王明輝，雷衛(wèi)延，黃海，譚晗凌

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510640）

在自動氣象觀測領(lǐng)域，有大量觀測設(shè)備和通信設(shè)施通過串口配置參數(shù)或輸出氣象報(bào)文，需要借助電腦才能準(zhǔn)確檢查串口通信是否正常［1-3］。由于筆記本電腦配備成本高、攜帶不方便，因此，很多維保人員在維修現(xiàn)場無電腦可用，對串口通信故障束手無策，難以準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。

Android是Google公司主導(dǎo)開發(fā)的一種基于Linux的開源操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于通信、物流、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，基于Android系統(tǒng)的智能手機(jī)在全球智能手機(jī)市場占有率已經(jīng)超過Apple公司搭載ios系統(tǒng)的iphone，排名第1。近年來，氣象行業(yè)已經(jīng)基于Android智能手機(jī)開展了一些應(yīng)用，顯著地提高了效率［4-9］。本研究基于Android手機(jī)的USB-OTG功能研發(fā)了一套便攜的串口通信套件，實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)APP與氣象觀測設(shè)備串口雙向通信，使維保人員在維修現(xiàn)場能夠通過Android手機(jī)方便、高效、準(zhǔn)確地檢查設(shè)備的串口工況，具有很高的業(yè)務(wù)應(yīng)用價值。

1 套件架構(gòu)

套件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 套件架構(gòu)示意圖

USB協(xié)議是一種用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)方便連接的數(shù)據(jù)總線，建立連接的2個USB設(shè)備分為主設(shè)備 host和從設(shè)備 device（又稱 slave），僅當(dāng)host與device連接時才能傳輸數(shù)據(jù)。OTG是對USB 2.0協(xié)議的補(bǔ)充，其最重要的擴(kuò)展是更節(jié)能的電源管理和允許設(shè)備以host和device兩種形式工作［10-12］。目前絕大部分Android手機(jī)支持OTG協(xié)議，當(dāng)該種手機(jī)通過USB連接電腦時，電腦為host，手機(jī)為device。在本方案中，串口通信套件包含硬件轉(zhuǎn)換模塊和運(yùn)行在Android手機(jī)上的APP軟件，Android手機(jī)工作形式為host，硬件轉(zhuǎn)換模塊為device。轉(zhuǎn)換模塊擁有一個Micro-USB接口和一個RS232串口，當(dāng)模塊的Micro-USB接口與Android手機(jī)相連時，APP軟件自動啟動，再將RS232串口與自動氣象站等設(shè)備的串口連接，即可建立手機(jī)到設(shè)備的RS232串口通信。

2 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

2.1 功能性設(shè)計(jì)

常用的 USB轉(zhuǎn)串口芯片有 CH340、FT232、PL2303等系列［13-15］，這些芯片的最新版本多已加入對 Android系統(tǒng)的支持。PL2303HXD是Prolific公司PL2303系列第5代USB轉(zhuǎn)TTL電平串口芯片，支持Android系統(tǒng)，因性價比最高而廣泛商用。該芯片自帶12 MHz晶振，支持75～12 Mbp波特率，完全滿足自動氣象觀測設(shè)備常采用的1 200、9 600波特率。芯片支持以5、6、7、8位數(shù)據(jù)位和1、2位停止位收發(fā)，校驗(yàn)方式可選奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)，滿足自動氣象觀測設(shè)備常用的串口配置，如7位數(shù)據(jù)位、1位停止位、偶校驗(yàn)，或8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)。芯片具有可配置的512 Byte雙向數(shù)據(jù)緩沖器，本套件將輸入和輸出緩沖區(qū)分別配置為256 Byte，通過編程循環(huán)讀取、寫入緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)串口讀取、發(fā)送。由于自動氣象站等設(shè)備的串口為RS232電平，在與PL2303HXD通信時還需要做RS232-TTL電平的轉(zhuǎn)換。該套件采用了 NI公司的MAX202芯片與PL2303HXD配合，實(shí)現(xiàn)RS232電平和TTL電平的相互轉(zhuǎn)換。硬件轉(zhuǎn)換模塊在物理上實(shí)現(xiàn)了USB-RS232信號轉(zhuǎn)換。

