張佳進(jìn)，陳立暢，唐愛云

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，昆明650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院；3.云南省招標(biāo)采購局）

引 言

目前，移動市場已經(jīng)急劇地改變了IT 行業(yè)的格局，市場正在向智能手機(jī)和平板電腦等移動計(jì)算設(shè)備傾斜。因此，很多傳統(tǒng)的PC軟件的開發(fā)也正在迅速地向移動平臺遷移，Android智能手機(jī)和平板電腦移動設(shè)備逐步成為重要的計(jì)算應(yīng)用平臺。

由于考慮系統(tǒng)硬件體積、功耗、成本等因素，除了常用的USB接口外，基于Android的智能手機(jī)或平板電腦往往缺乏硬件拓展接口，這某種程度上限制了這些智能移動設(shè)備與物理世界的信息交互能力，例如外界傳感器數(shù)據(jù)的獲取，外部執(zhí)行裝置的控制和在車載系統(tǒng)、POS機(jī)、智能醫(yī)療保健儀器設(shè)備中的應(yīng)用等［1-2］。

FT311D接口芯片能為Android手機(jī)或平板電腦提供USB轉(zhuǎn)外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI等硬件接口，無需安裝USB驅(qū)動，全面兼容USB2.0接口，不需要軟件移植，不受Android操作系統(tǒng)升級的影響，只需安裝對應(yīng)的APK 就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這有利于解決Android移動設(shè)備硬件接口的擴(kuò)展難題［3］。

本文介紹了基于FT311D 的Android 移動設(shè)備的USB轉(zhuǎn)外圍硬件接口拓展方案，主要內(nèi)容包括FT311D的硬件特點(diǎn)及其在Android平臺下的軟件開發(fā)方法。

1 FT311D接口芯片

FT311D芯片是由美國FTDI公司研制生產(chǎn)的面向Android移動設(shè)備的USB 轉(zhuǎn)外部硬件接口解決方案。FT311D 芯片直接集成了USB 通信協(xié)議棧，它分別支持USB轉(zhuǎn)UART、GPIO、PWM、I2C、SPI。FT311D 芯片系統(tǒng)功能如圖1所示［4］。

圖1 FT311D芯片系統(tǒng)功能示意圖

當(dāng)FT311D的外圍接口配置為UART 串口模式時，該接口作為具有流控制的基本異步串行UART 端口使用。FT311D 的UART 支持的波特率為300～921 600 baud。其I2C總線主控端接口可以連接到支持125kbps的I2C總線從控端接口。另外通用接口GPIO 可以配置為提供多路脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出信號，這些輸出可用于控制電機(jī)、制動器、傳感器、DC／DC轉(zhuǎn)換器或AC／DC電源的PWM 信號以及玩具、照明應(yīng)用、家用電器和工業(yè)設(shè)備等。

圖2為FT311D芯片引腳定義，F(xiàn)T311D 系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，主要引腳的功能略——編者注。

FT311D 分別支持UART、GPIO、PWM、I2C、SPI硬件接口，具體接口類型由CNFG2、CNFG1和CNFG0引腳決定。接口的類型定義及其對應(yīng)引腳略——編者注。

圖2 FT311D芯片引腳定義

圖3 FT311D系統(tǒng)功能框圖

2 軟件開發(fā)

基于Android開發(fā)平臺的軟件開發(fā)，F(xiàn)T311D 硬件接口應(yīng)用程序主要包括兩部分，即用戶層User Layer和接口層Layer，詳見圖4。

圖4 FT311D硬件接口驅(qū)動程序框架

用戶層面向高層應(yīng)用程序開發(fā)，程序員不需要過多考慮Android設(shè)備與FT311D接口芯片通信的具體細(xì)節(jié)，只需要借助相應(yīng)的用戶函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)GPIO／UART／I2C／SPI／PWM 接口的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)。而接口層則具體來執(zhí)行用戶層提供的API函數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)FT311D 與Android系統(tǒng)間的USB通信功能，涉及具體的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)包格式等。FTDI公司提供了用戶層和接口層的Java類文件，可以很方便地編譯到用戶的應(yīng)用程序中［5］。

