Android透明串口傳輸模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

何塽納 陳國(guó)金

摘 要： Android設(shè)備可用作工業(yè)控制上位機(jī)。設(shè)計(jì)了一種Android透明串口傳輸模塊，模塊集成了藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口、WiFi轉(zhuǎn)串口與USB轉(zhuǎn)串口三種通信方式，用戶可任意選取一種； 模塊自動(dòng)建立通信連接，提供與下位機(jī)串口通信的透明輸入輸出接口。討論了Android透明串口傳輸模塊的軟件功能、硬件連接與軟件實(shí)現(xiàn)，并將其應(yīng)用于自動(dòng)縫紉設(shè)備。

關(guān)鍵詞： 安卓；工業(yè)控制；藍(lán)牙；串口；無(wú)線局域網(wǎng)；通用串行總線

引言

智能移動(dòng)設(shè)備近幾年來(lái)發(fā)展迅速，在日常生活與工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域，通常采用PC機(jī)、操作面板控制設(shè)備[1]。PC機(jī)成本較高，體積較大，攜帶性不好；操作面板界面不直觀，操作復(fù)雜。智能移動(dòng)設(shè)備如智能手機(jī)、平板電腦體積較小，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)便于攜帶，其觸摸屏用戶體驗(yàn)較好，相比傳統(tǒng)的PC機(jī)、操作面板更具優(yōu)勢(shì)。Android是一款基于Linux的開(kāi)源移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)，具有完全開(kāi)放性，適合取代工業(yè)控制上位機(jī)PC與操作面板[2]。工業(yè)控制下位機(jī)通信接口通常為串口，Android設(shè)備可作為上位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口、WiFi轉(zhuǎn)串口或USB轉(zhuǎn)串口模塊與下位機(jī)串口通信。Android設(shè)備雖然支持這三種通信方式，但直接使用Android API開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序較為麻煩，且對(duì)于USB轉(zhuǎn)串口通信，目前沒(méi)有可用API，這使得開(kāi)發(fā)存在一定復(fù)雜性。本文旨在提出一種Android透明串口傳輸模塊，簡(jiǎn)化Android工業(yè)控制上位機(jī)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。

1.功能說(shuō)明

本模塊集成藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口、WiFi轉(zhuǎn)串口與USB轉(zhuǎn)串口三種通信方式，可直接與下位機(jī)串口通信。用戶選擇三種方式中的一種，模塊建立對(duì)應(yīng)通信連接，這一過(guò)程由模塊自動(dòng)處理與維護(hù)，對(duì)用戶透明。模塊提供一組統(tǒng)一的read（），write（）方法作為對(duì)外數(shù)據(jù)通信接口，用戶通過(guò)此接口與下位機(jī)串口通信。

3.Android透明串口傳輸模塊的軟件設(shè)計(jì)

Android透明串口傳輸軟件模塊分為三個(gè)部分：通信方式選擇功能設(shè)計(jì)、自動(dòng)建立通信功能設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)通信功能設(shè)計(jì)。

3.1 通信方式選擇功能設(shè)計(jì)

通信方式選擇功能用于選擇模塊通信方式，配置通用通信地址。通信方式m_ComMode可為藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口、WiFi轉(zhuǎn)串口和USB轉(zhuǎn)串口通信中的一種，通用通信地址m_ComAddr為與通信方式對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙Mac地址、WiFi IP地址與端口號(hào)以及串口設(shè)備名稱(chēng)與波特率。

3.2 自動(dòng)建立通信功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)建立通信功能根據(jù)用戶置入的通信方式與通用通信地址，自動(dòng)建立通信。

3.2.1 Android藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口、WiFi轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)串口通信建立方法

Android從2.2版本開(kāi)始支持藍(lán)牙功能，并且為開(kāi)發(fā)者提供開(kāi)發(fā)藍(lán)牙應(yīng)用程序的API[3]。開(kāi)發(fā)藍(lán)牙應(yīng)用程序首先需要在Manifest中添加權(quán)限。

利用Android API建立藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口通信的主要步驟如下：根據(jù)藍(lán)牙Mac地址返回藍(lán)牙設(shè)備對(duì)象、建立藍(lán)牙套接字、得到輸入輸出流。

利用Android API建立WiFi轉(zhuǎn)串口通信的主要步驟如下[4]：建立套接字、得到輸入輸出流。

對(duì)于USB轉(zhuǎn)串口通信應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)， Android SDK未提供API，本文在開(kāi)源項(xiàng)目android-serialport-api基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)修改[5]。

