利用Android智能手機(jī)及USB接口與1-Wire從設(shè)備通信

引言

本文介紹如何利用安卓Android？智能手機(jī)上的USB口與從設(shè)備通信，而無(wú)需計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。文中給出的例子使用Android手機(jī)上的USB端口通過1-Wire？總線與Thermochron？ iButton？溫度記錄器通信。

系統(tǒng)布局

這種應(yīng)用的關(guān)鍵是智能手機(jī)上的USB接口。當(dāng)智能手機(jī)使用USB OTG收發(fā)器時(shí)，那么就可利用其作USB主設(shè)備來(lái)管理其他USB從設(shè)備，例如麥克風(fēng)、閃存、鍵盤，或者本例中的Thermochron。最新版本的Android應(yīng)用程序接口（API）支持USB在應(yīng)用層為主的模式。該功能使用戶能夠安裝與USB外設(shè)“對(duì)話”的應(yīng)用程序，無(wú)需刷機(jī)（Root）或在用戶的智能手機(jī)上安裝特殊驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)方框圖如圖1所示。Android智能手機(jī)必須使用USB OTG收發(fā)器。一般情況下，電話連接至計(jì)算機(jī)是作為USB從設(shè)備，但USB OTG收發(fā)器允許將其轉(zhuǎn)換為USB主設(shè)備。這種角色轉(zhuǎn)換要求特殊的OTG電纜提供A型USB端口，并指示USB從機(jī)已連接至智能手機(jī)。

該應(yīng)用為主/從系統(tǒng)，Android智能手機(jī)作為主機(jī)，Thermochron數(shù)據(jù)記錄器作為從機(jī)。系統(tǒng)采用一個(gè)USB和一個(gè)1-Wire/iButton適配器把智能手機(jī)和數(shù)據(jù)記錄器橋接起來(lái)。利用網(wǎng)線中的一根數(shù)據(jù)線和接頭作為1-Wire總線。數(shù)據(jù)記錄器為iButton Termochron。

1-Wire總線的重要角色

1-Wire總線是單主和多從系統(tǒng)之間的接口。1-Wire為開漏輸出，采用類似于I2C的上拉電阻工作。有些1-Wire從機(jī)可利用1-Wire總線進(jìn)行寄生供電，在總線不通信時(shí)對(duì)從器件中的內(nèi)部電容充電。每個(gè)1-Wire從機(jī)也具有工廠激光刻制的唯一64位編號(hào)，所以很容易識(shí)別和監(jiān)測(cè)總線上的從機(jī)。

1-Wire傳輸時(shí)序（圖2）包括一個(gè)給從機(jī)的復(fù)位脈沖（trst）。復(fù)位脈沖通將1-Wire總線拉低預(yù)定的時(shí)間周期，將全部從機(jī)置位成已知的確定狀態(tài)。接著，從機(jī)在主機(jī)釋放總線后，利用將總線拉低的在位檢測(cè)脈沖（tpd）對(duì)主機(jī)進(jìn)行應(yīng)答。

復(fù)位后，從器件根據(jù)唯一的自身編號(hào)，可接收發(fā)送至從機(jī)的各種ROM命令。命令Match ROM將只激活編號(hào)正確匹配的某個(gè)從器件。Search ROM命令用于檢測(cè)總線上所有從機(jī)的編號(hào)。因此，盡管這里我們只介紹一個(gè)從機(jī)，但可應(yīng)用于具有多個(gè)兼容的1-Wire從器件。

在我們這個(gè)Android例子中，某個(gè)ROM命令只要選定，主機(jī)即可向每個(gè)具體的從設(shè)發(fā)送該命令。將諸如Thermochron這樣的溫度記錄器作為從設(shè)備，主機(jī)的命令可能包括讀/寫其暫存器、存儲(chǔ)器、或轉(zhuǎn)換溫度。

1-Wire接口沒有時(shí)鐘線，所以通信分為時(shí)隙（tslot），每個(gè)時(shí)隙承載一個(gè)信息位。在時(shí)隙開始，主機(jī)將總線短暫拉低，預(yù)示數(shù)據(jù)位將開始。當(dāng)傳輸?shù)氖且粋€(gè)0時(shí)，主機(jī)或從機(jī)會(huì)使總線繼續(xù)保持為低電平；傳輸是一個(gè)1時(shí)，主機(jī)或從機(jī)將釋放總線。主機(jī)或從機(jī)將在主機(jī)指示時(shí)隙開始后的規(guī)定時(shí)間（tsample）讀取總線。

