Android设备的USB通讯

来源:互联网 发布:windows未能启动成功 编辑:程序博客网 时间:2024/03/29 22:08

摘 要: AOA协议是Google公司推出的用于实现Android设备与外围设备之间USB通信的协议。该协议拓展了Android设备USB接口的功能,为基于Android系统的智能设备应用于数据采集和设备控制领域提供了条件。介绍了Android系统下USB通信的两种模式,并给出了USB配件模式下基于AOA协议实现Android手机控制步进电机的实例。
关键词: Android;AOA;USB通信

最近业界的统计数据显示,智能手机与自动化及机械系统之间存在着很大的市场潜力。2011年Google推出Android开放配件协议AOA(Android Open Accessory Protocol)及配件开发工具包ADK(Accessory Development Kit)提供了Android设备与Android配件通过USB或蓝牙进行通信的API,为基于Android系统的智能设备控制外设提供了条件。利用Android,系统可以连接从家用电器到重型机械、机器人等多种设备。Android作为一种基于开源Linux的智能手机操作系统,广泛应用于手机、平板电脑等移动设备中。在各种Android设备提供的接口中,USB接口是常见接口,该接口的作用是为Android设备充电并通过PC端的驱动程序实现Android设备与PC的交互。如何拓展Android设备的USB接口功能是当前的研究热点之一。针对该问题,本文介绍了一种基于AOA协议实现Android设备USB通信的方案,并通过Android手机控制步进电机的案例给出了方案的实现方法。

1 Android USB通信模式
Android系统支持多种USB外围设备。根据Android设备在USB通信中充当的角色,可以将Android USB通信分为主机模式(Host Mode)和配件模式(Accessory Mode)[1]两种模式。
1.1 主机模式
主机模式是指Android设备充当USB主机并为总线供电。此模式下,Android设备需支持USB主机功能或OTG功能,此时Android设备的USB主机称为USB嵌入式主机EH(Embedded Host)[2]。与PC上的USB主机相比,EH设备可能无法为连接到其总线上的未识别外围设备加载驱动程序,因此它们对其目标外围设备列表TPL(Target Peripheral List)进行了定义[3]。这些外围USB设备大部分为HID设备(Human Interface Device)、BOMS设备(Bulk Only Mass Storage,如U盘)和CDC设备(Comm-
unication Device Class,USB通信设备类,如打印机),其驱动程序已存在于Android平台的系统中(Linux Kernel),因此Android设备可以与其直接通信。
主机模式示意图如图1所示。
1.2 配件模式
配件模式是指Android设备充当USB从机,外部设备充当主机并为总线供电。此模式下,外部USB设备称为Android配件。该模式为不具备主机功能的Android设备提供与USB设备交互的能力。Android设备和Android配件都必须支持AOA协议。不支持AOA协议的设备可以通过Android配件开发板(ADK板)与Android设备连接,成为Android设备的间接配件。
配件模式示意图如图2所示。

本文介绍的基于AOA协议的Android设备USB通信方案即采用配件模式。主机模式和配件模式在Android 3.1(API level 12)及更高的平台中直接支持。配件模式作为一个附加库也被Android 2.3.4(API level 10)支持。设备厂商可以选择是否在设备的Linux系统镜像中包含附加库。对主机和配件模式的支持最终取决于设备的硬件,而不是Android平台的等级(软件)。

