《電子技術應用》
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基于AOA協議實現Android設備的USB通信
來源:電子技術應用2013年第9期
位恒曦,段晉軍,韓曉紅,常曉明
太原理工大學 計算機科學與技術學院,山西 太原030024
摘要: AOA協議是Google公司推出的用于實現Android設備與外圍設備之間USB通信的協議。該協議拓展了Android設備USB接口的功能,為基于Android系統的智能設備應用于數據采集和設備控制領域提供了條件。介紹了Android系統下USB通信的兩種模式,并給出了USB配件模式下基于AOA協議實現Android手機控制步進電機的實例。
關鍵詞: 軟件 Android AOA USB通信
中圖分類號: TP273
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)09-0031-03
Realization of USB communication on Android-powered device based on AOA protocol
Wei Hengxi,Duan Jinjun,Han Xiaohong,Chang Xiaoming
School of Computer Science and Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China
Abstract: AOA protocol, which is launched by Google, is a protocol used for communication between Android-powered devices and peripheral equipments via USB. The protocol expands the function of USB on Android-powered devices and provides a condition for the data acquisition and equipment control system based on Android-powered devices. In this paper, two kinds of Android USB communication model are introduced firstly. And an example about how to realize Android mobile phone controlling stepping motor based on AOA protocol in USB accessory mode is presented.
Key words : Android;AOA;USB communication

    最近業界的統計數據顯示,智能手機與自動化及機械系統之間存在著很大的市場潛力。2011年Google推出Android開放配件協議AOA(Android Open Accessory Protocol)及配件開發工具包ADK(Accessory Development Kit)提供了Android設備與Android配件通過USB或藍牙進行通信的API,為基于Android系統的智能設備控制外設提供了條件。利用Android,系統可以連接從家用電器到重型機械、機器人等多種設備。

    Android作為一種基于開源Linux的智能手機操作系統,廣泛應用于手機、平板電腦等移動設備中。在各種Android設備提供的接口中,USB接口是常見接口,該接口的作用是為Android設備充電并通過PC端的驅動程序實現Android設備與PC的交互。如何拓展Android設備的USB接口功能是當前的研究熱點之一。針對該問題,本文介紹了一種基于AOA協議實現Android設備USB通信的方案,并通過Android手機控制步進電機的案例給出了方案的實現方法。
1 Android USB通信模式
    Android系統支持多種USB外圍設備。根據Android設備在USB通信中充當的角色,可以將Android USB通信分為主機模式(Host Mode)和配件模式(Accessory Mode)[1]兩種模式。
1.1 主機模式
    主機模式是指Android設備充當USB主機并為總線供電。此模式下,Android設備需支持USB主機功能或OTG功能,此時Android設備的USB主機稱為USB嵌入式主機EH(Embedded Host)[2]。與PC上的USB主機相比,EH設備可能無法為連接到其總線上的未識別外圍設備加載驅動程序,因此它們對其目標外圍設備列表TPL(Target Peripheral List)進行了定義[3]。這些外圍USB設備大部分為HID設備(Human Interface Device)、BOMS設備(Bulk Only Mass Storage,如U盤)和CDC設備(Comm-
unication Device Class,USB通信設備類,如打印機),其驅動程序已存在于Android平臺的系統中(Linux Kernel),因此Android設備可以與其直接通信。
    主機模式示意圖如圖1所示。
1.2 配件模式
    配件模式是指Android設備充當USB從機,外部設備充當主機并為總線供電。此模式下,外部USB設備稱為Android配件。該模式為不具備主機功能的Android設備提供與USB設備交互的能力。Android設備和Android配件都必須支持AOA協議。不支持AOA協議的設備可以通過Android配件開發板(ADK板)與Android設備連接,成為Android設備的間接配件。
    配件模式示意圖如圖2所示。

