Android平板USB通訊控制功能的設(shè)計(jì)

最近業(yè)界的發(fā)展顯示，智能手機(jī)/便攜系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)或機(jī)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(gòu)，開啟了基于Android操作系統(tǒng)的設(shè)備的巨大可能--允許智能手機(jī)和平板電腦控制外部硬件。這種開放的附件框架為便攜設(shè)備能夠推動商務(wù)，消費(fèi)和工業(yè)環(huán)境的自動化進(jìn)程提供了平臺，利用已經(jīng)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(jī)械的一切設(shè)備。

目前獲取微處理器和移動設(shè)備之間點(diǎn)對點(diǎn)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(fèi)電子和計(jì)算機(jī)領(lǐng)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(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(shè)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(shù)據(jù)。然而，就協(xié)議處理的復(fù)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(shí)現(xiàn)他們自己的固件，不同的半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的微處理器的應(yīng)用程序接口（API） 會有些變化。為解決這一問題主要有兩個(gè)辦法可以采用：

1. 在設(shè)備端使用有點(diǎn)像硬件狀態(tài)機(jī)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(zhuǎn)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(shè)備端的軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)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Android USB應(yīng)用程序接口經(jīng)驗(yàn)少或者沒有經(jīng)驗(yàn)的工程師。

在本文中， 提供了第二個(gè)方法使用USB串行轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)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(gè)API用于Android通過USB設(shè)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(yùn)行Android 的設(shè)備通信的方法，設(shè)計(jì)師仍然需要意識到一系列的關(guān)鍵問題：

1. 外部設(shè)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(gè)潛在應(yīng)用就是基于Android的便攜設(shè)備和一些健身設(shè)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(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y設(shè)備上用于分析或與以往觀測的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較。顯然便攜設(shè)備能夠給跑步機(jī)之類的東西供電。不同於以前的應(yīng)用場景，當(dāng)PC連接一個(gè)鼠標(biāo)之類的串行設(shè)備時(shí)，此設(shè)備也必需提供電源。

2. 目前能夠作為主控端的設(shè)備不是很多。尤其是，大多數(shù)智能手機(jī)模塊仍然缺少USB主控連接性能。將來會有更多的智能手機(jī)使用USB OTG （比如新發(fā)布的三星Galaxy Nexus），這將允許基于Android系統(tǒng)控制各種家用消費(fèi)電子。比如，使用智能電話當(dāng)做游戲控制器或控制智能家居產(chǎn)品。

　　應(yīng)用實(shí)例

便攜設(shè)備時(shí)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(dá)。并用簡單的方式管理方向和速度等資料。這里將通過一個(gè)簡單有趣的例子進(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展示Android的功能。

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

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

　　2. 一個(gè)通過USB連線與平板連接的微處理器，用作USB設(shè)備。為簡化固件在設(shè)備端使用USB轉(zhuǎn)串行驅(qū)動器。這個(gè)例子中指定使用FTDI Vinco開發(fā)板，具有雙通道USB 主/從設(shè)備控制器功能。

3. 通過GPIO,PWM, I2C和SPI接口控制的用戶硬件組件。本例中，是通過GPIO接口執(zhí)行無線遙控。

　　代碼創(chuàng)建

控制玩具車的用戶接口相當(dāng)?shù)暮喕Ｔ谄桨咫娔X的觸摸屏上出現(xiàn)兩個(gè)按鈕，一個(gè)用于將車子向前移動，另一個(gè)用于向后移動。通過相應(yīng)旋轉(zhuǎn)平板電腦實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)，0X08是向前。同樣，兩個(gè)值的組合0X09使車子右轉(zhuǎn)且向前。

不需要為此應(yīng)用編譯一個(gè)專用的Android核，也不需要繞過廠商默認(rèn)的登陸權(quán)限來登陸平板電腦。他們所需要的只是安裝Android應(yīng)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Vinculum II之間的連接，是使用新發(fā)布的Android USB 主控API來維護(hù)的。Android上的JAVA軟件與使用USB 批量和控制傳輸?shù)奈⑻幚砥鹘换?，因此是一個(gè)軟的USB 轉(zhuǎn)串行驅(qū)動器。微控制器的固件被設(shè)為通過USB轉(zhuǎn)串行驅(qū)動與平板電腦接口，它接收單個(gè)字節(jié)，將相應(yīng)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：
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(shù)非常類似：
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Android操作系統(tǒng)的USB API作類似的進(jìn)一步的批量傳輸。

　　結(jié)論

本文討論的應(yīng)用范例說明，盡管存在一定的困難，還是能夠通過USB 接口實(shí)現(xiàn)基于Android的控制功能。運(yùn)用Android主控API結(jié)合合適的硬件和相關(guān)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(shè)想的應(yīng)用。