張佳進(jìn)，陳立暢，楊曉東，唐君君

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

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的人開始使用智能手機(jī)，其中Android智能手機(jī)市場(chǎng)占有率高達(dá)60%以上。除了基本的通話功能以外，智能手機(jī)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中新型的終端節(jié)點(diǎn)。

現(xiàn)在Android手機(jī)主要集成了Wifi、藍(lán)牙通信接口，它們具有傳輸速率高、通用性好等優(yōu)點(diǎn)。但是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，由于成本、功耗、硬件資源等因素的限制，許多傳感器、控制設(shè)備往往采用傳統(tǒng)的串行通信技術(shù)，例如UART、I2C、SPI等串行模式。然而當(dāng)前Android手機(jī)往往缺乏這些硬件接口，因此導(dǎo)致Android手機(jī)和傳統(tǒng)串行設(shè)備之間的通信比較困難[1]。

串口調(diào)試助手是專門用于測(cè)試串口通信使用的工具。串口調(diào)試助手具備了方便、穩(wěn)定、交互性強(qiáng)的特點(diǎn)，給嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員帶來(lái)了極大的便利。但是由于上述原因，目前在Android手機(jī)領(lǐng)域還沒(méi)有面向嵌入式系統(tǒng)的串口調(diào)試工具。

為了描述的方便，可以把UART串行通信接口抽象成一個(gè)傳感器系統(tǒng)。目前很多Android智能手機(jī)廠商將傳感器的軟硬件開發(fā)工作視為手機(jī)研發(fā)過(guò)程中一個(gè)非常重要的組成部分。但有趣的是到目前為止，Google公司在Android系統(tǒng)的Java框架層僅僅只提供了對(duì)常見的八種類型傳感器的支持，沒(méi)有規(guī)定各個(gè)類型的傳感器需遵循的通信協(xié)議和設(shè)備參數(shù)。

而在Android智能手機(jī)的研發(fā)過(guò)程中，傳感器底層軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作的流程、傳感器驅(qū)動(dòng)程序與上層應(yīng)用進(jìn)行交互的接口方式均無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和解決方案，這就要求傳感器底層軟件設(shè)計(jì)開發(fā)人員根據(jù)項(xiàng)目所使用的傳感器的硬件特點(diǎn)，以及其對(duì)于 Android架構(gòu)和Linux內(nèi)核的熟悉程度，設(shè)計(jì)出一套最適合自己特定環(huán)境下傳感器底層驅(qū)動(dòng)程序，這很大程度加大了智能手機(jī)傳感器的軟件開發(fā)難度[2-3]。

IOIO模塊是國(guó)際著名開源公司SparkFun出品的一款專門為Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用型I/O擴(kuò)展及控制模塊。該硬件模塊通過(guò)USB接口與Android手機(jī)相連，高度集成了多路數(shù)字I/O端口、I2C，SPI及UART串行控制器等功能組件，只需通過(guò)簡(jiǎn)單、直觀的Java API即可直接操作外部硬件I/O，不需要額外的嵌入式軟件編程和其它硬件設(shè)備，使用方便靈活，開發(fā)便捷。目前眾多國(guó)際著名品牌的Android手機(jī)和平板電腦都兼容支持IOIO模塊，例如谷歌、三星、索尼等[4-5]。

鑒于以上因素，文中采用國(guó)際開源的IOIO模塊實(shí)現(xiàn)android手機(jī)的UART串行通信硬件接口，它能直接支持TTL串行通信，同時(shí)基于IOIO提供的IOIOLib庫(kù)，使用Java語(yǔ)言，在Android手機(jī)上開發(fā)串口通信調(diào)試助手軟件。

1 IOIO硬件結(jié)構(gòu)

IOIO硬件模塊主要采用了低功耗的PIC24FJ256DA206單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，電路板上集成了多路UART、I2C、GPIO等多個(gè)功能接口部件。對(duì)于UART串行口的管腳定義見圖1所示。