    本文介紹的基于AOA協議的Android設備USB通信方案即采用配件模式。主機模式和配件模式在Android 3.1(API level 12)及更高的平臺中直接支持。配件模式作為一個附加庫也被Android 2.3.4(API level 10)支持。設備廠商可以選擇是否在設備的Linux系統鏡像中包含附加庫。對主機和配件模式的支持最終取決于設備的硬件,而不是Android平臺的等級(軟件)。
1.3 Android配件、ADK及AOA協議
    Android配件是指遵循AOA協議的硬件,是Android配件模式中的概念。從硬件角度講,Android配件具有實現USB EH功能和AOA協議的微處理器以及包括USB接口在內的輸入/輸出接口。Android配件必須與Android平臺一起工作。
    ADK是開發Android配件的參考開發包,該開發包基于Arduino公司的開源電子成型平臺[4]。ADK開發包包括Android配件硬件設計文檔、Android配件固件源碼、Android設備程序源碼。
    AOA協議是Android設備與Android配件之間進行USB通信需遵循的連接協議,該協議規定了Android配件如何檢測Android設備并與其建立通信。AOA協議規定配件需具備以下4項功能[5]:
    (1)偵聽自身的USB接口,等待與其連接的Android設備。
    (2)檢測Android設備是否支持AOA協議。
    (3)如果需要,啟動Android設備的USB配件模式。
    (4)與Android設備建立USB通信。
2 USB配件模式開發
    Android配件模式開發需要在Android設備端和Android配件端分別進行開發。
2.1 Android設備端開發
    Android設備端需進行以下兩項工作:
    (1)確保設備支持AOA協議。設備對AOA協議是否支持由設備硬件和Android系統版本決定。
    (2)調用ADK中的API開發USB應用程序。
    ADK中與USB配件模式相關的兩個類是UsbManager和UsbAccessory。UsbManager用于枚舉連接的USB配件并與其通信,UsbAccessory代表Android配件并包含獲取配件描述信息的方法。
    在編寫程序前,需要為Android工程做以下設置工作[6]:
    (1)配置Android Mainfest文件,聲明使用配件模式,指定最低SDK版本,并設置配件過濾意圖。
    (2)配置accessory_filter.xml文件。accessory_filter.xml文件用于描述希望Android設備檢測的USB配件的描述信息,包含manufacturer、model、version 3個屬性。在Android配件的固件程序中,同樣包含以上3個屬性值。根據AOA協議,當Android配件連接到Android設備上時,配件會發送該屬性值到Android設備。Android程序將唯一響應與其accessory_filter.xml中指定的屬性值匹配的Android配件。
    Android設備端程序開發的流程如下:
    (1)發現配件并過濾。
    (2)獲取與配件通信的權限。通過廣播接收器(Broad-castReceiver)的方式以彈出授權對話框的形式詢問用戶是否允許與Android配件通信。
    (3)開始與配件通信。創建文件輸入輸出流代表USB批量傳輸端點,通過獨立線程以流傳輸的方式實現USB通信。
    (4)終止與配件通信。通過廣播接收器偵聽USB配件與Android設備的斷開操作,當事件發生時,關閉文件輸入/輸出流。
2.2 Android配件端開發
    Android配件端需進行以下兩項工作:
    (1)根據ADK中的硬件設計文檔設計具有USB主控制器的硬件電路,并支持USB協議。
    (2)將AOA協議以固件代碼的形式下載至Android配件的主芯片中。
    目前,已有多家公司為Android設備的配件模式開發提供專門的ADK板,ADK板將AOA協議以程序的方式燒寫至芯片中,ADK板也即Android配件。目前常見的ADK板有Arduino的Arduino Mega ADK板、SparkFun的IOIO板,此外還有DIY Drones、Microchip、RT Corp、Seeed Studio、Troido等公司生產的ADK板。采用ADK板將可節省Android配件端的開發時間。
3 系統設計
3.1 總體設計

