Android Things：外設I/O接口-UART

一、接口簡介
UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）是用來和外圍設備交互數據的通用接口，如GPS模塊，LCD顯示器，XBee收音機等複雜的外圍設備，通常使用UART端口（通常簡稱爲串行端口）來通信。
它是通用的：因爲數據傳輸速率和數據字節格式是可配置的。
它是異步的：因爲沒有時鐘信號來同步兩個設備之間的數據傳輸，設備的硬件在一個先進先出的緩衝中收集所有的輸入數據，直到你的app讀取它。
它是全雙工：意味着可以同時發送和接口數據。
它比I2C更快：但是缺少共享時鐘，意味着所有的設備必須同意一個相同的數據傳輸速率，每個設備可以堅持獨立最小定時誤差。
它僅支持點對點通信：不像API和I2C，它僅支持兩個設備之間的點對點通信。

UART外圍設備通常有兩種類型：
3線端口包含數據接收（RX），數據發送（TX），和接地引用（GUD）信號；
5線端口添加了請求發送（RTS）和清除發送（CTS）信號，用於硬件流量控制。流量控制允許接收設備標識它的緩衝已滿，發送設備應該在發送更多數據之前等待。
二、使用步驟
1.打開連接：創建PeripheralManagerService對象，使用你想打開端口的名稱，調用open()方法打開連接。

@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    try {
        PeripheralManagerService manager = new PeripheralManagerService();
        mDevice = manager.openUartDevice(UART_DEVICE_NAME);
    } catch (IOException e) {
        Log.w(TAG, "Unable to access UART device", e);
    }
}

2.配置參數：調用setBaudrate()、setDataSize、setParity()和setStopBits等方法設置波特率、數據大小、錯誤校驗和結束位等。
每個通過UART發送的字符都被包裝在數據幀中，它包含以下組件：

起始位：在發送數據之前，這行保持固定1位持續時間間隔的時間，來指示新的字符的開始。
數據位：標識數據字符的單個的位。UART可能配置發送5-9數據位來代表字符。更少的比特減少數據的範圍，但是可以提高數據傳輸效率。
校驗位：可選的錯誤檢查值。如果UART被配置爲奇偶校驗，一個額外的幀將會添加到這個位，預示着數據內容是否匹配奇偶校驗。設置爲none則從幀移除這位。
結束位：在所有數據傳輸後，該行被重置爲可配置的時間間隔，指示字符的結尾。它能配置爲1或者2位閒置時間。
通過UART傳輸數據的速率被稱爲波特率，它代表了接受和發送的速度，比特每秒。
通過UART連接的連個設備沒有共享時鐘，都需要使用相同的波特率提前配置來保證數據的正確解碼。

public void configureUartFrame(UartDevice uart) throws IOException {
    uart.setBaudrate(115200);
    uart.setDataSize(8);
    uart.setParity(UartDevice.PARITY_NONE);
    uart.setStopBits(1);
}

如果你的設備支持5線UART端口，啓動硬件流控制可以提交數據傳輸的可靠性。通常這也意味着你可以安全地使用更快的波特率，而丟失傳入數據的機率要低得多。
硬件流控制啓動之後，當設備的接收緩衝區已滿不能接受任何數據的時候，UART發出發送請求（RTS）信號。一旦緩衝區被耗盡這個信號將被清除。相似的，UART監視清除發送（CTS）信號，如果它發現外部設備這行生效，將會增加數據傳輸。

public void setFlowControlEnabled(UartDevice uart, boolean enable) throws IOException {
    if (enable) {
        // Enable hardware flow control
        uart.setHardwareFlowControl(UartDevice.HW_FLOW_CONTROL_AUTO_RTSCTS);
    } else {
        // Disable flow control
        uart.setHardwareFlowControl(UartDevice.HW_FLOW_CONTROL_NONE);
    }
}

3.發送數據：使用UART向外設發送緩衝數據，使用write()方法。

public void writeUartData(UartDevice uart) throws IOException {
    byte[] buffer = {...};
    int count = uart.write(buffer, buffer.length);
    Log.d(TAG, "Wrote " + count + " bytes to peripheral");
}

4.監聽輸入數據：使用read()方法從UART FIFO緩衝中向你的應用讀取數據。這個方法接受一個空緩衝來填充輸入數據，要讀取的最大字節數。
UART讀取是非阻塞的，如果在FIFO中沒有有效數據它將會立即返回。UartDevice將會返回在讀取時候FIFO有效字節的數目，達到要求的數量。爲了確保所有的數據都被讀取，UART循環讀取直到它報告沒有數據存在了。
當緩衝爲空的時候，爲了避免不必要的輪詢，使用UartDevice註冊一個UartDeviceCallback。當還有數據可讀的時候，這個回調調用onUartDeviceDataAvailable()方法。當你的應用程序不再監聽輸入數據的時候，你應該註銷這個回調。
onUartDeviceDataAvailable()回調返回一個布爾值，指示回調是否自動註銷獲取將來的中斷事件。這裏返回true在UART FIFO每次數據出現時繼續獲取事件。