3 系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)實(shí)例

接下來主要介紹FT311D作為UART 串行通信接口時的驅(qū)動程序開發(fā)方法。在實(shí)際開發(fā)應(yīng)用中，基于Android手機(jī)開發(fā)環(huán)境，F(xiàn)T311D硬件串口驅(qū)動軟件開發(fā)的著力點(diǎn)是UART Layer的API函數(shù)的正確使用。與圖4類似，圖5是UART 串行通信驅(qū)動程序框圖。圖6為基于FT311D串行口，Android平板電腦與桌面PC串行通信實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖。

圖5 UART串行通信驅(qū)動程序框圖

圖6 Android平板電腦與桌面PC串行通信實(shí)驗(yàn)

3.1 FT311-UART Layer

FT311-UART Layer 提供了UART 接口類的用戶API函數(shù)。

3.1.1 SetConfig函數(shù)

函數(shù)SetConfig（int baudRate，byte dataBits，byte stopBits，byte parity，byte flowControl）的功能是設(shè)置串行通信幀格式包括通信波特率、停止位、校驗(yàn)位等，在使用串口前，必須先使用該函數(shù)來進(jìn)行正確的設(shè)置。

baudRate波特率：最小是300，最大值是921 600，默認(rèn)值是9 600。

dataBits數(shù)據(jù)位：7位或8位。

stopBits停止位：1或2位。

Parity校驗(yàn)位：0代表沒有校驗(yàn)；1為奇校驗(yàn)；2為偶校驗(yàn)。

flowControl流控：0為沒有，1代表有流控。

3.1.2 SendData函數(shù)功能

SendData（byte numBytes，char［］buffer）向FT311D UART 串行口發(fā)送數(shù)據(jù)。其中numBytes是發(fā)送的字節(jié)數(shù)，最大值是256；buffer是所發(fā)送數(shù)據(jù)的地址指針。

3.1.3 ReadData函數(shù)功能

ReadData（byte numBytes，byte［］buffer，byte［］actualNumBytes）從FT311D UART 串行口讀取數(shù)據(jù)。

numBytes是接收的字節(jié)數(shù)；buffer是所發(fā)送數(shù)據(jù)的地址指針；actualNumBytes是實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)。

3.2 FT311D串口通信代碼示例

基于上述API函數(shù)，示例代碼主要包括FT311D串行口配置、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

上述示例顯示，基于FT311D接口芯片，面向Android移動設(shè)備的USB轉(zhuǎn)外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI接口功能方案，具有硬件連接簡單、軟件開發(fā)方便易行的特點(diǎn)。

結(jié) 語

FT311D芯片通過USB轉(zhuǎn)多種物理接口的方式拓展Android移動設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)一步增強(qiáng)Android移動系統(tǒng)與外部物理世界的信息交互能力。同時FT311D 硬件成本較低，開發(fā)方便，無需安裝USB 驅(qū)動，全面兼容USB2.0接口，不需要進(jìn)行軟件移植，同時不受Android操作系統(tǒng)升級的影響，因此以FT311D 為核心的Android移動系統(tǒng)硬件接口拓展解決方案是值得推廣應(yīng)用的。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

［1］Z Wang，A Stavrou.Exploiting smart-phone usb connectivity for fun and profit［C］／／Proceedings of the Annual Computer Security and Applications Conference（ACSAC），2010.

［2］Cheng-Min Lin，Kuo-Chen Lang，Yi-Lun Chu，et al.An Implementation for Connecting Android Powered Device to External World［C］／／The 2nd International Conference on Innovations in Bio-inspired Computing and Applications，2011：303-305.

［3］FT311D［EB／OL］.［2013-09］.http：／／www.ftdichip.com／Products／ICs／FT311D.html.

［4］FT311D Datasheet［EB／OL］.［2013-09］.http：／／www.ftdichip.com／Support／Documents／DataSheets／ICs／DS＿FT311D.pdf.

［5］L C Png.A fully integrated audio，video，and data VLC transceiver system for smartphones and tablets［C］／／IEEE International Symposium on Consumer Electronics（ISCE 2013），2013：249-251.