USB與1-Wire適配器通信

DS9490R為1-Wire至USB適配器，有四個(gè)USB端點(diǎn)：控制、中斷、批輸入（epIN）和批輸出（epOUT）。通常，控制端用于向1-Wire適配器發(fā)送命令，以及配置傳輸類型；批輸入/輸出用于數(shù)據(jù)傳輸；中斷端口接收實(shí)時(shí)敏感的信息，如狀態(tài)寄存器的信息和返回的消息。

用Android作為USB主設(shè)

此處介紹的設(shè)計(jì)已有先例。Android API從3.1版開始支持USB主模式，Manuel Di Cerbo1曾通過USB將 Arduino？微控制器板與Android電話連接在一起。我們的應(yīng)用在DiCerbo的設(shè)計(jì)上進(jìn)行修改，將基本概念擴(kuò)展至USB至1-Wire適配器，并且微控制器用1-Wire適配器和Termochron代替。

本項(xiàng)目以DiCerbo的示例代碼為基礎(chǔ)。代碼首先詢問用戶是否允許訪問連接至Android智能手記的USB設(shè)備。然后程序查詢制造商和設(shè)備ID，并設(shè)置用于通信的USB端點(diǎn)。代碼提供給conn，用于批傳輸和控制傳輸?shù)腢SB設(shè)備連接；配置用于批輸入的USB端點(diǎn)epIN及epOUT。這和所有系統(tǒng)中USB初始化及向從機(jī)寫底層USB命令使用的基本配置沒什么區(qū)別。

現(xiàn)在，我們演示如何利用Android去實(shí)現(xiàn)讓Thermochron進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，并讀取溫度結(jié)果。每個(gè)步驟（表1）均以1-Wire復(fù)位開始，然后利用Match ROM命令選擇從機(jī)，最后為給它的執(zhí)行命令。

由USB傳輸控制執(zhí)行1-Wire復(fù)位，Android API的控制傳輸函數(shù)原代碼如下所示。

// Performs a control transaction on endpoint zero for this device.

int controlTransfer（int requestType， int request， int value， int index， byte[] bufer， int length， int timeout）

傳輸控制用于啟動(dòng)1-Wire Reset、Match ROM或Block I/O。參數(shù)說明請(qǐng)參見數(shù)據(jù)資料。隨后，我們將介紹如何使用該函數(shù)。

批數(shù)據(jù)傳輸用于Match ROM以及讀/寫存儲(chǔ)器。此處，端點(diǎn)應(yīng)為epIN或epOUT，取決于我們讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)。端點(diǎn)緩沖器儲(chǔ)存要發(fā)送的數(shù)據(jù)，或者為空以儲(chǔ)存要接收來(lái)的數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度為接收或發(fā)送的字節(jié)數(shù)。超時(shí)為USB的超時(shí)設(shè)置，單位為毫秒。

// Performs a bulk transaction on the given endpoint.

int bulkTransfer（UsbEndpoint endpoint， byte[] buffer， int length， int timeout）

以下為發(fā)送至Thermochron的轉(zhuǎn)換溫度命令（0x44）。在第1行中，如上所述（表1），首先由控制傳輸發(fā)送1-Wire復(fù)位。這是1-Wire Reset、Match ROM及轉(zhuǎn)換溫度序列。

// 1-Wire Reset

1 conn.controlTransfer（0x40， 0x01， 0x0C4B， 0x0001， 1， 0x0000， 0）；

// Match ROM， where romid is the iButon’s registration number

2 romid = new byte[] {0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00}；

3 conn.bulkTransfer（epOUT， romid， 8， 0）；

4 conn.controlTransfer（0x40， 0x01， 0x0065， 0x55， 1， 0， 0）；

// Convert Temperature for DS1921G

5 data = new byte[]{0x44}；

6 conn.bulkTransfer（epOUT， data， data.length， 0）；

7 conn.controlTransfer（0x40， 0x01， 0x1075， data.length， 1， 0， 0）；

上面第4行中，匹配訪問傳輸控制發(fā)送一個(gè)1-Wire Reset，0x55，匹配訪問ROM命令在1-Wire總線上，接著是相應(yīng)從機(jī)的ROM編號(hào)2。檢索參數(shù)設(shè)置為0x55。這個(gè)匹配訪問命令希望用戶把編號(hào)預(yù)裝載至epOUT，如第2行和第3行代碼所示。函數(shù)參數(shù)的說明請(qǐng)參考DS2490數(shù)據(jù)資料。

