Android設備使用USB的硬件接口

最近業(yè)界的發(fā)展顯示，智能手機/便攜系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)或機械系統(tǒng)之間存在巨大的市場潛力。2011年春季谷歌引入的Android開放訪問架構，開啟了基于Android操作系統(tǒng)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。這種開放的附件框架為便攜設備能夠推動商務，消費和工業(yè)環(huán)境的自動化進程提供了平臺，利用已經廣泛采用并為用戶所熟悉的操作系統(tǒng)，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設備之間點對點通信電線的最流行的一種方式是使用通用串行總線（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域）。下面的章節(jié)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基本的方案。

USB主控的一個關鍵特點是能為USB裝置（或從設備）供電，并提供了一個非常豐富的通信協(xié)議，支持傳輸相對大量的數據。然而，就協(xié)議處理的復雜性來說對工程師來說總有一定的缺陷，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）會有些變化。為解決這一問題主要有兩個辦法可以采用：

1.在設備端使用有點像硬件狀態(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底層相關的協(xié)議，從而降低USB主控端和設備端的軟件實現的復雜度。這可能對工程師們更加可行，尤其是對那些在Android操作系統(tǒng)或AndroidUSB應用程序接口經驗少或者沒有經驗的工程師。

在本文中，提供了第二個方法使用USB串行轉換器的例子。例子中的參考代碼，是針對使用FTDIVinculum-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Android控制

Android發(fā)布了一整套API給開發(fā)者實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，谷歌開發(fā)了一個API用于Android通過USB設備端口與外部USB通信。這被稱為Android開放訪問開發(fā)套件（ADK）。盡管這里提到API,意味著與運行Android的設備通信的方法，設計師仍然需要意識到一系列的關鍵問題：

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開放訪問框架的一個潛在應用就是基于Android的便攜設備和一些健身設備之間的互動--因此用戶可以將他們的心率，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測的統(tǒng)計數據比較。顯然便攜設備能夠給跑步機之類的東西供電。不同於以前的應用場景，當PC連接一個鼠標之類的串行設備時，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。將來會有更多的智能手機使用USBOTG（比如新發(fā)布的三星GalaxyNexus），這將允許基于Android系統(tǒng)控制各種家用消費電子。比如，使用智能電話當做游戲控制器或控制智能家居產品。

應用實例

便攜設備時常要做的一件事情是通過Android開放附件框架來控制各種形式的電子馬達。并用簡單的方式管理方向和速度等資料。這里將通過一個簡單有趣的例子進一步理解這些原理，這個范例使用平板電腦操控玩具賽車展示Android的功能。

創(chuàng)建一個基于Android的控制系統(tǒng)所需要的部件如下（相應的原理框圖如圖1所示）。在這個例子中，提供了玩具賽車范例的具體細節(jié)（圖2進一步指示）。

圖1:使用Android平板基本做基本硬件的控制配置

圖2:Android平板使用USB控制玩具賽車

代碼創(chuàng)建

控制玩具車的用戶接口相當的簡化。在平板電腦的觸摸屏上出現兩個按鈕，一個用于將車子向前移動，另一個用于向后移動。通過相應旋轉平板電腦實現左右移動車子。無限控制信號可以被拆成字節(jié)串行傳輸。比如，字節(jié)“0X01”用于右轉，“0X08”是向前。同樣，兩個值的組合“0X09”使車子右轉且向前。

不需要為此應用編譯一個專用的Android核，也不需要繞過廠商默認的登陸權限來登陸平板電腦。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USB接口插入Vinco板。Android平板和VinculumII之間的連接，是使用新發(fā)布的AndroidUSB主控API來維護的。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“軟的”USB轉串行驅動器。微控制器的固件被設為通過USB轉串行驅動與平板電腦接口，它接收單個字節(jié)，將相應的無線搖控管腳拉低，最終控制玩具車。

下面幾行的Java代碼用于初始化串行通信：

UsbDeviceConnectionconn=usbm.openDevice(dev);

conn.controlTransfer(0x40，0，0，0，null，0，0);//reset

conn.controlTransfer(0x40，0，1，0，null，0，0);//clearRx

conn.controlTransfer(0x40，0，2，0，null，0，0);//clearTx

conn.controlTransfer(0x40，0x03，0x4138，0，null，0，0);//setbaudrate9600

這些代碼與libftdi函數非常類似：

intftdi_usb_reset(structftdi_context*ftdi)

intftdi_usb_purge_rx_buffer(structftdi_context*ftdi)

intftdi_usb_purge_tx_buffer(structftdi_context*ftdi)

intftdi_set_baudrate(structftdi_context*ftdi，intbaudrate)

一旦連接被初始化，將通過Android操作系統(tǒng)的USBAPI作類似的進一步的批量傳輸。

結論

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