基于 Android 平臺的 USB 數據采集系統

出處：tjsheep 發(fā)布于：2012-08-30 09:53:14

　　摘要：介紹了一種新型的Android平臺的數據采集系統，并實現了與LPC2142 之間的USB 通信設計。描述了Android USB 應用程序的完整開發(fā)過程，并在此基礎上實現了Android手機和AMR平臺之間的USB 通信，是基于開源移動終端Android的應用程序的開發(fā)。該設計前端采用LPC2142 的A \D 接口采集數據并通過USB 數據線發(fā)送到后端設備。后端采用Android3 . 1 平板電腦的USB 通信接口接收數據，并在Android平板設備上顯示波形。該設計實用，新穎，具有廣闊的應用前景。

　　關鍵詞：Android；USB ；應用開發(fā)；LPC2142 ；數據采集

　　Abstract ：This paper introduced a new data collection system based on android platform, and achieved USB communication between Android and LPC2142 . It describes the development process of the android USB application, and on the basis implements USB communication between Android system and AMR platform . It is the latest application development based on revenue of mobile terminal Android. The front-end uses LPC2142 A/D interface to collect d ata and sent it to back-end through USB data wire . The back-end use the USB interface which is based on Android 3. 1 platform to receive data and show the wave on the Android Tablet PC. So this design has wide application prospect.

　　Key words：Android; USB; a pplication development; LPC2142; data collection

　　隨著科技的發(fā)展, 嵌入式及移動互聯網的應用越來越廣泛，二者以其自身的優(yōu)勢在各自領域都占有一席之地。目前基于Android操作系統的手機進行移動應用開發(fā)非常火熱，Android以其源代碼開放，硬件選擇豐富，無縫結合google 等特點，自發(fā)布以來 Android 立刻受到了業(yè)界的廣泛關注。而嵌入式ARM7 微處理器LPC2142具有較高的集成度和高性價比, 很適合于數據采集系統設計。因此，了解Android平臺的組成、系統架構API和應用程序框架，并掌握該平臺移動應用的開發(fā)方法將為從事移動互聯網開發(fā)的企業(yè)和個人帶來非常廣闊的前景。

　　Google 對Android平臺的SDK更新很快，目前已發(fā)布的平板Android 3.1(API level 12)及以上版本實現了對USB 外設模式和主機模式的支持，并遵循USB2. 0 通訊協議。本文結合兩者的突出優(yōu)點設計了一種新型數據采集系統，以下將詳細闡述Android 3. 1平臺下的USB 應用程序開發(fā)的完整過程，以及與LPC2142之間的USB 通信功能。

　　1 Android USB應用程序開發(fā)

　　1 . 1 Android 開發(fā)框架

　　Android系統架構由5部分組成，分別是：Linux Kernel 、Android Runtime、Libraries 、Application Frame-work、Applications。

　　Android開發(fā)主要有三種類型( 如圖1 所示) ：

　　移植開發(fā)和電話系統;

　　Android應用程序開發(fā);

　　Android系統開發(fā);

　　本文中的Android應用程序的開發(fā)是在Android系統第三個層次(Java 框架) 和第四個層次(Java 應用)之間的接口之上開發(fā)出來的。

圖1 Android開發(fā)詳解

　　1 . 2 Android USB 接口

　　Android支持各種USB 外圍設備，通過兩種模式來支持Android USB外設( 實現了Android外設協議的硬件) ：USB 外設模式和USB 主機模式。Android將在新的平板電腦版Honeycomb 3 . 1 和智能手機版Gingerbread 2. 3 .4 中首次支持USB 外設模式，該支持包括一種新的Open Accessory API，含有谷歌提供的一個USB 支持庫。而在Android3 . 1 及以上版本才支持主機模式。Android從機設備只能和Android主機設備連接，而主機模式可以連接其他USB 設備，故本設計采用Android3 . 1主機模式連接LPC2142USB 接口。當Android設備處于主機模式時，它扮演USB主機角色并為總線供電。如圖2 所示。

　　Android3 .1(API 12)更新的API為Android開發(fā)者提供了應用程序開發(fā)直接可用的USB A PI ，這個USB類是在android.Hardware. usb 包下，具體介紹如下：

圖2 USB 主機模式

　　UsbAccessory 本類是針對Open Accessory API設計的。UsbConstants作為USB 常量定義，在Linux內核文件linux/usb/ch9 . h中。UsbDevice獲取USB設備的信息，比如說類型、制造商等等。

　　UsbDeviceConnection 這個是USB 設備傳輸控制的。UsbEndpoint 獲取一個USB 終端信息。UsbInt erface USB 底層接口，獲取一些信息底層信息，比如說通訊協議，等等。UsbManager USB管理類，它提供了識別和使用的USB 設備和USB 配件通訊方法。應用程序可以獲取一個UsbManager實例，然后用于連接的設備或配件清單查詢，管理、通信。UsbRequest 的USB請求處理類，支持讀寫操作，以字節(jié)數組方式處理一個 UsbEndpoint，

　　Android12.3提示這個類類似WinCE串口通訊的CreateFile部分，可以進行數據流的讀寫。

　　1.3 Android 應用程序組件

　　Android應用程序由松散耦合的組件組成。各個應用是相互獨立的，并運行在自己的進程當中，要進行Android的移動應用程序的開發(fā)，開發(fā)人員需要熟悉以下幾個基本組件：

