摘 要：AOA協議是Google公司推出的用於實現Android裝置與外圍裝置之間USB通訊的協議。該協議拓展了Android裝置USB介面的功能，為基於Android系統的智慧裝置應用於資料採集和裝置控制領域提供了條件。介紹了Android系統下USB通訊的兩種模式，並給出了USB配件模式下基於AOA協議實現Android手機控制步進電機的例項。
關鍵詞：Android；AOA；USB通訊

最近業界的統計資料顯示，智慧手機與自動化及機械系統之間存在著很大的市場潛力。2011年Google推出Android開放配件協議AOA（Android Open Accessory Protocol）及配件開發工具包ADK（Accessory Development Kit）提供了Android裝置與Android配件通過USB或藍芽進行通訊的API，為基於Android系統的智慧裝置控制外設提供了條件。利用Android，系統可以連線從家用電器到重型機械、機器人等多種裝置。
Android作為一種基於開源Linux的智慧手機作業系統，廣泛應用於手機、平板電腦等移動裝置中。在各種Android裝置提供的介面中，USB介面是常見介面，該介面的作用是為Android裝置充電並通過PC端的驅動程式實現Android裝置與PC的互動。如何拓展Android裝置的USB介面功能是當前的研究熱點之一。針對該問題，本文介紹了一種基於AOA協議實現Android裝置USB通訊的方案，並通過Android手機控制步進電機的案例給出了方案的實現方法。
1 Android USB通訊模式
Android系統支援多種USB外圍裝置。根據Android裝置在USB通訊中充當的角色，可以將Android USB通訊分為主機模式（Host Mode）和配件模式（Accessory Mode）[1]兩種模式。
1.1 主機模式
主機模式是指Android裝置充當USB主機併為匯流排供電。此模式下，Android裝置需支援USB主機功能或OTG功能，此時Android裝置的USB主機稱為USB嵌入式主機EH（Embedded Host）[2]。與PC上的USB主機相比，EH裝置可能無法為連線到其總線上的未識別外圍裝置載入驅動程式，因此它們對其目標外圍裝置列表TPL（Target Peripheral List）進行了定義[3]。這些外圍USB裝置大部分為HID裝置（Human Interface Device）、BOMS裝置（Bulk Only Mass Storage，如U盤）和CDC裝置（Comm-
unication Device Class，USB通訊裝置類，如印表機），其驅動程式已存在於Android平臺的系統中（Linux Kernel），因此Android裝置可以與其直接通訊。
主機模式示意圖如圖1所示。
1.2 配件模式
配件模式是指Android裝置充當USB從機，外部裝置充當主機併為匯流排供電。此模式下，外部USB裝置稱為Android配件。該模式為不具備主機功能的Android裝置提供與USB裝置互動的能力。Android裝置和Android配件都必須支援AOA協議。不支援AOA協議的裝置可以通過Android配件開發板（ADK板）與Android裝置連線，成為Android裝置的間接配件。
配件模式示意圖如圖2所示。