    構建的系統框圖如圖3所示。

    采用的ADK板是由英國飛特蒂亞FTDI(Future Technology Devices International Ltd.)公司生產的Android平臺USB主控模塊(USB Android Host Module)[7],型號為UMFT311EV,于2012年7月31日推出。UMFT311EV板具有USB主控功能和USB接口橋接功能,其特性如下:
    (1)采用USB Android主控芯片FT311D,單芯片內集成USB協議。
    (2)兼容USB 2.0全速模式(最大傳輸速率12 Mb/s,即1.5 MB/s,最大輸出電流500 mA)。
    (3)6種接口類型,即GPIO(7路)、UART、PWM(4路)、I2C Master、SPI Master、SPI Slave。
    (4)6種接口只能單一工作,通過跳線帽和3個接口類型選擇引腳選擇接口類型。
    UMFT311EV板支持AOA協議,作為Android配件無需用戶做配件端的開發,而且為Android設備端的程序開發提供Java驅動包。因此采用UMFT311EV板能夠實現Android手機、平板與其他設備的通信,進行設備控制和數據采集,并能與現有系統快速集成,降低開發難度和開發時間。
    在此,以Android手機小米MI2和步進電機28BYJ48為例,通過UMFT311EV板的4路GPIO口實現Android手機USB控制步進電機。
3.2 軟件設計
    在設計Android手機端軟件時,采用FTDI公司為Android平臺提供的驅動包。根據該驅動包,架構如圖4所示的應用程序。


    FT311驅動層提供驅動UMFT311EV板上接口的方法和實現Android應用程序與UMFT311EV板USB通信的方法。該層為用戶層提供封裝的方法,為用戶開發程序屏蔽底層編程細節。用戶層通過調用FT311驅動層的方法實現對UMFT311EV板上接口的控制。
    本實驗編程采用FT311驅動層提供的配置GPIO、讀GPIO、寫GPIO、重置GPIO 4個方法實現對步進電機的控制,程序流程如圖5所示。

4 系統測試
    本設計中將Android手機作為脈沖信號源和脈沖分配器,通過軟件編程為步進電機提供脈沖信號,并通過驅動芯片ULN2003驅動步進電機。系統測試過程如下:

 


    (1)用跳線帽設置ADK板的接口類型為GPIO,將步進電機與其驅動板連接,驅動板與ADK板的GPIO口連接,并給ADK板上電。
    (2)將軟件安裝至手機上,然后通過USB線將ADK板與手機連接。
    (3)連接后,手機將彈出授權對話框,提示用戶打開(2)中安裝的軟件。
    (4)進入軟件界面后,點擊“設定輸出”按鈕,設定GPIO口的數據傳輸方向;點擊“啟動”、“停止”、“正轉”、“反轉”,拖動速度調節滑塊,可實現對電機的控制。
    本文介紹了一種基于AOA協議實現Android設備USB通信的方案。該方案利用ADK開發板UMFT311EV實現外圍設備與Android設備的USB連接,通過Android USB配件模式編程實現了Android設備對外圍設備的控制。實際測試表明,該方案設計簡單,能夠實現Android設備對外設的控制。
參考文獻
[1] Google.USB host and accessory[EB/OL].[2013-03-02].http://developer.android.com/guide/topics/connectivity/usb/index.html.
[2] USB.USB On-The-Go and embedded host[EB/OL].[2013-03-02].http://www.usb.org/developers/onthego.
[3] HARMON D.哪種USB接口適合您的應用[J].今日電子,2013(2):29-31.
[4] Google.Accessory development kit 2011 guide[EB/OL].[2013-03-02].http://developer.android.com/tools/adk/adk.html.
[5] Google.Android open accessory protocol 1.0[EB/OL].[2013-03-02].http://source.android.com/tech/accessories/aoap/aoa.html.
[6] Google.USB accessory[EB/OL].[2013-03-02].http://devel-oper.android.com/guide/topics/connectivity/usb/accessory.html.
[7] FTDI.FT311D development module(UMFT311EV)[EB/OL].(2012-07-31)[2013-03-02].http://www.ftdichip.com/Android.htm.

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