt.

LaserGRBL

Schritt-für-Schritt-Screenshots:

Firmware für Sculpfun Laser

Da ein paar Standard-Einstellungen von grbl nicht denen der Sculpfun-Laser entsprechen, habe ich eine eigene Version der Firmware kompiliert, die weitestgehend der Firmware entspricht, die man per LaserGRBL installieren kann, jedoch alle Standard-Einstellungen für die Sculpfun-Laser optimiert ist. Kleine Änderung: in der alten Variante war das individuelle Homing von einzelnen Achsen doch nicht aktiviert. Das ist jetzt aktiviert, daher “v2”.

//Optimize Homing
#define HOMING_CYCLE_0 ((1<<X_AXIS)|(1<<Y_AXIS))  // Homes both X-Y in one cycle. 
#define N_HOMING_LOCATE_CYCLE 2 // improve repeatability
#define HOMING_FORCE_SET_ORIGIN // set the machine origin at the homed location
#define HOMING_SINGLE_AXIS_COMMANDS //Enables single axis homing commands. $HX, $HY, and $HZ for X, Y, and Z-axis homing.
//Enable second pin for relay control
#define ENABLE_M7 // Enables a second coolant control pin

//Firmware default values
  #define DEFAULT_X_STEPS_PER_MM 80.0
  #define DEFAULT_Y_STEPS_PER_MM 80.0
  #define DEFAULT_Z_STEPS_PER_MM 80.0
  #define DEFAULT_X_MAX_RATE 6000.0 // mm/min
  #define DEFAULT_Y_MAX_RATE 6000.0 // mm/min
  #define DEFAULT_Z_MAX_RATE 6000.0 // mm/min
  #define DEFAULT_X_ACCELERATION (500.0*60*60) // 10*60*60 mm/min^2 = 10 mm/sec^2
  #define DEFAULT_Y_ACCELERATION (500.0*60*60) // 10*60*60 mm/min^2 = 10 mm/sec^2
  #define DEFAULT_Z_ACCELERATION (500.0*60*60) // 10*60*60 mm/min^2 = 10 mm/sec^2
  #define DEFAULT_X_MAX_TRAVEL 410.0 // mm NOTE: Must be a positive value.
  #define DEFAULT_Y_MAX_TRAVEL 400.0 // mm NOTE: Must be a positive value.
  #define DEFAULT_Z_MAX_TRAVEL 800.0 // mm NOTE: Must be a positive value.
  #define DEFAULT_SPINDLE_RPM_MAX 1000.0 // rpm
  #define DEFAULT_SPINDLE_RPM_MIN 0.0 // rpm
  #define DEFAULT_STEP_PULSE_MICROSECONDS 10
  #define DEFAULT_STEPPING_INVERT_MASK 0
  #define DEFAULT_DIRECTION_INVERT_MASK 0
  #define DEFAULT_STEPPER_IDLE_LOCK_TIME 25 
  #define DEFAULT_STATUS_REPORT_MASK 1 // MPos enabled
  #define DEFAULT_JUNCTION_DEVIATION 0.01 // mm
  #define DEFAULT_ARC_TOLERANCE 0.002 // mm
  #define DEFAULT_REPORT_INCHES 0 // false
  #define DEFAULT_INVERT_ST_ENABLE 0 // false
  #define DEFAULT_INVERT_LIMIT_PINS 0 // false
  #define DEFAULT_SOFT_LIMIT_ENABLE 0 // false
  #define DEFAULT_HARD_LIMIT_ENABLE 0  // false
  #define DEFAULT_INVERT_PROBE_PIN 0 // false
  #define DEFAULT_LASER_MODE 1 // false
  #define DEFAULT_HOMING_ENABLE 0  // false
  #define DEFAULT_HOMING_DIR_MASK 0 // move positive dir
  #define DEFAULT_HOMING_FEED_RATE 150.0 // mm/min
  #define DEFAULT_HOMING_SEEK_RATE 1000.0 // mm/min
  #define DEFAULT_HOMING_DEBOUNCE_DELAY 250 // msec (0-65k)
  #define DEFAULT_HOMING_PULLOFF 1.0 // mm

Download: v1.1h-custom-S6S9v2.hex

Die Datei kann auf verschiedene Arten installiert werden. Die zwei folgenden würde ich als am einfachsten ansehen.

Installation via LaserGRBL

Damit LaserGRBL die Firmware in seinem Dialogfenster mit anbietet, muss sie in das Firmware-Verzeichnis innerhalb von LaserGRBL verschoben werden.

Installation mit XLoader

Es gibt ein kleines Tool, XLoader, mit dem die Hex-Dateien ohne weitere Tools hochgeladen werden können. Ich habe hier ein Archiv vorbereitet, das die richtige Firmware schon enthält: Download XLoader. Damit lässt sich die Firmware direkt hochladen. Die Firmware-Datei und der COM-Port müssen noch entsprechend ausgewählt werden.

