摘 要： AOA協議是Google公司推出的用於實現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，爲基於Android系統的智能設備應用於數據採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，並給出了USB配件模式下基於AOA協議實現Android手機控制步進電機的實例。
關鍵詞： Android；AOA；USB通信
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着很大的市場潛力。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，爲基於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作爲一種基於開源Linux的智能手機操作系統，廣泛應用於手機、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，該接口的作用是爲Android設備充電並通過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，本文介紹了一種基於AOA協議實現Android設備USB通信的方案，並通過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通信分爲主機模式（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主機併爲總線供電。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主機稱爲USB嵌入式主機EH（Embedded Host）[2]。與PC上的USB主機相比，EH設備可能無法爲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設備大部分爲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），其驅動程序已存在於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，外部設備充當主機併爲總線供電。此模式下，外部USB設備稱爲Android配件。該模式爲不具備主機功能的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，成爲Android設備的間接配件。
配件模式示意圖如圖2所示。
本文介紹的基於AOA協議的Android設備USB通信方案即採用配件模式。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。配件模式作爲一個附加庫也被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於設備的硬件，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，該開發包基於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設備並與其建立通信。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，啓動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用於枚舉連接的USB配件並與其通信，UsbAccessory代表Android配件幷包含獲取配件描述信息的方法。
在編寫程序前，需要爲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，並設置配件過濾意圖。
（2）配置accessory_filter.xml文件。accessory_filter.xml文件用於描述希望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）發現配件並過濾。
（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，並支持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，已有多家公司爲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。採用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。
採用的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]，型號爲UMFT311EV，於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）採用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，作爲Android配件無需用戶做配件端的開發，而且爲Android設備端的程序開發提供Java驅動包。因此採用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採集，並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爲例，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，採用FTDI公司爲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。該層爲用戶層提供封裝的方法，爲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。
本實驗編程採用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。