@Override
protected void onStart() {
    super.onStart();
    // Begin listening for interrupt events
    mDevice.registerUartDeviceCallback(mUartCallback);
}
public void readUartBuffer(UartDevice uart) throws IOException {
    // Maximum amount of data to read at one time
    final int maxCount = ...;
    byte[] buffer = new byte[maxCount];

    int count;
    while ((count = uart.read(buffer, buffer.length)) > 0) {
        Log.d(TAG, "Read " + count + " bytes from peripheral");
    }
}
@Override
protected void onStop() {
    super.onStop();
    // Interrupt events no longer necessary
    mDevice.unregisterUartDeviceCallback(mUartCallback);
}
private UartDeviceCallback mUartCallback = new UartDeviceCallback() {
    @Override
    public boolean onUartDeviceDataAvailable(UartDevice uart) {
        // Read available data from the UART device
        try {
            readUartBuffer(uart);
        } catch (IOException e) {
            Log.w(TAG, "Unable to access UART device", e);
        }
        // Continue listening for more interrupts
        return true;
    }
    @Override
    public void onUartDeviceError(UartDevice uart, int error) {
        Log.w(TAG, uart + ": Error event " + error);
    }
};

5.關閉連接：當你完成和外部設備的通信，調用close()方法關閉連接並釋放資源。此外在現有端口關閉之前，你不能打開相同端口的新連接。

@Override
protected void onDestroy() {
    super.onDestroy();
    if (mDevice != null) {
        try {
            mDevice.close();
            mDevice = null;
        } catch (IOException e) {
            Log.w(TAG, "Unable to close UART device", e);
        }
    }
}

三、案例演示
這裏我們和大家演示一下，電腦和樹莓派如何通過FTDI TTL-232R連接線進行信息傳遞，該線使用的是UART接口。
1.硬件準備
樹莓派3開發板 1塊
FTDI芯片 TTL-232R-3V3 USB轉TTL線 1根
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2.電路搭建

注意：在連接線的時候是連接線的TX連接線插入樹莓派的RX引腳，同理RX插入TX。
2.代碼編寫
UARTDemo\app\src\main\java\com\chengxiang\uartdemo\MainActivity.java

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    private static final String TAG = "LoopbackActivity";
    private static final String UART_DEVICE_NAME = "UART0";
    private static final int BAUD_RATE = 115200;
    private static final int DATA_BITS = 8;
    private static final int STOP_BITS = 1;
    private static final int CHUNK_SIZE = 512;

    private UartDevice mUartDevice;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        PeripheralManagerService peripheralManagerService = new PeripheralManagerService();
        try {
            //通過UART接口名稱UART0，打開接口
            mUartDevice = peripheralManagerService.openUartDevice(UART_DEVICE_NAME);
            //設置波特率、數據大小、校驗等參數
            mUartDevice.setBaudrate(BAUD_RATE);
            mUartDevice.setDataSize(DATA_BITS);
            mUartDevice.setParity(UartDevice.PARITY_NONE);
            mUartDevice.setStopBits(STOP_BITS);
            //註冊數據監聽，在有數據可讀的時候回調
            mUartDevice.registerUartDeviceCallback(mUartDeviceCallback);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private UartDeviceCallback mUartDeviceCallback = new UartDeviceCallback() {
        @Override
        public boolean onUartDeviceDataAvailable(UartDevice uart) {
            try {
                //讀取PC終端發來的數據 ，並原封返回給PC
                byte[] buffer = new byte[CHUNK_SIZE];
                int read;
                while ((read = mUartDevice.read(buffer, buffer.length)) > 0) {
                    Log.w(TAG, "read from PC:"+ new String(buffer));
                    mUartDevice.write(buffer, read);
                }
            } catch (IOException e) {
                Log.w(TAG, "Unable to transfer data over UART", e);
            }
            return true;
        }

        @Override
        public void onUartDeviceError(UartDevice uart, int error) {
            Log.w(TAG, uart + ": Error event " + error);
        }
    };

    @Override
    protected void onDestroy() {
        super.onDestroy();
        //在不需要的時候，關閉連接
        if (mUartDevice != null) {
            try {
                mUartDevice.close();
                mUartDevice = null;
            } catch (IOException e) {
                Log.w(TAG, "Unable to close UART device", e);
            }
        }
    }
}

代碼庫：https://github.com/ThingsDeveloper/uartdemo

3.運行結果

我們是以windows系統演示，故使用了Termite終端，設置串口（相關驅動推薦使用驅動人生自動安裝）連接參數（與代碼中一致，相關操作這裏就不詳細介紹）。