2.2 電路設(shè)計(jì)

硬件轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)通過Micro-USB型接口與手機(jī)建立OTG連接，該接口為5線制，依次定義為 VBUS、DM、DP、ID、GND。PL2303HXD和MAX202芯片工作電壓均為+5 V，典型電流分別為20和8 mA，滿足手機(jī)OTG接口的帶負(fù)載能力，故設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換模塊通過VBUS、GND從手機(jī)的Micro-USB接口獲取+5 V供電。為防止芯片經(jīng)電源線從手機(jī)引入干擾，或轉(zhuǎn)換模塊傳輸數(shù)據(jù)時產(chǎn)生高頻信號通過電源線傳入手機(jī)，在VBUS、GND傳輸線上各設(shè)計(jì)一個80μH的電感抑制高頻信號。根據(jù)OTG協(xié)議，手機(jī)USB端口內(nèi)部ID線上拉，默認(rèn)工作在device狀態(tài)。轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)ID線與GND短接，與手機(jī)連接后將手機(jī)USB端口的ID線下拉，使手機(jī)進(jìn)入host狀態(tài)。

DM、DP是一對傳輸數(shù)據(jù)的差分信號線，在手機(jī)USB端口內(nèi)部，DM和DP各連接一個15 kΩ的下拉電阻，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換模塊的DP接口連接一個1.5 kΩ的上拉電阻，兩者連接時手機(jī)的DP電平被拉高，從而將 PL2303HXD識別為全速USB。為防止數(shù)據(jù)傳輸過程中的高速信號在端口附近產(chǎn)生反射，模塊在盡量靠近PL2303HXD芯片的DM和DP上各串聯(lián)一個22Ω的匹配電阻。在數(shù)據(jù)傳輸時，芯片U1、U2間TTL電平的TXD、RXD信號線會發(fā)生高速的高低電平翻轉(zhuǎn)，模塊在VBUS和TXD、RXD之間設(shè)計(jì)了LED用于顯示數(shù)據(jù)傳輸情況。當(dāng)TXD、RXD信號線為低電平時，利用1 kΩ的限流電阻使得通過LED的電流＜3 mA，LED導(dǎo)通發(fā)光。轉(zhuǎn)換模塊核心電路如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)換模塊核心電路示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)的OTG通信，需要開發(fā)與轉(zhuǎn)換模塊匹配的APP軟件。PL2303HXD芯片原廠提供了JAR驅(qū)動庫，支持系統(tǒng)版本3.2（API Level 13）以上的Android手機(jī)，不需要root即可實(shí)現(xiàn)OTG通信。本研究搭建了Eclipse+ADT+Android SDK開發(fā)環(huán)境，基于JAVA語言和驅(qū)動庫pl2303multilib.jar開發(fā)了APP軟件，軟件可運(yùn)行在Android 3.2及以上版本的Android手機(jī)上。軟件測試平臺為魅族牌Android手機(jī)，Android版本7.1.2。

軟件設(shè)計(jì)為單Activity窗體，包含串口參數(shù)設(shè)置、串口讀取顯示、串口發(fā)送3個功能區(qū)，如圖3所示。串口參數(shù)包括波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位，均采用Spinner控件進(jìn)行選擇。Android手機(jī)檢測到轉(zhuǎn)換模塊插入后自動啟動軟件，設(shè)置串口參數(shù)后點(diǎn)擊“打開”Button打開串口，軟件自動讀取串口信息并顯示在TextView控件中，當(dāng)收到下一條信息時自動刷新顯示。發(fā)送時，將待發(fā)送信息輸入EditText控件，點(diǎn)擊“發(fā)送”Button實(shí)現(xiàn)信息發(fā)送。

