Android平台下AOA协议的PWM信号控制系统

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Android开放配件（AOA）协议是一种Android终端通过USB总线与Android配件进行通信的协议，该协议为Android终端应用于设备控制和数据采集领域提供了条件。在一些设备控制应用中，有采用Android设备作为控制终端的需求。针对该问题，提出了一个通过Android手机控制Android配件UMFT311EV开发板生成PWM信号的系统。系统基于Android开放配件协议，通过操作Android手机界面控制PWM信号的周期和占空比。首先介绍了系统构成，然后给出了Android终端软件的具体实现，最后以驱动舵机为例进行系统测试。系统实现了Android手机产生参数可控的PWM信号。
       
        PWM（Pulse width Modulation，脉冲宽度调制）是一种调压技术也是一种变频技术，由于其具有经济、节约空间、抗噪性能强等优点，已广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等领域中。目前，嵌入式PWM控制应用广泛采用单片机，如简单应用可选用PIC、AVR等系列单片机，比较复杂的应用可选用DSP，要求更高的可以选用ARM等。但是，PWM控制应用中选用Android智能手机还未见相关实例。
       
        Android是一种全新的开源手机操作系统，具有强大的应用层API和传感器功能，广泛应用于手机、平板电脑等移动设备中。Android智能手机具有优越的用户交互性、接口资源开放性、移动性以及便携性等特点，随着其处理速度、存储容量、稳定性、网络访问能力等性能的逐渐提高，Android智能终端与工业应用的结合将会得到很大发展。2011年Google推出Android开放配件协议（Android Open Accessory Protocol，AOA，Protoco1）及配件开发工具包（Accessory Development Kit，ADK），提供了Android设备与Android配件通过USB或蓝牙进行通信的API，进一步拓宽了Android终端的应用范围。基于以上条件，本文介绍了一种基于AOA协议，通过Android手机USB控制Android配件生成PWM信号的系统。
       
        1 AOA协议
       
        AOA协议用于Android配件通过USB或蓝牙与Android终端进行通信。基于AOA协议实现Android终端USB通信方式称为配件模式。此模式下，与Android终端通信的另一端设备称为Android配件，两者都必须支持AOA协议。在USB通信过程中，Android终端充当USB从机，Android配件充当USB主机并为总线供电。Android配件需具有USB主控制器功能并移植有AOA协议。ADK开发板是常见的Android配件。采用ADK开发板的Android配件模式示意如图1所示。

       
       
        图1 Android配件模式

         
        AOA协议基于USB协议，它规定了配件如何检测、枚举Android设备，并与设备建立通信的方法。AOA协议的工作流程如图2所示。

       
       
        图2 AOA协议工作流程

         
          2系统设计与实现
       
        2.1系统设计
       
        系统以Android手机控制Android配件（ADK开发板）产生等脉宽PWM，并控制一舵机为例，采用的Android配件为英国飞特蒂亚公司（FTDI）公司生产的Android平台USB主控模块UMFT311EV.在该模块的核心芯片内集成了USB协议和AOA协议，并支持4路PWM.系统框图如图3所示。
       
        2.2软件开发
       
        本系统采用的UMFT311EV开发板由于集成了AOA协议，因此无需开发Android配件端的程序。此外，FTDI公司针对UMFT311EV为Android终端程序开发提供了底层API.基于UMFT311EV的Android手机端PWM控制程序结构如图4所示。

       
       
        图3系统框图
       
        图4程序结构

         
        在图4所示的结构中，PWM驱动层为FTDI公司提供的与UMFT311EV开发板通信的方法集合，PWM驱动层通过如表1所列的两个类与开发板进行USB通信。

       
       

         
        PWM用户层具体实现控制逻辑，由用户编写程序实现。该层调用驱动层的方法，从而间接实现与开发板的通信。在本系统中，用到的驱动层的方法如表2所列。

       
       

           
         
          在编写程序前，需要为Android工程做以下设置工作：
       
        ①配置Android Mainfest文件，设置Android USB配件模式。设定元素及android.hardware.usb.accessory属性值，声明使用USB配件API；设置最小SDK版本为12（Android从该版本后支持USB配件模式）；增加元素，并指定android.hardware.Usb.action.USB_ACCESSORY_ATTACHED意图，用于当USB配件连接后向用户发出提示。增加元素并使其指向一个外部的XML资源文件accessory_filter.xml，该文件用于声明希望Android设备检测的USB配件的描述信息。
       
        ②配置accessory_filter.xml文件。增加元素，并指定manufacturer、model、version三个属性。在Android配件的固件程序中，同样包含以上三个属性值。根据AOA协议，当Android配件连接到Android设备上时，配件会发送该属性值到Android设备。Android程序将唯一响应与其accessory_filter.xml中指定的属性值匹配的Android配件。
       
        本系统的accessory_filter.xml的配置如下：
       
        Android手机端程序流程如图5所示。
           

       
       
        图5程序流程

         
       
        3系统测试及结果
       
        本系统的测试场景如图6所示。
       
        将ADK开发板通过USB数据线连接至Android手机上，此时，手机界面将弹出授权对话框，提示打开系统软件。软件界面如图7所示。
       
        点击“输出”按钮，输出PWM信号。在输出信号的过程中，可以通过滑动条动态调整PWM信号的周期和占空比。经过测试，本系统能够实现Android手机通过USB接口控制产生PWM信号。由于实验设备（Android手机和ADK开发板）的性能限制，本系统能够实现PWM信号的参数调节范围如表3所列。

       
       
        图6测试场景
       
        图7软件界面
       

         
        结语
       
        经过在小米2手机上的反复测试，通过手机能够产生的PWM信号周期范围为1～250 ms，占空比范围为5%～95%，系统总体延迟小于5 ms.系统实现了通过Android手机USB控制Android配件生成参数可控PWM信号的功能，并且可以通过操作Android手机界面实现动态调节PWM信号。项目组正开发多种PWM信号的控制系统，并在深入研究和探讨本系统与工业应用的结合。

李小路

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