Android平臺下AOA協(xié)議的PWM控制系統(tǒng)＊

常曉明，位恒曦，劉衛(wèi)玲，段晉軍

（1.太原理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原030024；2.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院）

引 言

PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）是一種調(diào)壓技術(shù)也是一種變頻技術(shù)［1]，由于其具有經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［2]，已廣泛應(yīng)用于測量、通信、功率控制與變換等領(lǐng)域中。目前，嵌入式PWM控制應(yīng)用廣泛采用單片機(jī)［3]，如簡單應(yīng)用可選用PIC、AVR等系列單片機(jī)，比較復(fù)雜的應(yīng)用可選用DSP，要求更高的可以選用ARM等。但是，PWM控制應(yīng)用中選用Android智能手機(jī)還未見相關(guān)實(shí)例。

Android是一種全新的開源手機(jī)操作系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的應(yīng)用層API和傳感器功能［4]，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦等移動設(shè)備中。Android智能手機(jī)具有優(yōu)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(diǎn)，隨著其處理速度、存儲容量、穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)訪問能力等性能的逐漸提高，Android智能終端與工業(yè)應(yīng)用的結(jié)合將會得到很大發(fā)展。2011年Google推出Android開放配件協(xié)議（Android Open Accessory Protocol，AOA，Protocol）及配件開發(fā)工具包（Accessory Development Kit，ADK），提供了Android設(shè)備與Android配件通過USB或藍(lán)牙進(jìn)行通信的API，進(jìn)一步拓寬了Android終端的應(yīng)用范圍。基于以上條件，本文介紹了一種基于AOA協(xié)議，通過Android手機(jī)USB控制Android配件生成PWM信號的系統(tǒng)。

1 AOA協(xié)議

AOA協(xié)議用于Android配件通過USB或藍(lán)牙方式與Android終端進(jìn)行通信［5]。基于AOA協(xié)議實(shí)現(xiàn)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(shè)備稱為Android配件，兩者都必須支持AOA協(xié)議。在USB通信過程中，Android終端充當(dāng)USB從機(jī)，Android配件充當(dāng)USB主機(jī)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(xié)議。ADK開發(fā)板是常見的Android配件。采用ADK開發(fā)板的Android配件模式示意如圖1所示。

圖1 Android配件模式

AOA協(xié)議基于USB協(xié)議，它規(guī)定了配件如何檢測、枚舉Android設(shè)備，并與設(shè)備建立通信的方法［6]。AOA協(xié)議的工作流程如圖2所示。

圖2 AOA協(xié)議工作流程

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)以Android手機(jī)控制Android配件（ADK開發(fā)板）產(chǎn)生等脈寬PWM，并控制一舵機(jī)為例，采用的Android配件為英國飛特蒂亞公司（FTDI）公司生產(chǎn)的Android平臺USB主控模塊UMFT311EV。在該模塊的核心芯片內(nèi)集成了USB協(xié)議和AOA協(xié)議，并支持4路PWM。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

2.2 軟件開發(fā)

本系統(tǒng)采用的UMFT311EV開發(fā)板由于集成了AOA協(xié)議，因此無需開發(fā)Android配件端的程序。此外，F(xiàn)TDI公司針對UMFT311EV為Android終端程序開發(fā)提供了底層API。基于UMFT311EV的Android手機(jī)端PWM控制程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 程序結(jié)構(gòu)

在圖4所示的結(jié)構(gòu)中，PWM驅(qū)動層為FTDI公司提供的與UMFT311EV開發(fā)板通信的方法集合，PWM驅(qū)動層通過如表1所列的兩個類與開發(fā)板進(jìn)行USB通信。

表1 USB配件類

PWM用戶層具體實(shí)現(xiàn)控制邏輯，由用戶編寫程序?qū)崿F(xiàn)。該層調(diào)用驅(qū)動層的方法，從而間接實(shí)現(xiàn)與開發(fā)板的通信。在本系統(tǒng)中，用到的驅(qū)動層的方法如表2所列。

表2 驅(qū)動層方法

在編寫程序前，需要為Android工程做以下設(shè)置工作：

①配置Android Mainfest文件，設(shè)置Android USB配件模式。設(shè)定＜uses－feature＞元素及android.hardware.usb.accessory屬性值，聲明使用USB配件API；設(shè)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(dāng)USB配件連接后向用戶發(fā)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(shè)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(jù)AOA協(xié)議，當(dāng)Android配件連接到Android設(shè)備上時，配件會發(fā)送該屬性值到Android設(shè)備。Android程序?qū)⑽ㄒ豁憫?yīng)與其accessory＿filter.xml中指定的屬性值匹配的Android配件。

本系統(tǒng)的accessory＿filter.xml的配置如下：

Android手機(jī)端程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果

本系統(tǒng)的測試場景如圖6所示。

圖6 測試場景

將ADK開發(fā)板通過USB數(shù)據(jù)線連接至Android手機(jī)上，此時，手機(jī)界面將彈出授權(quán)對話框，提示打開系統(tǒng)軟件。軟件界面如圖7所示。

點(diǎn)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(tài)調(diào)整PWM信號的周期和占空比。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)Android手機(jī)通過USB接口控制產(chǎn)生PWM信號。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備（Android手機(jī)和ADK開發(fā)板）的性能限制，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)PWM信號的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍如表3所列。

圖7 軟件界面

表3 PWM參數(shù)可調(diào)范圍

結(jié) 語

經(jīng)過在小米2手機(jī)上的反復(fù)測試，通過手機(jī)能夠產(chǎn)生的PWM信號周期范圍為1～250ms，占空比范圍為5%～95%，系統(tǒng)總體延遲小于5ms。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過Android手機(jī)USB控制Android配件生成參數(shù)可控PWM信號的功能，并且可以通過操作Android手機(jī)界面實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)PWM信號。項(xiàng)目組正開發(fā)多種PWM信號的控制系統(tǒng)，并在深入研究和探討本系統(tǒng)與工業(yè)應(yīng)用的結(jié)合。

［1] 江世明.脈寬調(diào)制控制技術(shù)中PWM波形程序設(shè)計方法［J] .邵陽學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)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(jī)PWM控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)［J] .武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32（1）：94－98.

［4] 耿東久，索岳，陳渝，等.基于Android手機(jī)的遠(yuǎn)程訪問和控制系統(tǒng)［J] .計算機(jī)應(yīng)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.