《电子技术应用》
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基于AOA协议实现Android设备的USB通信
来源:电子技术应用2013年第9期
位恒曦,段晋军,韩晓红,常晓明
太原理工大学 计算机科学与技术学院,山西 太原030024
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: 软件 Android AOA USB通信
中图分类号: TP273
文献标识码: A
文章编号: 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。

4 系统测试
    本设计中将Android手机作为脉冲信号源和脉冲分配器,通过软件编程为步进电机提供脉冲信号,并通过驱动芯片ULN2003驱动步进电机。系统测试过程如下:

 


    (1)用跳线帽设置ADK板的接口类型为GPIO,将步进电机与其驱动板连接,驱动板与ADK板的GPIO口连接,并给ADK板上电。
    (2)将软件安装至手机上,然后通过USB线将ADK板与手机连接。
    (3)连接后,手机将弹出授权对话框,提示用户打开(2)中安装的软件。
    (4)进入软件界面后,点击“设定输出”按钮,设定GPIO口的数据传输方向;点击“启动”、“停止”、“正转”、“反转”,拖动速度调节滑块,可实现对电机的控制。
    本文介绍了一种基于AOA协议实现Android设备USB通信的方案。该方案利用ADK开发板UMFT311EV实现外围设备与Android设备的USB连接,通过Android USB配件模式编程实现了Android设备对外围设备的控制。实际测试表明,该方案设计简单,能够实现Android设备对外设的控制。
参考文献
[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.哪种USB接口适合您的应用[J].今日电子,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.