首先在工程中導(dǎo)入開(kāi)源項(xiàng)目android-serialport-api的源代碼，然后修改代碼。建立串口通信代碼如下：

// 調(diào)用android-serialport-api自帶的open方法，根據(jù)選擇的波特率與設(shè)備名稱(chēng)打開(kāi)串口

FileDescriptor m_FileDescriptor = open （ device_name ， baudrate， flags）；

// 得到輸入輸出流

InputStream m_com_InStream = new FileInputStream （ m_FileDescriptor ）；

OutputStream m_com_OutStream = new FileOutputStream （ m_FileDescriptor ）；

3.2.2 通信的自動(dòng)建立

Android的藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口、WiFi轉(zhuǎn)串口和USB轉(zhuǎn)串口雖然在建立通信過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不同，但其過(guò)程皆可以概括為利用所需參數(shù)（藍(lán)牙Mac地址、WiFi IP地址與端口號(hào)、串口波特率與設(shè)備名稱(chēng)）經(jīng)過(guò)多步配置建立連接，最終得到輸入輸出流。可以利用其過(guò)程中的相似性編寫(xiě)統(tǒng)一的建立通信方法，方法根據(jù)通信方式m_ComMode 調(diào)用對(duì)應(yīng)的通信建立程序，通過(guò)通用通信地址m_ComAddr經(jīng)多步配置建立連接，得到輸入輸出流。

3.3 數(shù)據(jù)通信功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通信功能是Android透明串口傳輸模塊面向用戶的接口，提供一組輸入輸出方法read（）、write（），用戶通過(guò)此方法經(jīng)藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口、WiFi轉(zhuǎn)串口或USB轉(zhuǎn)串口模塊與下位機(jī)串口通信。

InputStream/OutputStream類(lèi)與DataInputStream/DataOutputStream類(lèi)存在繼承關(guān)系，它們的read（）、write（）方法具有相同的名稱(chēng)與參數(shù)形式，無(wú)論建立何種通信方式，都可以用同樣的方法對(duì)它們進(jìn)行讀寫(xiě)。輸入輸出流讀寫(xiě)主要方法的如下：根據(jù)通信方式選擇對(duì)應(yīng)的輸入流讀取數(shù)據(jù)、根據(jù)通信方式選擇對(duì)應(yīng)的輸出流寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

對(duì)于設(shè)備流數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，一般為阻塞方式， 為適應(yīng)阻塞操作，本模塊創(chuàng)建一個(gè)用于數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的讀寫(xiě)線程[6]。讀寫(xiě)方法read（）、write（）將讀寫(xiě)輸入輸出流所需參數(shù)m_receive_byte_Offset（接收數(shù)據(jù)起始位）、m_receive_byteCount（接收數(shù)據(jù)位數(shù)）、m_send_byte_Offset（發(fā)送數(shù)據(jù)起始位）、m_send_byteCount（發(fā)送數(shù)據(jù)位數(shù)）傳遞給讀寫(xiě)線程，讀寫(xiě)線程調(diào)用read_stream（）、write_stream（）方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。read（）、write（）方法會(huì)休眠一定時(shí)間等待讀寫(xiě)線程完成任務(wù)，超出時(shí)限后不再等待，判定任務(wù)失敗，以避免調(diào)用程序的阻塞。

4.應(yīng)用實(shí)例

自動(dòng)縫紉設(shè)備在服裝廠中應(yīng)用普遍，這些設(shè)備通常通過(guò)操作面板控制設(shè)備運(yùn)行、修改參數(shù)。操作面板界面不直觀，操作復(fù)雜。本文以Android平板代替操作面板，遠(yuǎn)程控制設(shè)備[7]。使用Android透明串口傳輸模塊，通過(guò)藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊與自動(dòng)縫紉設(shè)備單片機(jī)串口通信。用戶操作Android觸摸屏向設(shè)備發(fā)送控制、修改參數(shù)指令，通過(guò)透明串口傳輸模塊發(fā)送至設(shè)備單片機(jī)串口，單片機(jī)執(zhí)行指令。單片機(jī)定時(shí)讀取設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)送至Android設(shè)備，在觸摸屏顯示。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文提出的Android透明串口傳輸模塊，將藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口、WiFi轉(zhuǎn)串口和USB轉(zhuǎn)串口這三種通信方式封裝在一起，用戶可以任意選擇一種通信方式與下位機(jī)串口進(jìn)行通信，而不必關(guān)心每種方式的不同實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化了Android工業(yè)控制應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，提高了開(kāi)發(fā)效率。

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作者簡(jiǎn)介：

何塽納（1989-），男（漢族），浙江省奉化人，杭州電子科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)檐浖_(kāi)發(fā)。