圖3 APP軟件界面

3.1 打開串口

軟件打開是Activity窗體進(jìn)入Running狀態(tài)的過程，Activity需要依次經(jīng)過onCreate（）--＞onStart（）--＞onResume（）3個生命周期。在onCreate（）方法中對窗體界面進(jìn)行渲染，將控件初始化并設(shè)置事件監(jiān)聽，一旦觸發(fā)則執(zhí)行相應(yīng)方法。在Spinner控件初始化時設(shè)置選擇條目監(jiān)聽setOnItemSelectedListener，當(dāng)選擇串口參數(shù)時，觸發(fā)執(zhí)行MyOnItemSelectedListener類的onItem-Selected（）方法，實(shí)現(xiàn)串口參數(shù)修改。

／／渲染窗體

setContentView（R.layout.activity_main）；／／波特率選擇控件初始化

spBaudRate1＝（Spinner）findViewById（R.id.DevSpinner1）；

ArrayAdapter＜CharSequence＞adapter＝ArrayAdapter.createFromResource（this，R.array.BaudRateList，android.R.layout.simple_spinner_item）；

adapter.setDropDownViewResource（android.R.layout.simple_spinner_dropdown_item）；

spBaudRate1.setAdapter（adapter）；

spBaudRate1.setOnItemSelectedListener（new MyOnItemSelectedListener（））；

APP軟件的串口參數(shù)缺省設(shè)置為9 600、N、8、1。以波特率為例，9 600在Spinner下拉列表中排序第5，在初始化時，需通過setSelection（）方法將第5項(xiàng)設(shè)置為缺省。

／／缺省波特率設(shè)置為9 600

spBaudRate1.setSelection（5）；

spBaudRate1.setEnabled（false）；

在 Button、CheckBox、EditText等控件初始化時，設(shè)置點(diǎn)擊事件監(jiān)聽setOnClickListener。在點(diǎn)擊“打開”Button時，觸發(fā)執(zhí)行 OpenUARTDevice（）方法。

／／設(shè)置“打開”Button的點(diǎn)擊事件監(jiān)聽

btOpen1 ＝ （Button）findViewById（R.id.OpenButton1）；

btOpen1.setOnClickListener（new Button.On-ClickListener（）｛

public void onClick（View v）｛

OpenUARTDevice（DeviceIndex1）；

｝

｝）；

在OpenUARTDevice（）方法中，根據(jù)onItem-Selected（）方法設(shè)置的串口參數(shù)或缺省串口參數(shù)打開串口，其中boolean型返回值res如為true，表明串口打開成功。

／／按照預(yù)設(shè)串口參數(shù)打開串口

res＝mSerialMulti.PL2303OpenDevByUARTSetting （index， info.mBaudrate，info.mDataBits，info.mStopBits，info.mParity，info.mFlowControl）；

在串口打開后，依然可以在onItemSelected（）方法中修改串口參數(shù)，并重新建立串口連接。

／／重設(shè)串口參數(shù)

res＝mSerialMulti.PL2303SetupCOMPort（iSelected，info.mBaudrate，info.mDataBits，info.mStopBits，info.mParity，info.mFlowControl）；

3.2 串口讀取

APP軟件在讀取串口信息時，并不知道信息何時發(fā)送，也不知道信息的長度，需要定時檢查是否有信息傳來。本研究建立了一個單獨(dú)的串口讀取子線程，在子線程中持續(xù)訪問PL2303HXD芯片輸出緩沖區(qū)，以便在溢出或覆蓋前及時將串口發(fā)來的信息取出，流程如圖4所示。