　　Activity(活動) 應用程序中每個屏幕都是Activity類的擴展，活動使用視圖來形成顯示信息和響應用戶動作的圖形界面。Broadcast Receiver(廣播接收器) 通過創(chuàng)建和注冊廣播接收器，應用程序可以監(jiān)聽到那些匹配特定的過濾標準的廣播。Intent( 意圖) 應用程序間傳遞消息的框架。View 是Android中圖形用戶界面的基類，提供可視化界面的展示。

　　1 . 4 Android 應用程序設計

　　Android應用程序開發(fā)是由Java語言實現的，具體是由Google為開發(fā)者提供的一些類和接口組成。本設計主要用到USB 類、數據存儲SQLiteDatabase類、視圖顯示SurfaceView 類以及一些Android 小組件類等。程序設計框架如圖3。

圖3 Android 程序框架

　　該設計共創(chuàng)建五個Activity來實現人機交互界面，使用戶操作起來方便快捷。MainMenuActivity 是主界面，由這一界面可以進入以下三個界面：USBconnect Activity是USB 連接界面，在這個類里實現設置要連接的USB 的端口參數，查找并發(fā)現USB 設備，按條件枚舉USB 設備，得到連接設備的權限，連接USB設備，終止已連接的USB 設備等功能，如USB 設備連接成功則進入下一界面；USBMonitorActivity 是接收USB 數據的界面，USB 連接成功后，開始接收數據，并把已接收的數據以文件形式存入 SD 卡中;FileListActivity 是顯示已存入SD卡所有文件的列表界面，單擊文件進入顯示波形界面。除了Acti vity ，該程序還注冊了BroadcastReceiver( 廣播消息) 來接收系統USB 連接消息的通知。同時各個Activity之間的通信是由Intent 實現的，界面的一些按鈕、布局等是由View實現的。

　　2 LPC2142 前端采集平臺設計

　　本設計前端采用ARM7處理器LPC2142作為硬件開發(fā)平臺，LPC2142是PHILIPS公司生產的基于支持仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI-S內核的CPU ，帶有64kB的高速Flash存儲器和16kB 的RAM,工作頻率能夠高達60M Hz。同時集成了A/D 、定時器、串口等資源, 與LPC2132 相比突出的特點就是內置了USB2.0 Device( 全速) 控制器。該芯片內部資源比較豐富, 特別適用于工業(yè)控制等嵌人式系統。該設計總體框圖如圖4 所示。

圖4 系統總體框架

　　2 . 1 A/D 采集接口

　　LPC2142 包含2個模-數轉換器，提供6/14 路模擬輸入，每個通道的轉換時間低至2.44vs 。具體特性如下：

　　10位逐次逼近模數轉換器6 或8 個管腳復用為輸入腳測量范圍：0~3 . 3V單路或多路輸入的突發(fā)轉換模式可選擇由輸入跳變或定時器匹配信號觸發(fā)轉換2個轉換器全部啟動命令A/D 轉換器的基本時鐘由VPB 時鐘提供，每個轉換器包含一個可編程分頻器，可將時鐘調整至逐步逼近轉換所需的4 . 5MHz 。

　　2 . 2 LPC2142與USB 模塊接口

　　LPC2142 微控制器內部帶有一個USB 設備控制器，該控制器支持32個固定配置的物理端點，并完全兼容USB2. 0 全速規(guī)范。該控制器嵌于CPU 芯片內部，這樣的集成方式不僅使 USB 設備控制器與 CPU 之間的數據交換可以穩(wěn)定地達到很高的速度，而且提高了芯片的性價比。USB 接口電路如圖 5. LPC2142 的P0.27和P0.26 引腳的第二功能控制 USB 數據的傳輸。Android USB 主機與LPC2142 USB設備之間的通信完全遵循USB2. 0 全速規(guī)范，根據規(guī)范建立USB 連接的命令流程如圖6 。

圖5 USB 接口電路

圖6 USB 通信命令

　　2 . 3 應用

　　該系統能夠成功實現Android3.1平板與LPC2142之間的USB 數據通信，傳輸速率完全滿足USB2. 0 全速規(guī)范。與傳統數據采集系統相比更具優(yōu)越性，既擁有Android完美的人機交互界面，又兼具LPC2142USB高速采集的優(yōu)點，具有很強的實用性。為測試該系統運行正常，利用LPC2142發(fā)送一組來自麻省理工的心電數據進行測試，為配合Android支持的USB 傳輸模式，LPC2142 USB按批量傳輸方式，可傳送包長度為64字節(jié)，Android平板也采用批量傳輸方式,設置的接收時間與LPC2142 的發(fā)送時間一致，接收函數是bulkTransfer (UsbEndpoint endpoint，byte[] buffer，int length ，int timeout) 。為說明測試結果，將接收的數據以文件形式存入數據庫與原數據進行對比正確，說明測試結果非常標準，測試波形如圖7 所示。

圖7 心電信號波形圖

　　3 結語

　　本文介紹了Android平臺的系統構成以及基于Android平臺平板電腦USB 應用程序的開發(fā)和設計，并將這一應用與AMR 平臺緊密結合開發(fā)出一種新型數據采集系統，即基于Android平臺和AMR平臺相結合的USB 數據采集系統?？梢钥闯?，Android平板電腦在應用程序開發(fā)上已與PC相媲美，而ARM7 處理器LPC2142 具有USB 通用串行總線接口，可以進行高速數據采集的處理，該平臺具有良好的實用性, 可應用于需要實時高測量電參數的領域，而且方便快捷。相信未來隨著 Android 技術的不斷發(fā)展平板電腦應用程序會越來越豐富，應用領域會越來越廣。