Разработка USB-аксессуаров с поддержкой AOA для Android-систем

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2014

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2014

Garima Gupta, Joshan Abraham

Electronic Design

Теперь разработчики могут сделать свои разработки аксессуаров совместимыми с протоколом Android Open Accessory (AOA)

Стремительный рост использования основанных на Android мобильных интернет-устройств, планшетов и других продуктов начался с 2008 года, и сегодня Android-устройства занимают 70% мобильного рынка. Аналогичным образом происходит рост числа и разновидностей USB-устройств, подключаемых к устройствам на базе Android, от простейших аудио док-станций до сложного медицинского оборудования. Разработчики, оглядываясь на этот растущий рынок, должны быть уверены, что их устройства удовлетворяют требованиям протокола Android Open Accessory (AOA).

USB и Android

Взаимодействие через порт USB между устройством на Android и периферийным USB-устройством или аксессуаром должно происходить в соответствии со спецификацией USB. USB – это хост-ориентированный протокол, означающий, что все транзакции инициирует хост, и что на шине он может быть только один. То есть, USB-хост обязательно должен присутствовать среди соединяемых устройств. Таким образом, Android-устройство может сопрягаться с USB- устройством одним из двух различных способов: в режиме USB-хоста (подключенное устройство называется USB-периферией) и в режиме USB-аксессуара (подключенное устройство называется USB-аксессуаром).

Рисунок 1.	Android-устройство при подключении к периферии работает в режиме USB-хоста.

В режиме USB-хоста Android-устройство выступает в роли управляющего узла, подает питание на шину, регистрирует подключенные к нему периферийные USB-устройства. К работающим в этом режиме Android-устройствам обычно подключается такая периферия, как клавиатуры, мыши и игровые контроллеры (Рисунок 1).

Запущенные в режиме USB-хоста Android-устройства, отдавая подключенному устройству ток до 500 мА, истощают свой аккумулятор, особенно в случае прожорливой периферии. К таковой обычно относятся медицинское и диагностическое оборудование, тренажеры, док-станции, портативные торговые терминалы и автомобильные панели с подключением к Android, а также множество других устройств.

Кроме того, некоторые Android-устройства не имеют аппаратного USB-хоста, необходимого для поддержки передачи данных в хост-режиме. Android-устройства, в большинстве своем, имеют конкретный перечень USB-устройств, называемый целевым списком периферии (target peripheral list – TPL), которые они могут поддерживать. В таких случаях устройства, отсутствующие в TPL, нуждаются в передаче данных альтернативным способом.

Режим USB-аксессуара преодолевает ограничения режима USB-хоста за счет того, что в качестве хоста выступает внешнее устройство. Аксессуар подает питание на шину USB и осуществляет обмен данными с Android-устройстом (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Android-устройство может также работать в режиме USB-аксессуара.

Android-устройства, которые не могут выступать в качестве USB-хоста, в таком случае могут взаимодействовать с USB-аксессуаром. Такие аксессуары питаются от больших аккумуляторов или от сети.

Эти Android-устройства и аксессуары должны придерживаться протокола AOA, определяющего, как аксессуар обнаруживает и устанавливает соединение с Android-устройством. Предполагается выполнение аксессуаром следующих четырех шагов, определенных спецификацией AOA:

• Ожидание и обнаружение подключенных устройств
• Определение наличия у устройства режима поддержки аксессуара 
• Попытка запуска устройства в режиме аксессуара (при необходимости)
• Установление связи с устройством, если оно поддерживает протокол AOA

Поддержка AOA доступна в Android 3.1 и выше, но она также может быть портирована на Android 2.3.4 посредством дополнительной библиотеки. Даже устройства человеко-машинного интерфейса, такие как клавиатура и мышь, которые обычно подключаются в режиме USB-хоста, могут использоваться в режиме USB-аксессуара посредством AOA 2.0.

Различные рекомендации и шаги для добавления возможностей AOA к существующим конструкциям аксессуаров обсуждаются ниже. Они же могут применяться и при разработке новых аксессуаров. Типичная реализация при расширении до поддержки Android потребует добавления USB-хоста к существующему аксессуару и установления интерфейса обмена данными между ним и микроконтроллером (МК) аксессуара (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Типичная реализация при расширении до поддержки Android потребует добавления USB-хоста к существующему аксессуару и установления интерфейса обмена данными между ним и микроконтроллером аксессуара.

Первым шагом будет оценка доступных ресурсов МК аксессуара. Два основных момента, на которые следует обратить внимание – это память и коммуникационный блок. Непременным условием использования кода для обмена данными, управления микросхемой хоста и реализации стека протокола AOA является наличие достаточного объема памяти, как RAM, так и флэш. Блок коммуникации может включать шины SPI/UART/I²C или линии ввода-вывода общего назначения.