圖1 IOIO模塊硬件實(shí)物圖Fig.1 Picture of IOIOhardware module

表1 IOIO串口UART管腳定義Tab.1 Pins of UART in IOIO

如上表1所示，一個(gè)IOIO模塊可以同時(shí)支持多達(dá)4個(gè)串口UART，能滿足復(fù)雜的串口通信系統(tǒng)應(yīng)用。

2 串口調(diào)試助手軟件開發(fā)環(huán)境要求

基于android手機(jī)和IOIO硬件接口，串口調(diào)試助手采用Java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，其開發(fā)環(huán)境配置及所需組件如表2所示[6-7]。

表2 串口調(diào)試助手開發(fā)環(huán)境要求Tab.2 Development environment required for Serial UART debugging assistant

3 串口調(diào)試助手軟件的實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件系統(tǒng)的組成

與PC端的傳統(tǒng)串口調(diào)試助手類似，Android手機(jī)環(huán)境下的串口調(diào)試助手軟件功能主要包括接收和發(fā)送兩個(gè)模塊，詳見圖2。其中接收模塊支持以十六進(jìn)制或ASCII字符格式接收數(shù)據(jù)。發(fā)送模塊具備手動(dòng)發(fā)送和自動(dòng)定時(shí)發(fā)送功能，同樣也支持十六進(jìn)制或ASCII字符格式數(shù)據(jù)的發(fā)送。如圖3所示，在軟件接收區(qū)旁有“hex-re”和“hex-se”復(fù)選框，前者打鉤則表明以十六進(jìn)制的方式接收，否則以ASCII字符方式接收數(shù)據(jù)。同理，“hex-se”則定義了以十六進(jìn)制或ASCII字符方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法

圖2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of the software test system

圖3 系統(tǒng)軟件界面Fig.3 Interface chart of the test system

IOIO模塊在IOIOLib庫(kù)中提供了豐富的API接口，在本系統(tǒng)中主要采用了Uart接口函數(shù)。為了提高系統(tǒng)吞吐率，有效利用系統(tǒng)資源，改善用戶任務(wù)之間的通信效率，本軟件采用Java多線程技術(shù)。限于篇幅，本文只對(duì)其中的核心接口函數(shù)和類進(jìn)行介紹。

1） 串口初始化 IOIO.openUart（）

實(shí) 例 ：Uart uart=ioio.openUart （rxPin， txPin， baud，parity， stopBits）；

其中“rxPin”與“txPin”分別代表接收管腳和發(fā)送管腳所對(duì)應(yīng)的序號(hào)；“baud”代表的是波特率；“parity”為奇偶校驗(yàn)位；“stopBits”是停止位數(shù)的定義。

例如 Uart uart=ioio.openUart（9， 14， 9 600， 0，1），該命令行表示打開一個(gè)串行口，9號(hào)管腳為接收端，發(fā)送端為14號(hào)管腳，9 600波特率，無(wú)校驗(yàn)位，1位停止位。

2）數(shù)據(jù)接收與發(fā)送

IOIO提供了uart.getInputStream數(shù)據(jù)接收和uart.getOutputStream數(shù)據(jù)發(fā)送接口API函數(shù)。

另外采用了Java標(biāo)準(zhǔn)的InputStream類和OutputStream類。InputStream是所有輸入數(shù)據(jù)流的父類，它是一個(gè)抽象類，定義了所有輸入數(shù)據(jù)流都具有的共通特性，用于輸入單個(gè)字節(jié)或者字節(jié)數(shù)組。而OutputStream衍生的所有類都擁有基本方法write（），用于輸出單個(gè)字節(jié)或者字節(jié)數(shù)組。示例代碼如下：

InputStream in=uart.getInputStream（）；’讀入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)

OutputStream out=uart.getOutputStream（）； ‘發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)

