Android平板USB通訊控制功能的設計

最近業(yè)界的發(fā)展顯示，智能手機/便攜系統與自動(dòng)化系統或機械系統之間存在巨大的市場(chǎng)潛力。2011年春季谷歌引入的Android開(kāi)放訪(fǎng)問(wèn)架構，開(kāi)啟了基于Android操作系統的設備的巨大可能--允許智能手機和平板電腦控制外部硬件。這種開(kāi)放的附件框架為便攜設備能夠推動(dòng)商務(wù)，消費和工業(yè)環(huán)境的自動(dòng)化進(jìn)程提供了平臺，利用已經(jīng)廣泛采用并為用戶(hù)所熟悉的操作系統，連接從廚房電器到重型機械的一切設備。

目前獲取微處理器和移動(dòng)設備之間點(diǎn)對點(diǎn)通信電線(xiàn)的最流行的一種方式是使用通用串行總線(xiàn)（USB）接口。由于廣泛普及而受到工程師們的青睞（特別是在消費電子和計算機領(lǐng)域）。下面的章節就如何在基于Android的平板和具備USB控制功能的微處理器之間建立這樣的通訊介紹一個(gè)基本的方案。

USB主控的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是能為USB裝置（或從設備）供電，并提供了一個(gè)非常豐富的通信協(xié)議，支持傳輸相對大量的數據。然而，就協(xié)議處理的復雜性來(lái)說(shuō)對工程師來(lái)說(shuō)總有一定的缺陷，尤其是在裝置端。

主要的障礙是， 如果工程師想要實(shí)現他們自己的固件，不同的半導體供應商提供的微處理器的應用程序接口（API） 會(huì )有些變化。為解決這一問(wèn)題主要有兩個(gè)辦法可以采用：

1. 在設備端使用有點(diǎn)像硬件狀態(tài)機的微處理器。但是這樣做需要大量的工程資源。

2. 使用USB-串行轉換器，此方案可提供USB底層相關(guān)的協(xié)議，從而降低USB主控端和設備端的軟件實(shí)現的復雜度。這可能對工程師們更加可行，尤其是對那些在A(yíng)ndroid操作系統或Android USB應用程序接口經(jīng)驗少或者沒(méi)有經(jīng)驗的工程師。

在本文中， 提供了第二個(gè)方法使用USB串行轉換器的例子。例子中的參考代碼，是針對使用FTDI Vinculum-II （VNC2） USB主控端IC所設計，但是，它也可以用于其它控制器工作。

　　通過(guò)Android控制

Android發(fā)布了一整套API給開(kāi)發(fā)者實(shí)現自己的應用并且提供USB通訊的能力。然而，目前為止只有一小部分Android平板提供全面的USB主控接口連接。由于這一限制， 谷歌開(kāi)發(fā)了一個(gè)API用于A(yíng)ndroid通過(guò)USB設備端口與外部USB通信。這被稱(chēng)為Android開(kāi)放訪(fǎng)問(wèn)開(kāi)發(fā)套件（ADK）。盡管這里提到API, 意味著(zhù)與運行Android 的設備通信的方法，設計師仍然需要意識到一系列的關(guān)鍵問(wèn)題：

1. 外部設備必須自己供電，并需要作為Android 硬件的USB主控端。比如，Android開(kāi)放訪(fǎng)問(wèn)框架的一個(gè)潛在應用就是基于A(yíng)ndroid的便攜設備和一些健身設備之間的互動(dòng)--因此用戶(hù)可以將他們的心率，卡路里消耗等的數據傳輸到便攜設備上用于分析或與以往觀(guān)測的統計數據比較。顯然便攜設備能夠給跑步機之類(lèi)的東西供電。不同於以前的應用場(chǎng)景，當PC連接一個(gè)鼠標之類(lèi)的串行設備時(shí)，此設備也必需提供電源。

2. 目前能夠作為主控端的設備不是很多。尤其是，大多數智能手機模塊仍然缺少USB主控連接性能。將來(lái)會(huì )有更多的智能手機使用USB OTG （比如新發(fā)布的三星Galaxy Nexus），這將允許基于A(yíng)ndroid系統控制各種家用消費電子。比如，使用智能電話(huà)當做游戲控制器或控制智能家居產(chǎn)品。

