Android平臺下AOA協議的PWM控制系統＊

常曉明，位恒曦，劉衛玲，段晉軍

（1.太原理工大學計算機科學與技術學院，太原030024；2.太原理工大學物理與光電工程學院）

引 言

PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）是一種調壓技術也是一種變頻技術［1]，由于其具有經濟、節約空間、抗噪性能強等優點［2]，已廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換等領域中。目前，嵌入式PWM控制應用廣泛采用單片機［3]，如簡單應用可選用PIC、AVR等系列單片機，比較復雜的應用可選用DSP，要求更高的可以選用ARM等。但是，PWM控制應用中選用Android智能手機還未見相關實例。

Android是一種全新的開源手機操作系統，具有強大的應用層API和傳感器功能［4]，廣泛應用于手機、平板電腦等移動設備中。Android智能手機具有優越的用戶交互性、接口資源開放性、移動性以及便攜性等特點，隨著其處理速度、存儲容量、穩定性、網絡訪問能力等性能的逐漸提高，Android智能終端與工業應用的結合將會得到很大發展。2011年Google推出Android開放配件協議（Android Open Accessory Protocol，AOA，Protocol）及配件開發工具包（Accessory Development Kit，ADK），提供了Android設備與Android配件通過USB或藍牙進行通信的API，進一步拓寬了Android終端的應用范圍。基于以上條件，本文介紹了一種基于AOA協議，通過Android手機USB控制Android配件生成PWM信號的系統。

1 AOA協議

AOA協議用于Android配件通過USB或藍牙方式與Android終端進行通信［5]。基于AOA協議實現Android終端USB通信方式稱為配件模式。此模式下，與Android終端通信的另一端設備稱為Android配件，兩者都必須支持AOA協議。在USB通信過程中，Android終端充當USB從機，Android配件充當USB主機并為總線供電。Android配件需具有USB主控制器功能并移植有AOA協議。ADK開發板是常見的Android配件。采用ADK開發板的Android配件模式示意如圖1所示。

圖1 Android配件模式

AOA協議基于USB協議，它規定了配件如何檢測、枚舉Android設備，并與設備建立通信的方法［6]。AOA協議的工作流程如圖2所示。

圖2 AOA協議工作流程

2 系統設計與實現

2.1 系統設計

系統以Android手機控制Android配件（ADK開發板）產生等脈寬PWM，并控制一舵機為例，采用的Android配件為英國飛特蒂亞公司（FTDI）公司生產的Android平臺USB主控模塊UMFT311EV。在該模塊的核心芯片內集成了USB協議和AOA協議，并支持4路PWM。系統框圖如圖3所示。

圖3 系統框圖

2.2 軟件開發

本系統采用的UMFT311EV開發板由于集成了AOA協議，因此無需開發Android配件端的程序。此外，FTDI公司針對UMFT311EV為Android終端程序開發提供了底層API。基于UMFT311EV的Android手機端PWM控制程序結構如圖4所示。

圖4 程序結構

在圖4所示的結構中，PWM驅動層為FTDI公司提供的與UMFT311EV開發板通信的方法集合，PWM驅動層通過如表1所列的兩個類與開發板進行USB通信。

表1 USB配件類

PWM用戶層具體實現控制邏輯，由用戶編寫程序實現。該層調用驅動層的方法，從而間接實現與開發板的通信。在本系統中，用到的驅動層的方法如表2所列。

表2 驅動層方法

在編寫程序前，需要為Android工程做以下設置工作：

①配置Android Mainfest文件，設置Android USB配件模式。設定＜uses－feature＞元素及android.hardware.usb.accessory屬性值，聲明使用USB配件API；設置最小SDK版本為12（Android從該版本后支持USB配件模式）；增加＜intent－filter＞元素，并指定android.hardware.usb.action.USB＿ACCESSORY＿ATTACHED意圖，用于當USB配件連接后向用戶發出提示。增加＜meta－data＞元素并使其指向一個外部的XML資源文件accessory＿filter.xml，該文件用于聲明希望Android設備檢測的USB配件的描述信息。

②配置accessory＿filter.xml文件。增加＜usb－accessory＞元素，并指定manufacturer、model、version三個屬性。在Android配件的固件程序中，同樣包含以上三個屬性值。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。

本系統的accessory＿filter.xml的配置如下：

Android手機端程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程

3 系統測試及結果

本系統的測試場景如圖6所示。

圖6 測試場景

將ADK開發板通過USB數據線連接至Android手機上，此時，手機界面將彈出授權對話框，提示打開系統軟件。軟件界面如圖7所示。

點擊“輸出”按鈕，輸出PWM信號。在輸出信號的過程中，可以通過滑動條動態調整PWM信號的周期和占空比。經過測試，本系統能夠實現Android手機通過USB接口控制產生PWM信號。由于實驗設備（Android手機和ADK開發板）的性能限制，本系統能夠實現PWM信號的參數調節范圍如表3所列。

圖7 軟件界面

表3 PWM參數可調范圍

結 語

經過在小米2手機上的反復測試，通過手機能夠產生的PWM信號周期范圍為1～250ms，占空比范圍為5%～95%，系統總體延遲小于5ms。系統實現了通過Android手機USB控制Android配件生成參數可控PWM信號的功能，并且可以通過操作Android手機界面實現動態調節PWM信號。項目組正開發多種PWM信號的控制系統，并在深入研究和探討本系統與工業應用的結合。

［1] 江世明.脈寬調制控制技術中PWM波形程序設計方法［J] .邵陽學院學報：自然科學版：2006，3（4）：45－47.

［2] Michael Barr.Introduction to Pulse Width Modulation（PWM）［J] .Embedded Systems Programming，2001（9）：103－104.

［3] 王效華，牛思先.基于單片機PWM控制技術的實現［J] .武漢理工大學學報，2010，32（1）：94－98.

［4] 耿東久，索岳，陳渝，等.基于Android手機的遠程訪問和控制系統［J] .計算機應用，2011，31（2）：559－561.

［5] Google.Accessory Development Kit［EB／OL] .［2013－06－07] .http：／／developer.android.com／tools／adk／index.html.

［6] Google.Android Open Accessory Protocol 1.0［EB／OL] .［2013－02－22] .http：／／source.android.com／tech／accessories／aoap／aoa.html.