Для осуществления обмена данными с микросхемой USB-хоста требуется протокол передачи данных подобный SPI/UART/I²C. Для этих целей системе требуется также аппаратный блок коммуникации, а если таковой отсутствует, программный стек протокола обмена должен быть реализован средствами ПО, что часто называют еще режимом «bit-banging». Выбранные порты ввода-вывода должны быть совместимы с протоколом, необходимым для связи с микросхемой хоста.

К примеру, при реализации программного модуля мастера SPI на микроконтроллере периферийного устройства, вывод, выбранный в качестве SPI_Clock, должен иметь возможность управляться на тактовой частоте, определяемой требованиями пропускной способности. Точно также, аппаратный SPI-мастер на МК аксессуара даст гибкость в организации обмена данными с подчиненным устройством SPI (контроллером USB-хоста). В этом случае, может потребоваться еще один дополнительный вывод порта ввода-вывода общего назначения (GPIO) для запросов прерываний от микросхемы хоста и один GPIO для сигнала Slave_Select подчиненного устройства SPI. При наличии в системе других подчиненных устройств SPI могут использоваться одни и те же линии MOSI, SPI_Clock и MISO.

Следующий шаг – это выбор подходящей микросхемы USB-хоста, соответствующей возможностям МК и обеспечивающей оптимальные характеристики аксессуара. Тут есть три основных фактора: тип микросхемы (программируемая или с фиксированным функционалом), протокол обмена данными микросхемы хоста и желаемая производительность.

Наиболее простым типом микросхем USB-хоста являются микросхемы с механизмом последовательного интерфейса (SIE), которые предоставляют МК аксессуара полный контроль над передачей данный по USB. МК контролирует каждый пакет данных на шине USB. Такая реализация требует больше памяти программ на МК аксессуара, в связи с чем она не рекомендуется при ограниченных ресурсах памяти МК.

Другая разновидность микросхем хоста имеет встроенные микроконтроллеры, которые могут быть запрограммированы на управление пакетами данных USB любым желаемым образом. Такие контроллеры хоста снижают нагрузку на МК аксессуара, уменьшая одновременно затраты памяти и рабочую загрузку МК. Такая микросхема хоста обладает полным встроенным функционалом стека, оставляя МК аксессуара только обмен данными и отправку специальных управляющих команд для общения с Android-устройством.

Например, запрограммировав микросхему хоста, можно послать запрос Get_Descriptor на получение по SPI специального кода от МК аксессуара. Такие микросхемы могут посылать данные как на МК аксессуара, так и на любое другое подчиненное устройство на шине SPI. При разработке новых аксессуаров эти микросхемы можно использовать в автономном режиме, то есть без внешнего управляющего МК.

Оба типа контроллеров хоста предоставляют широкий спектр коммуникационных интерфейсов, таких как SPI, I²C, UART, высокоскоростной последовательный (HSS) и параллельный интерфейсы (такие, как интерфейс внешней памяти или интерфейс процессора). Через любой из этих интерфейсов МК может иметь полный контроль над функционированием USB-хоста. Интерфейсы могут также использоваться для обновления прошивок микросхемы хоста.

Наличие таких интерфейсов позволяет гибко выбирать любую скорость обмена данными. Каждый из них может осуществлять обмен, используя от трех (3-проводная коммуникация по SPI) до n линий (для параллельных интерфейсов), в зависимости от возможностей и потребностей. Основываясь на аппаратных ресурсах, доступных в МК аксессуара, мы можем выбрать наилучший протокол обмена данными. Но даже при отсутствии свободных аппаратных ресурсов в МК аксессуара, можно использовать четыре вывода порта общего назначения, а стек SPI реализовать в прошивке.

Еще одним фактором, влияющим на выбор микросхемы хоста, является требование к USB-хосту: должен ли он быть полноскоростным или высокоскоростным. Полноскоростной режим (full-speed, USB 1.1) поддерживает скорость передачи данных до 12 Мбит/с. В высокоскоростном режиме (high-speed) микросхема хоста обеспечивает скорость до 480 Мбит/с, и обычно имеет параллельный интерфейс для обмена данными и управляющей логики, необходимый для достижения высокой пропускной способности. Некоторые высокоскоростные микросхемы хоста также имеют SPI, I²C или другие коммуникационные интерфейсы. У отдельных микросхем есть даже программируемый параллельный интерфейс, который, продолжая поддерживать пропускную способность высокоскоростного режима USB, может быть настроен для удовлетворения любых специфических требований сопряжения МК аксессуара.