Termochron的數(shù)據(jù)資料將0x44作為開始溫度轉(zhuǎn)換的代碼。表2. 溫度轉(zhuǎn)換命令0x44的寫通過I/O塊操作來(lái)執(zhí)行。I/O塊功能是向epOUT寫輸出數(shù)據(jù)，如上面第6行代碼所示。然后第7行為控制傳輸為執(zhí)行I/O塊命令。

以下代碼為利用USB的 I/O模塊讀取溫度寄存器數(shù)據(jù)的步驟。Thermochron讀存儲(chǔ)器的命令碼為0xF0（見表2）。在此之后為目標(biāo)寄存器地址（TA） 為0x0211，只讀，分為兩個(gè)字節(jié)（第8行）。由于1-Wire總線只有單根數(shù)據(jù)線，所以總線上寫及發(fā)送的數(shù)據(jù)將全部環(huán)回到主機(jī)。然后主機(jī)需要向總線寫假數(shù)據(jù)（0xf）。如之前所述，由于1-Wire為開漏總線，所以從機(jī)將對(duì)0xff進(jìn)行響應(yīng)并修改該數(shù)據(jù)。最終效果就是數(shù)據(jù)和0xf的“與”的結(jié)果。

這些命令被送至epOUT，傳輸控制函數(shù)將執(zhí)行發(fā)送至1-Wire總線的命令 （第9行和第10行）。讀回的數(shù)據(jù)將位于USB端點(diǎn)epIN，利用第12行的批傳輸命令復(fù)制到tempdata。然后在第13行中，將最終的原始溫度編碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值。

// 1-Wire Reset and Match ROM

// （omited） ...

// Read Temperature Register/ Memory Command

// Read Memory， TA2， TA1， dummy data

8 command = new byte[]{（byte）0xf0， 0x11， 0x02， （byte）0xff，（byte）0xf}；

9 conn.bulkTransfer（epOUT， command， command.length， 0）；

10 conn.controlTransfer（0x40， 0x01， 0x1075， command.length， 1， 0， 0）；

// Return Data from input endpoint

11 byte[] tempdata = new byte[5]；

12 conn.bulkTransfer（epIN， tempdata， 5， 0）；

// Temperature calculation

13 t e m p e r a t u r e = （ i n t ）（tempdata[4] 0xf）/2.0 – 40；

結(jié)論

本示例的應(yīng)用程序代碼采用Eclipse編寫，可供下載。提供所有的文件，源代碼查看和修改容易。這個(gè)程序的代碼利用抽象函數(shù)間接使用底層的USB命令。本文最后的一般性參考有助于理解Android USB API和1-Wire命令。這些資源開發(fā)類似的產(chǎn)品廣泛使用。經(jīng)過適當(dāng)?shù)男薷模墒乖搼?yīng)用程序支持其它5V 1-Wire從設(shè)，例如存儲(chǔ)器，或支持附加iButton特性。可定制的選項(xiàng)很多，最終取決于設(shè)計(jì)者的系統(tǒng)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]Android API， Package Index， http：//developer.android.com/ reference/packages.html

[2]Using Android in Industrial Automation， Android USB Host+ Arduino， http：//android.serverbox.ch/？p=549.

[3]Maxim Integrated iButton：1-Wire Public Domain Kit， http：// www.maximintegrated.com/products/ibutton/software/1wire/ wirekit.cfm.

[4]Maxim Integrated應(yīng)用筆記187：《1-Wire Search Algorithm》，http：//www.maximintegrated.com/an187。

[5]DS2490 USB至1-Wire橋接芯片的數(shù)據(jù)資料：http：//www. maximintegrated.com/ds2490。

[6]DS9490R USB至1-Wire/iButton適配器的數(shù)據(jù)資料：http：// www.maximintegrated.com/ds9490r。

[7]DS1921G Thermochron iButton的數(shù)據(jù)資料：http：//www. maximintegrated.com/ds1921g。

Android是Google Inc的注冊(cè)商標(biāo)。

Arduino是Arduino， LLC的注冊(cè)商標(biāo)。

1-Wire、iButton和Thermochron是Maxim Integrated Products， Inc的注冊(cè)商標(biāo)，Hygrochron是Maxim Integrated Products， Inc的商標(biāo)。