本文介紹的基於AOA協議的Android裝置USB通訊方案即採用配件模式。主機模式和配件模式在Android 3.1（API level 12）及更高的平臺中直接支援。配件模式作為一個附加庫也被Android 2.3.4（API level 10）支援。裝置廠商可以選擇是否在裝置的Linux系統映象中包含附加庫。對主機和配件模式的支援最終取決於裝置的硬體，而不是Android平臺的等級（軟體）。
1.3 Android配件、ADK及AOA協議
Android配件是指遵循AOA協議的硬體，是Android配件模式中的概念。從硬體角度講，Android配件具有實現USB EH功能和AOA協議的微處理器以及包括USB介面在內的輸入/輸出介面。Android配件必須與Android平臺一起工作。
ADK是開發Android配件的參考開發包，該開發包基於Arduino公司的開源電子成型平臺[4]。ADK開發包包括Android配件硬體設計文件、Android配件韌體原始碼、Android裝置程式原始碼。
AOA協議是Android裝置與Android配件之間進行USB通訊需遵循的連線協議，該協議規定了Android配件如何檢測Android裝置並與其建立通訊。AOA協議規定配件需具備以下4項功能[5]：
（1）偵聽自身的USB介面，等待與其連線的Android裝置。
（2）檢測Android裝置是否支援AOA協議。
（3）如果需要，啟動Android裝置的USB配件模式。
（4）與Android裝置建立USB通訊。
2 USB配件模式開發
Android配件模式開發需要在Android裝置端和Android配件端分別進行開發。
2.1 Android裝置端開發
Android裝置端需進行以下兩項工作：
（1）確保裝置支援AOA協議。裝置對AOA協議是否支援由裝置硬體和Android系統版本決定。
（2）呼叫ADK中的API開發USB應用程式。
ADK中與USB配件模式相關的兩個類是UsbManager和UsbAccessory。UsbManager用於列舉連線的USB配件並與其通訊，UsbAccessory代表Android配件幷包含獲取配件描述資訊的方法。
在編寫程式前，需要為Android工程做以下設定工作[6]：
（1）配置Android Mainfest檔案，宣告使用配件模式，指定最低SDK版本，並設定配件過濾意圖。
（2）配置accessory_filter.xml檔案。accessory_filter.xml檔案用於描述希望Android裝置檢測的USB配件的描述資訊，包含manufacturer、model、version 3個屬性。在Android配件的韌體程式中，同樣包含以上3個屬性值。根據AOA協議，當Android配件連線到Android裝置上時，配件會發送該屬性值到Android裝置。Android程式將唯一響應與其accessory_filter.xml中指定的屬性值匹配的Android配件。
Android裝置端程式開發的流程如下：
（1）發現配件並過濾。
（2）獲取與配件通訊的許可權。通過廣播接收器（Broad-castReceiver）的方式以彈出授權對話方塊的形式詢問使用者是否允許與Android配件通訊。
（3）開始與配件通訊。建立檔案輸入輸出流代表USB批量傳輸端點，通過獨立執行緒以流傳輸的方式實現USB通訊。
（4）終止與配件通訊。通過廣播接收器偵聽USB配件與Android裝置的斷開操作，當事件發生時，關閉檔案輸入/輸出流。
2.2 Android配件端開發
Android配件端需進行以下兩項工作：
（1）根據ADK中的硬體設計文件設計具有USB主控制器的硬體電路，並支援USB協議。
（2）將AOA協議以韌體程式碼的形式下載至Android配件的主晶片中。
目前，已有多家公司為Android裝置的配件模式開發提供專門的ADK板，ADK板將AOA協議以程式的方式燒寫至晶片中，ADK板也即Android配件。目前常見的ADK板有Arduino的Arduino Mega ADK板、SparkFun的IOIO板，此外還有DIY Drones、Microchip、RT Corp、Seeed Studio、Troido等公司生產的ADK板。採用ADK板將可節省Android配件端的開發時間。
3 系統設計
3.1 總體設計
構建的系統框圖如圖3所示。

採用的ADK板是由英國飛特蒂亞FTDI（Future Technology Devices International Ltd.）公司生產的Android平臺USB主控模組（USB Android Host Module）[7]，型號為UMFT311EV，於2012年7月31日推出。UMFT311EV板具有USB主控功能和USB介面橋接功能，其特性如下：
（1）採用USB Android主控晶片FT311D，單晶片內整合USB協議。
（2）相容USB 2.0全速模式（最大傳輸速率12 Mb/s，即1.5 MB/s，最大輸出電流500 mA）。
（3）6種介面型別，即GPIO（7路）、UART、PWM（4路）、I2C Master、SPI Master、SPI Slave。
（4）6種介面只能單一工作，通過跳線帽和3個介面型別選擇引腳選擇介面型別。
UMFT311EV板支援AOA協議，作為Android配件無需使用者做配件端的開發，而且為Android裝置端的程式開發提供Java驅動包。因此採用UMFT311EV板能夠實現Android手機、平板與其他裝置的通訊，進行裝置控制和資料採集，並能與現有系統快速整合，降低開發難度和開發時間。
在此，以Android手機小米MI2和步進電機28BYJ48為例，通過UMFT311EV板的4路GPIO口實現Android手機USB控制步進電機。
3.2 軟體設計
在設計Android手機端軟體時，採用FTDI公司為Android平臺提供的驅動包。根據該驅動包，架構如圖4所示的應用程式。

FT311驅動層提供驅動UMFT311EV板上介面的方法和實現Android應用程式與UMFT311EV板USB通訊的方法。該層為使用者層提供封裝的方法，為使用者開發程式遮蔽底層程式設計細節。使用者層通過呼叫FT311驅動層的方法實現對UMFT311EV板上介面的控制。
本實驗程式設計採用FT311驅動層提供的配置GPIO、讀GPIO、寫GPIO、重置GPIO 4個方法實現對步進電機的控制，程式流程如圖5所示。

4 系統測試
本設計中將Android手機作為脈衝訊號源和脈衝分配器，通過軟體程式設計為步進電機提供脈衝訊號，並通過驅動晶片ULN2003驅動步進電機。系統測試過程如下：