圖4 串口讀取流程示意圖

利用Runnable接口創(chuàng)建子線程是Android系統(tǒng)中常用的技術(shù)，通過重寫其run（）方法來實(shí)現(xiàn)程序功能。本研究基于此建立了串口讀取子線程ReadLoop1，在其run（）方法中通過for循環(huán)不斷讀取串口輸出緩沖區(qū)。子線程在主線程中通過Thread實(shí)例創(chuàng)建并運(yùn)行，直至軟件退出才結(jié)束。

／／啟動串口讀取子線程

new Thread（ReadLoop1）.start（）；

……

／／子線程的實(shí)現(xiàn)

private Runnable ReadLoop1＝new Runnable（）｛

public void run（）｛

for（；；）｛

／／延時 50ms

DelayTime（50）；

……

｝

｝

｝；

驅(qū)動庫pl2303multilib.jar提供了串口的讀取方法PL2303Read（），本研究在每個for循環(huán)中讀取一次輸出緩沖區(qū)，讀取的信息保存在字節(jié)型數(shù)組ReadBuf1中，int型返回值ReadLen1為本次讀取信息的長度。緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)為Byte格式，讀出后轉(zhuǎn)換為字符串并追加到ReadBufOrig中，多次讀取的數(shù)據(jù)長度累加為ReadLen。for循環(huán)需要在PL2303HXD芯片輸出緩沖區(qū)寫滿之前將數(shù)據(jù)讀出，并將緩沖區(qū)清空，以便后續(xù)信息從緩沖區(qū)的開始位置繼續(xù)寫入。在for循環(huán)中檢測到某次讀取為空時，表明一次數(shù)據(jù)傳輸完畢，整條數(shù)據(jù)已完全存放于字符串ReadBufOrig中，總長度為ReadLen。

／／讀取PL2303HXD芯片輸出緩沖區(qū)

ReadLen1＝mSerialMulti.PL2303Read（DeviceIndex1，ReadBuf1）；

for（int j＝0；j＜ReadLen1；j++）｛

sbHex.append（（char） （ReadBuf1［j］＆0x000000FF））；

｝

ReadBufOrig＝ReadBufOrig+sbHex.toString（）；

ReadLen+＝ReadLen1；

在Android系統(tǒng)中，主線程只負(fù)責(zé)初始化和界面顯示等任務(wù)，費(fèi)時的操作全部放到子線程執(zhí)行，在子線程完成運(yùn)算需要顯示時，必須將要顯示的信息傳遞給主線程，通過主線程完成顯示。一次數(shù)據(jù)傳輸完畢后，需要將讀取到的信息顯示到軟件窗體的TextView控件上。本研究利用Handler.post（Runnable）方法將讀取完整的字符串格式信息傳遞到主線程，在主線程更新Text-View顯示控件tvRead1，實(shí)現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)的顯示。在接收到下一條串口信息時，tvRead1刷新顯示新接收的信息。DZZ1-2新型自動氣象站在開機(jī)時通過串口輸出一系列中文編碼的系統(tǒng)說明［16］，為兼容顯示，字符串在顯示前轉(zhuǎn)換為GBK字符集編碼。

／／在主線程中創(chuàng)建Handler

HandlermHandler1＝new Handler（）；……

／／在子線程中通過 Handler.post（Runnable）方法更新主線程UI

mHandler1.post（new Runnable（）｛public void run（）｛

／／轉(zhuǎn)換為GBK字符集編碼ReadBuf＝new String（ReadBufOrig.getBytes（“ISO-8859-1”），“GBK”）；

