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．