Egal welche Methode gewählt wurde, im Anschluss sollte sich die Firmware mit der Versionsbezeichnung “grbl 1.1h_S6S9universal” melden. Jetzt sollten noch einmal alle Einstellungen auf die Werkseinstellungen zurückgesetzt werden, das erfolgt mit dem Kommando “$RST=*”. Danach können die Parameter wieder an die persönlichen Vorlieben angepasst bzw. aus dem Backup zurückgespielt werden.

Wenn man nun Parameter verkonfiguriert hat, kann man immer mit dem Kommando “$RST=*” zu den Sculpfun-Standards zurückkehren und hat wieder eine grundsätzlich laufende Maschine.

Selbst kompilierte Firmware mit Arduino IDE

Da ich es gewohnt bin, meine eigene Firmware über Arduino IDE, PlatformIO oder einfach nur die Kommandozeile zu kompilieren, verwende ich normalerweise diesen Prozess. Ich werde hier auch einige Notizen schreiben, wenn ich Zeit habe.

Nachdem die Dateien als Arduino-Library installiert sind, gibt es drei Dateien, die interessant sind: config.h, defaults.h und cpu_map.h. cpu_map.h ist nur für Informationen, welche Arduino-Pins welchen Funktionen zugeordnet sind. Natürlich kann man diese an die Bedürfnisse anpassen, das sollte aber in der Regel nicht notwendig sein. Defaults.h enthält die Standardeinstellungen, die geladen werden, wenn man den Controller auf die Firmware-Standardwerte zurücksetzt. Ich benutze dies, um meine persönlichen Standardeinstellungen zu definieren und muss mich nicht darum kümmern, sie bei jeder Änderung der Firmware zu speichern.

Die interessanteste Datei ist config.h. Hier kann man alle Einstellungen vornehmen, die man möglicherweise benötigt. Dazu gehören das Hinzufügen zusätzlicher Funktionen, das Invertieren von Logikpins oder das Anpassen von Parametern. Nachdem man die Parameter nach Belieben geändert hat, führt man einen Upload mit der Arduino-IDE durch.

LightBurn hat inzwischen auch ein Video erstellt, in der das Verfahren noch einmal gezeigt wird:

Neustart des Mikrocontrollers

Wie bereits erwähnt, kann ein Neustart durch Drücken der Reset-Taste auf der Hauptplatine (falls vorhanden) ausgelöst werden. Natürlich kann man den Controller auch neu starten, indem man ihn aus- und wieder einschaltet. ACHTUNG: Fast alle Hauptplatinen von Diodenlasern (und auch 3D-Druckern) haben eine elektrische Verbindung zwischen dem USB-Anschluss und dem Mikrocontroller. Wenn man den Hauptschalter ausschaltet und die USB-Verbindung aktiv lässt (der PC ist eingeschaltet und liefert Strom über USB), ist der Mikrocontroller NICHT AUSGESCHALTET! Er läuft weiter und wird über USB mit Strom versorgt. Er führt also keinen Neustart durch. [Man kann dies überprüfen, indem man nur das USB-Kabel anschließt und dann LightBurn oder LaserGRBL verwendet, um eine Verbindung zum Laser herzustellen. Das sollte problemlos funktionieren. Man kann auch Einstellungen ändern und speichern. Man kann den Zustand der Endschalter und der gesamten Peripherie überprüfen. Nur die Motoren und der Laser funktionieren nicht, weil sie zusätzlichen Strom benötigen]. Wenn man den Controller also wirklich neu starten wollen, muss man die Hauptstromversorgung ausschalten und auch die USB-Verbindung unterbrechen. Dann hat man einen sauberen Neustart.

Wenn man das vermeiden möchte, kann man beim USB-Kabel auch die Versorgungsspannung (VCC, die 5V Leitung, in der Regel rotes Kabel) trennt. Dann können weiter Daten übertragen werden, aber ohne Hauptstromversorgung geht auch der Mikrocontroller aus.

[Update April 2022] Es scheint eine neue Version des Mainboards zu geben, XY DLC V1.1. Hier ist das offenbar bereits geändert worden, und der Mikrocontroller wird ganz abgeschaltet, wenn der Hauptschalter gedrückt wird. Cool!

Firmware Settings (S6-S30)

Wenn man eine Einstellung ändern will, geht das über die Konsole, in dem man den Parameter, gefolgt von einem Gleichheitszeichen und dem entsprechenden Wert, eingibt und anschließend Enter drückt. Der Controller sollte mit OK antworten. Mann kann sich alle aktuellen Parameter ausgeben lassen, in dem man „$$“ eingibt und enter drückt.

LightBurn und LaserGRBL besitzen auch grafische Dialoge, um diese Einstellungen zu ändern (“Machine Settings” in LightBurn und “grbl Configuration” in LaserGRBL).

In der folgenden Tabelle sind die von mir empfohlenen Einstellungen für die S6/S9-Laser aufgeführt. In der „Standard“-Spalte sind die Werte aufgeführt, die in der grbl-Firmware standardmäßig eingestellt sind. Die „S6/S9“-Spalte zeigt die empfohlenen / erforderlichen Einstellungen für S6/S9. Die dritte Spalte listet Änderungen auf, die erforderlich sind, wenn man die Homing-Funktionalität aktiviert. Wenn in einer Spalte kein Wert angegeben ist, wird der Standardwert verwendet!