基于AOA协议实现Android设备的USB通信

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： Android；AOA；USB通信

    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：