／／更新 TextView顯示

tvRead1.setText（ReadBuf）；

……｝

｝）；

3.3 串口發(fā)送

軟件的串口發(fā)送功能需要人工輸入待發(fā)送內(nèi)容，通過點(diǎn)擊“發(fā)送”按鍵完成串口發(fā)送。程序初始化時對串口“發(fā)送”Button控件設(shè)置了點(diǎn)擊事件監(jiān)聽 setOnClickListener，重寫其 WriteT-oUARTDevice（）方法，利用驅(qū)動庫pl2303multilib.jar提供的串口發(fā)送方法PL2303Write（）將要發(fā)送的信息按字節(jié)寫入PL2303HXD芯片輸入緩沖區(qū)，通過串口發(fā)送出去。由于要發(fā)送的信息長度可能超過輸入緩沖區(qū)容量，本研究將待發(fā)送信息打斷，逐64 Byte發(fā)送，剩余長度不足64 Byte時則一次性發(fā)送。

while（strWrite.length（）／64！ ＝0）｛

String tmp＝new String（strWrite.substring（0，64））；

／／串口逐64 Byte發(fā)送

res ＝ mSerialMulti.PL2303Write（index，tmp.getBytes（“GBK”））；

strWrite＝strWrite.substring（64）；

DelayTime（50）；

｝

／／不足64 Byte則一次性發(fā)送

res＝mSerialMulti.PL2303Write（index，str-Write.getBytes（“GBK”））；

根據(jù)中國氣象局綜合觀測司的要求，新型自動氣象（氣候）站的指令以＜回車＞ ＜換行＞（“＼r＼n”）結(jié)尾［17，18］。在 PC的串口助手中，只需要敲擊鍵盤的“回車”鍵即可輸入＜回車＞＜換行＞，但在Android系統(tǒng)的輸入法中，“回車”鍵只能輸入 ＜換行 ＞（“＼n”），而無 ＜回車 ＞（“＼r”）。為此，軟件設(shè)計(jì)了“指令”CheckBox控件，勾選后自動在待發(fā)送字符串末尾追加字符串“＼r＼n”，實(shí)現(xiàn)正常的指令下發(fā)。

4 應(yīng)用介紹

4.1 串口測試

套件支持Android手機(jī)與電腦串口通信，能夠?qū)ZZ1-2新型自動氣象站、WP3103區(qū)域自動氣象站、EWOS-1生態(tài)氣象自動觀測系統(tǒng)、PTB330氣壓傳感器、Belfort6000能見度儀等設(shè)備的串口輸出檢查，也可應(yīng)用于其他通用串口設(shè)備。利用轉(zhuǎn)換模塊連接DZZ1-2新型自動氣象站數(shù)據(jù)采集器和手機(jī)，在Android手機(jī)上運(yùn)行APP軟件，勾選“指令”，向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送“dmgd”即可調(diào)取分鐘觀測數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 向DZZ1-2型數(shù)據(jù)采集器發(fā)送指令

4.2 打環(huán)測試

利用套件可以對光電轉(zhuǎn)換器、串口服務(wù)器、通信電纜等通信傳輸設(shè)備做打環(huán)測試。將套件的RS232串口與光電轉(zhuǎn)換器RS232串口連接，用光纖回路器連接光電轉(zhuǎn)換器的光纖收發(fā)接口，在APP軟件發(fā)送測試信息，如光電轉(zhuǎn)換器工作正常，則軟件串口讀取顯示區(qū)將顯示發(fā)出的測試信息，如圖6所示。

圖6 打環(huán)測試界面

自動氣象站、氣壓傳感器、超聲風(fēng)傳感器、能見度儀、串口服務(wù)器、光電轉(zhuǎn)換器等多種設(shè)備均使用了串口通信，以往只能通過電腦串口來檢查設(shè)備串口狀態(tài)或設(shè)置設(shè)備參數(shù)。本研究利用PL2303HXD芯片開發(fā)了運(yùn)行在Android手機(jī)的串口通信套件，實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)與設(shè)備間的串口通信，為自動氣象觀測設(shè)備串口通信故障現(xiàn)場排查提供了一個方便、可靠、低成本的工具。由于Android手機(jī)廣泛普及，本套件的經(jīng)濟(jì)成本極低，也更加便攜，適合在自動氣象觀測維保一線推廣應(yīng)用。