Обмен данными для аксессуаров с ограниченными ресурсами упрощает программируемый полноскоростной USB хост-контроллер, содержащий высокоскоростной последовательный интерфейс с конфигурируемой скоростью передачи данных, SPI (ведущий/ведомый) и параллельный интерфейс. Кроме того, интерфейс внешней памяти и EEPROM c интерфейсом I²C предоставляют ресурс для внешнего хранения кода программы, чем еще больше облегчают добавление поддержки AOA к существующей разработке. Альтернативный вариант хост-контроллера может иметь только прямой порт данных и микропроцессорный интерфейс со стандартными МК.

Следующим шагом после выбора протокола обмена данными и интерфейсного хост-контроллера является реализация логики сопряжения и управления. Как обсуждалось ранее, существует два вида микросхем: с фиксированным функционалом и программируемые. При использовании простых микросхем с заданным функционалом микроконтроллер должен управлять каждым событием, происходящим на шине USB. Даже такие события, как подключение USB-устройства, будут сообщать о себе, вызывая прерывание, либо должны отслеживаться посредством чтения регистров состояния. Для использования простых микросхем с функционалом SIE в код микроконтроллера аксессуара будет необходимо добавить следующие функции:

• Элементарные функции:
  чтение регистра, запись в регистр, запись нескольких байт в заданное место (например, запись в FIFO) и чтение байт данных из указанного места (чтение из FIFO).
   
• Функции, использующие элементарные функции для управления работой микросхемы хоста:
  инициализация микросхемы хоста, обнаружение подключения устройства, обнаружение отключения устройства, сброс микросхемы, обработка ошибок при их возникновении, команда перевода USB в режим ожидания, команда продолжения работы USB, управление операциями чтения (фазы подготовки, данных и подтверждения), управление операциями записи, за исключением фазы данных, управление операцией записи с фазой данных, обработка входящих (IN) составных данных (метка IN, принятые данные, подтверждение) и аналогичная обработка исходящих (OUT) составных данных (протокол AOA поддерживает обмен данными только между составными узлами).
   
• Функции, использующие описанные выше функции и реализующие функционал уровня протокола:
  обнаружение PID_VID, установка интерфейса, получение интерфейса, отправка данных (через составной узел), прием данных и т. д.

Для программируемых микросхем хоста управляющие функции в МК аксессуара могут быть простыми внутренними командами, отправляемыми посредством интерфейса передачи данных.

Заключительным шагом является реализация протокола AOA в аксессуаре. Он, в первую очередь, состоит из четырех основных шагов, определенных в спецификации AOA и упомянутых ранее: ожидание и обнаружение подключенных устройств, оценка поддержки режима аксессуара устройством, попытка, при необходимости, запуска устройства в режиме аксессуара и установление соединения с устройством, если оно поддерживает протокол Android-аксессуара.

Ожидание и обнаружение подключенных устройств

На первом шаге аксессуар должен ожидать события, вызываемого подключением устройства (например, телефона на Android). Подключение устройства отмечается подтяжкой линий D+/D– шины USB. D+ подтягивается к высокому уровню, если подключено устройство в режиме full-speed или high-speed, а в случае низкоскоростного соединения к высокому уровню подтягивается линия D–. Другими словами, вы можете опрашивать состояние линии и ожидать перехода шины в состояние J или K.

Вторым шагом является обеспечение задержки в 100 мс. Как указано в спецификации USB «Это интервал устранения дребезга с минимальной продолжительностью 100 мс, который обеспечивается системным ПО USB. Он гарантирует стабильность электрического и механического подключения перед тем, как ПО предпримет попытку сброса присоединенного устройства. Отсчет интервала начинается, когда системное ПО USB будет оповещено об обнаружении подключения. Интервал сбрасывается в случае отключения. Противодребезговый интервал гарантирует, что питание на устройстве будет стабильно присутствовать в течение не менее чем 100 мс до того, как ему будут отправлены какие-либо запросы».

На третьем шаге микросхема USB-хоста аксессуара инициирует сброс Android-устройства. Под состоянием «сброса» подразумевается переход шины в состояние SE0. В течение этого времени, если на линии D+ обнаружена подтяжка, микросхема полноскоростного хоста должна производить так называемое «чириканье» (chirp sequence) для обнаружения высокоскоростного подключения Android-устройства. Если используется полноскоростной хост, он не будет выдавать «чириканья», и высокоскоростное устройство будет работать в режиме full-speed. Микросхема хоста обычно также следит за выполнением вспомогательных функций USB.

Четвертым шагом после сброса является предоставление подключенному устройству минимального времени восстановления после сброса 10 мс.