1.3 Android配件、ADK及AOA协议
Android配件是指遵循AOA协议的硬件,是Android配件模式中的概念。从硬件角度讲,Android配件具有实现USB EH功能和AOA协议的微处理器以及包括USB接口在内的输入/输出接口。Android配件必须与Android平台一起工作。
ADK是开发Android配件的参考开发包,该开发包基于Arduino公司的开源电子成型平台[4]。ADK开发包包括Android配件硬件设计文档、Android配件固件源码、Android设备程序源码。
AOA协议是Android设备与Android配件之间进行USB通信需遵循的连接协议,该协议规定了Android配件如何检测Android设备并与其建立通信。AOA协议规定配件需具备以下4项功能[5]:
(1)侦听自身的USB接口,等待与其连接的Android设备。
(2)检测Android设备是否支持AOA协议。
(3)如果需要,启动Android设备的USB配件模式。
(4)与Android设备建立USB通信。
2 USB配件模式开发
Android配件模式开发需要在Android设备端和Android配件端分别进行开发。
2.1 Android设备端开发
Android设备端需进行以下两项工作:
(1)确保设备支持AOA协议。设备对AOA协议是否支持由设备硬件和Android系统版本决定。
(2)调用ADK中的API开发USB应用程序。
ADK中与USB配件模式相关的两个类是UsbManager和UsbAccessory。UsbManager用于枚举连接的USB配件并与其通信,UsbAccessory代表Android配件并包含获取配件描述信息的方法。
在编写程序前,需要为Android工程做以下设置工作[6]:
(1)配置Android Mainfest文件,声明使用配件模式,指定最低SDK版本,并设置配件过滤意图。
(2)配置accessory_filter.xml文件。accessory_filter.xml文件用于描述希望Android设备检测的USB配件的描述信息,包含manufacturer、model、version 3个属性。在Android配件的固件程序中,同样包含以上3个属性值。根据AOA协议,当Android配件连接到Android设备上时,配件会发送该属性值到Android设备。Android程序将唯一响应与其accessory_filter.xml中指定的属性值匹配的Android配件。
Android设备端程序开发的流程如下:
(1)发现配件并过滤。
(2)获取与配件通信的权限。通过广播接收器(Broad-castReceiver)的方式以弹出授权对话框的形式询问用户是否允许与Android配件通信。
(3)开始与配件通信。创建文件输入输出流代表USB批量传输端点,通过独立线程以流传输的方式实现USB通信。
(4)终止与配件通信。通过广播接收器侦听USB配件与Android设备的断开操作,当事件发生时,关闭文件输入/输出流。
2.2 Android配件端开发
Android配件端需进行以下两项工作:
(1)根据ADK中的硬件设计文档设计具有USB主控制器的硬件电路,并支持USB协议。
(2)将AOA协议以固件代码的形式下载至Android配件的主芯片中。
目前,已有多家公司为Android设备的配件模式开发提供专门的ADK板,ADK板将AOA协议以程序的方式烧写至芯片中,ADK板也即Android配件。目前常见的ADK板有Arduino的Arduino Mega ADK板、SparkFun的IOIO板,此外还有DIY Drones、Microchip、RT Corp、Seeed Studio、Troido等公司生产的ADK板。采用ADK板将可节省Android配件端的开发时间。
3 系统设计
3.1 总体设计
构建的系统框图如图3所示。

采用的ADK板是由英国飞特蒂亚FTDI(Future Technology Devices International Ltd.)公司生产的Android平台USB主控模块(USB Android Host Module)[7],型号为UMFT311EV,于2012年7月31日推出。UMFT311EV板具有USB主控功能和USB接口桥接功能,其特性如下:(1)采用USB Android主控芯片FT311D,单芯片内集成USB协议。(2)兼容USB 2.0全速模式(最大传输速率12 Mb/s,即1.5 MB/s,最大输出电流500 mA)。(3)6种接口类型,即GPIO(7路)、UART、PWM(4路)、I2C Master、SPI Master、SPI Slave。(4)6种接口只能单一工作,通过跳线帽和3个接口类型选择引脚选择接口类型。UMFT311EV板支持AOA协议,作为Android配件无需用户做配件端的开发,而且为Android设备端的程序开发提供Java驱动包。因此采用UMFT311EV板能够实现Android手机、平板与其他设备的通信,进行设备控制和数据采集,并能与现有系统快速集成,降低开发难度和开发时间。在此,以Android手机小米MI2和步进电机28BYJ48为例,通过UMFT311EV板的4路GPIO口实现Android手机USB控制步进电机。

3.2 软件设计
在设计Android手机端软件时,采用FTDI公司为Android平台提供的驱动包。根据该驱动包,架构如图4所示的应用程序。

FT311驱动层提供驱动UMFT311EV板上接口的方法和实现Android应用程序与UMFT311EV板USB通信的方法。该层为用户层提供封装的方法,为用户开发程序屏蔽底层编程细节。用户层通过调用FT311驱动层的方法实现对UMFT311EV板上接口的控制。本实验编程采用FT311驱动层提供的配置GPIO、读GPIO、写GPIO、重置GPIO 4个方法实现对步进电机的控制,程序流程如图5所示。
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