　　應用實(shí)例

便攜設備時(shí)常要做的一件事情是通過(guò)Android開(kāi)放附件框架來(lái)控制各種形式的電子馬達。并用簡(jiǎn)單的方式管理方向和速度等資料。這里將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單有趣的例子進(jìn)一步理解這些原理，這個(gè)范例使用平板電腦操控玩具賽車(chē)展示Android的功能。

創(chuàng )建一個(gè)基于A(yíng)ndroid的控制系統所需要的部件如下（相應的原理框圖如圖1所示）。在這個(gè)例子中，提供了玩具賽車(chē)范例的具體細節（圖2進(jìn)一步指示）。

1. 一個(gè)能提供遙控功能應用的Android平板（這同樣能應用到控制任何其它硬件元件如馬達，泵等）。在這個(gè)例子中，采用ACER A500 Android平板電腦（運行Android3.2）。

　　2. 一個(gè)通過(guò)USB連線(xiàn)與平板連接的微處理器，用作USB設備。為簡(jiǎn)化固件在設備端使用USB轉串行驅動(dòng)器。這個(gè)例子中指定使用FTDI Vinco開(kāi)發(fā)板，具有雙通道USB 主/從設備控制器功能。

3. 通過(guò)GPIO,PWM, I2C和SPI接口控制的用戶(hù)硬件組件。本例中，是通過(guò)GPIO接口執行無(wú)線(xiàn)遙控。

　　代碼創(chuàng )建

控制玩具車(chē)的用戶(hù)接口相當的簡(jiǎn)化。在平板電腦的觸摸屏上出現兩個(gè)按鈕，一個(gè)用于將車(chē)子向前移動(dòng)，另一個(gè)用于向后移動(dòng)。通過(guò)相應旋轉平板電腦實(shí)現左右移動(dòng)車(chē)子。無(wú)限控制信號可以被拆成字節串行傳輸。比如，字節0X01用于右轉，0X08是向前。同樣，兩個(gè)值的組合0X09使車(chē)子右轉且向前。

不需要為此應用編譯一個(gè)專(zhuān)用的Android核，也不需要繞過(guò)廠(chǎng)商默認的登陸權限來(lái)登陸平板電腦。他們所需要的只是安裝Android應用程序[http://www.nexus-computing.ch/files/Racer.apk],然后通過(guò)USB 接口插入Vinco板。Android平板和Vinculum II之間的連接，是使用新發(fā)布的Android USB 主控API來(lái)維護的。Android上的JAVA軟件與使用USB 批量和控制傳輸的微處理器交互，因此是一個(gè)軟的USB 轉串行驅動(dòng)器。微控制器的固件被設為通過(guò)USB轉串行驅動(dòng)與平板電腦接口，它接收單個(gè)字節，將相應的無(wú)線(xiàn)搖控管腳拉低，最終控制玩具車(chē)。

下面幾行的Java代碼用于初始化串行通信：
UsbDeviceConnection conn = usbm.openDevice（dev）；
conn.controlTransfer（0x40, 0, 0, 0, null, 0, 0）；// reset
conn.controlTransfer（0x40, 0, 1, 0, null, 0, 0）；// clear Rx
conn.controlTransfer（0x40, 0, 2, 0, null, 0, 0）；// clear Tx
conn.controlTransfer（0x40, 0x03, 0x4138, 0, null, 0, 0）；// set baudrate 9600

這些代碼與libftdi函數非常類(lèi)似：
int ftdi_usb_reset（struct ftdi_context *ftdi）
int ftdi_usb_purge_rx_buffer（struct ftdi_context *ftdi）
int ftdi_usb_purge_tx_buffer（struct ftdi_context *ftdi）
int ftdi_set_baudrate（struct ftdi_context *ftdi, int baudrate）
一旦連接被初始化，將通過(guò)Android操作系統的USB API作類(lèi)似的進(jìn)一步的批量傳輸。

　　結論

本文討論的應用范例說(shuō)明，盡管存在一定的困難，還是能夠通過(guò)USB 接口實(shí)現基于A(yíng)ndroid的控制功能。運用Android主控API結合合適的硬件和相關(guān)固件開(kāi)發(fā)，只需要對Android操作系統和差異之處有極少的了解，就可以創(chuàng )建出設想的應用。