Определение наличия поддержки у устройства режима аксессуара

На пятом шаге должен быть послан запрос «Get Device Descriptor» («Получить дескриптор устройства») по адресу «0», а затем при помощи команды «Set Address» («Установить адрес») установлен адрес устройства в любое желаемое значение.

В качестве шестого шага на этот новый адрес посылаются все последующие USB запросы, чтобы убедиться, что устройство по этому адресу доступно. Послатются запросы «Get Device Descriptor» и «Get Configuration» («Получить конфигурацию»). Это необязательный шаг.

На седьмом этапе производится проверка, совпадает ли PID_VID устройства с PID_VID Google. После отправки запроса «Get Device Descriptor» из полученного описания выбираются данные по PID_VID устройства. Идентификатор продукта (PID) и идентификатор разработчика (VID) устройства обычно являются идентификаторами производителя устройства.

Если устройство поддерживает режим AOA и запущено в нем, оно будет отвечать посылкой VID и PID Google (VID==0x18D1 и PID==0x2D00||PID==0x2D01) вместо идентификаторов производителя устройства. Если устройство обнаружено с идентификаторами Google, аксессуар может сделать вывод о том, что найдено Android-устройство, поддерживающее AOA, и он может установить с ним обмен данными. В этом случае нужно пропустить шаги с 8 по 11 и перейти сразу к 12. Необходимо учитывать, что оба PID имеют различный смысл. Если устройство обозначено идентификатором производителя, продолжить с шага 5.

На восьмом шаге проверяется, поддерживает ли подключенное устройство режим AOA. Для этой проверки используется управляющий запрос со значениями, приведенными в Таблице 1.

Если протокол AOA поддерживается, этот запрос вернет ненулевую величину с существующим значением, представляющим версию протокола, которую поддерживает устройство (AOA 1 или AOA 2). Если возвращаемое значение равно нулю, устройство не совместимо с AOA, и аксессуар должен ожидать подключения следующего устройства. При необходимости, производится попытка запустить устройство в режиме аксессуара.

Попытка запуска устройства в режиме аксессуара

Девятым шагом является отправка устройству идентификационной строковой информации. Эта информация позволяет определить соответствующее приложение (установленное на устройстве) для аксессуара или, если соответствующее приложение отсутствует, представить пользователю универсальный идентификатор ресурса (URI). Эти запросы являются управляющими от узла 0 к оконечной точке (для каждого строкового идентификатора) с параметрами, описанными в Таблице 2.

Поддерживаются следующие идентификаторы строк с максимальной длиной каждой строки 256 байт:

• ID строки «0» обозначает, что данные будут содержать«наименование производителя».
• ID строки «1» – «наименование модели».
• ID строки «2» – «дескриптор».
• ID строки «3» – «версия».
• ID строки «4» – «URI».
• ID строки «5» – «серийный номер».

На десятом шаге устройству отправляется запрос для запуска его в режиме аксессуара. Этот запрос представляет собой управляющий запрос разработчика от узла 0 к Android-устройству с параметрами, приведенными в Таблице 3.

Одиннадцатым шагом снова посылается запрос «Get Device Descriptor» и производится проверка, регистрируется ли устройство соответствующим образом с правильным PID_VID, или просто происходит возврат к седьмому шагу, на котором было обнаружено устройство и запрошено описание. (Адрес устройства в этом случае не будет нулевым, а будет иметь то значение, которое было присвоено ему ранее, на пятом шаге). Если на любом из этих шагов возникает ошибка, значит, устройство несовместимо с AOA, и аксессуар должен ожидать подключения следующего устройства.

Установление обмена данными с устройством, если оно поддерживает протокол Android-аксессуара

На двенадцатом шаге запрашивается конфигурация узла при помощи запроса «Get Configuration». Протокол AOA обеспечивает связь только между одним узлом Bulk In и одним Bulk Out. Android-устройство с идентификатором продукта (PID) 0x2D00 имеет один интерфейс с двумя составными узлами для входящей и исходящей передачи данных. PID 0x2D01 обеспечивает дополнительный интерфейс для передачи данных в режиме ADB (Android Debug Bridge). Для устройств с другими PID должна быть активна конфигурация 1, и обмен данными может происходить через первые узлы Bulk In и Bulk Out.

Наконец, на аксессуаре запускается ваше приложение для взаимодействия с Android-устройством, выступающим в качестве подчиненного устройства USB. На этом процесс завершается.

Вы можете следовать этим рекомендациям и шагам для того, чтобы простым способом превратить свою уже существующую конструкцию аксессуара в аксессуар, совместимый с AOA, или использовать их для создания полностью новой разработки.