3）關(guān)閉串行口

當(dāng)完成串行口的發(fā)送或接收工作后，退出軟件前需要使用uart.close（）函數(shù)對(duì)其進(jìn)行正確關(guān)閉。

4 串口調(diào)試助手軟件的實(shí)際測(cè)試

4.1 系統(tǒng)硬件連接

在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，筆記本電腦端使用了串口調(diào)試助手軟件串口調(diào)試助手SComAssistant；三星N7100 Android手機(jī)作為測(cè)試用樣機(jī)，其微型USB接口通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到IOIO模塊，而IOIO模塊通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL（UART）數(shù)據(jù)線和筆記本電腦進(jìn)行串行通信，詳見圖4。

圖4 Android手機(jī)與筆記本電腦間的串行通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Serial communication between android phone and laptop

4.2 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重點(diǎn)是串行口的初始化設(shè)置、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

4.2.1 串行口的初始化設(shè)置

主要內(nèi)容包括發(fā)送和接收端管腳定義、波特率、校驗(yàn)位和停止位的設(shè)置。

4.2.2 數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送

從圖5中，手機(jī)端串口調(diào)試助手自動(dòng)定時(shí)向筆記本電腦發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)“fd”，而電腦端向手機(jī)發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)“ac”，從實(shí)驗(yàn)截圖上明顯可以看出，通過(guò)IOIO模塊上的UART串行口，筆記本電腦和Android手機(jī)間的串行通信穩(wěn)定可靠。

經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的測(cè)試與實(shí)驗(yàn)表明，以IOIO模塊為核心，基于Android手機(jī)串口調(diào)試助手軟件通信正常，尚未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤現(xiàn)象，完全能滿足嵌入式系統(tǒng)串口調(diào)試的實(shí)際需要。

5 結(jié) 論

本中討論了以IOIO模塊為核心，基于Android手機(jī)平臺(tái)，采用Java多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)串口調(diào)試助手軟件。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單易行，通信穩(wěn)定可靠，通用性好，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖5 串行口數(shù)據(jù)接收和發(fā)送實(shí)驗(yàn)Fig.5 Experiment of RX and TX between serial UARTs

另外IOIO是一個(gè)開放的人機(jī)交互平臺(tái)，給Android手機(jī)提供了豐富的I/O接口資源，包含了UART、I2C、SPI等模式，能拓展Android手機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展與延伸，相信在android手機(jī)或平板電腦上可以提供更多的個(gè)性化創(chuàng)意體驗(yàn)。

[1]張佳進(jìn)，陳立暢，唐秀英，等.IOIO在Android手機(jī)中的應(yīng)用與研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13（2）:42-44.ZHANG Jia-jin，CHEN Li-chang，TANG Xiu-ying，et al.Research and application of IOIO in android phone[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2013，13（2）:42-44.

[2]SparkFun Electronics.IOIO for Android[EB/OL].[20-07-2013].https://www.sparkfun.com/products/10748.

[3]GitHub.Supported Devices[EB/OL].[20-07-2013].https://github.com/ytai/ioio/wiki/Supported-Devices.

[4]Chaudhri R，Brunette W，Goel M，et al.Open data kit sensors:mobile data collection with wired and wireless sensors [C]//In Proc.Of the 2nd ACM Symposium on Computing for Development， MIT，USA，March 2012:1-10.

[5]LIN Cheng-min，LANG Kuo-chen，CHU 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（BICA 2011）， Shenzhen， Guangdong， China， December 2011:303-325.

[6]韓超，梁泉.Android系統(tǒng)原理及開發(fā)要點(diǎn)詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010.

[7]陳宏希，鄒益民.用Matlabcontrol實(shí)現(xiàn)Java與Matlab的混合編程[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2012（3）：27-30.CHEN Hong-xi，ZOU Yi-min.Implementation of the hybrid programming with Java and matlab based on matlabcontrol[J].Industrial Instrumentation&Automation，2012（3）：27-30.