利用Android智能手機及USB接口與1-Wire從設備通信

引言

本文介紹如何利用安卓Android？智能手機上的USB口與從設備通信，而無需計算機系統。文中給出的例子使用Android手機上的USB端口通過1-Wire？總線與Thermochron？ iButton？溫度記錄器通信。

系統布局

這種應用的關鍵是智能手機上的USB接口。當智能手機使用USB OTG收發器時，那么就可利用其作USB主設備來管理其他USB從設備，例如麥克風、閃存、鍵盤，或者本例中的Thermochron。最新版本的Android應用程序接口（API）支持USB在應用層為主的模式。該功能使用戶能夠安裝與USB外設“對話”的應用程序，無需刷機（Root）或在用戶的智能手機上安裝特殊驅動。

系統方框圖如圖1所示。Android智能手機必須使用USB OTG收發器。一般情況下，電話連接至計算機是作為USB從設備，但USB OTG收發器允許將其轉換為USB主設備。這種角色轉換要求特殊的OTG電纜提供A型USB端口，并指示USB從機已連接至智能手機。

該應用為主/從系統，Android智能手機作為主機，Thermochron數據記錄器作為從機。系統采用一個USB和一個1-Wire/iButton適配器把智能手機和數據記錄器橋接起來。利用網線中的一根數據線和接頭作為1-Wire總線。數據記錄器為iButton Termochron。

1-Wire總線的重要角色

1-Wire總線是單主和多從系統之間的接口。1-Wire為開漏輸出，采用類似于I2C的上拉電阻工作。有些1-Wire從機可利用1-Wire總線進行寄生供電，在總線不通信時對從器件中的內部電容充電。每個1-Wire從機也具有工廠激光刻制的唯一64位編號，所以很容易識別和監測總線上的從機。

1-Wire傳輸時序（圖2）包括一個給從機的復位脈沖（trst）。復位脈沖通將1-Wire總線拉低預定的時間周期，將全部從機置位成已知的確定狀態。接著，從機在主機釋放總線后，利用將總線拉低的在位檢測脈沖（tpd）對主機進行應答。

復位后，從器件根據唯一的自身編號，可接收發送至從機的各種ROM命令。命令Match ROM將只激活編號正確匹配的某個從器件。Search ROM命令用于檢測總線上所有從機的編號。因此，盡管這里我們只介紹一個從機，但可應用于具有多個兼容的1-Wire從器件。

在我們這個Android例子中，某個ROM命令只要選定，主機即可向每個具體的從設發送該命令。將諸如Thermochron這樣的溫度記錄器作為從設備，主機的命令可能包括讀/寫其暫存器、存儲器、或轉換溫度。

1-Wire接口沒有時鐘線，所以通信分為時隙（tslot），每個時隙承載一個信息位。在時隙開始，主機將總線短暫拉低，預示數據位將開始。當傳輸的是一個0時，主機或從機會使總線繼續保持為低電平；傳輸是一個1時，主機或從機將釋放總線。主機或從機將在主機指示時隙開始后的規定時間（tsample）讀取總線。

USB與1-Wire適配器通信

DS9490R為1-Wire至USB適配器，有四個USB端點：控制、中斷、批輸入（epIN）和批輸出（epOUT）。通常，控制端用于向1-Wire適配器發送命令，以及配置傳輸類型；批輸入/輸出用于數據傳輸；中斷端口接收實時敏感的信息，如狀態寄存器的信息和返回的消息。

用Android作為USB主設

此處介紹的設計已有先例。Android API從3.1版開始支持USB主模式，Manuel Di Cerbo1曾通過USB將 Arduino？微控制器板與Android電話連接在一起。我們的應用在DiCerbo的設計上進行修改，將基本概念擴展至USB至1-Wire適配器，并且微控制器用1-Wire適配器和Termochron代替。

本項目以DiCerbo的示例代碼為基礎。代碼首先詢問用戶是否允許訪問連接至Android智能手記的USB設備。然后程序查詢制造商和設備ID，并設置用于通信的USB端點。代碼提供給conn，用于批傳輸和控制傳輸的USB設備連接；配置用于批輸入的USB端點epIN及epOUT。這和所有系統中USB初始化及向從機寫底層USB命令使用的基本配置沒什么區別。

現在，我們演示如何利用Android去實現讓Thermochron進行溫度轉換，并讀取溫度結果。每個步驟（表1）均以1-Wire復位開始，然后利用Match ROM命令選擇從機，最后為給它的執行命令。

由USB傳輸控制執行1-Wire復位，Android API的控制傳輸函數原代碼如下所示。

// Performs a control transaction on endpoint zero for this device.

int controlTransfer（int requestType， int request， int value， int index， byte[] bufer， int length， int timeout）

傳輸控制用于啟動1-Wire Reset、Match ROM或Block I/O。參數說明請參見數據資料。隨后，我們將介紹如何使用該函數。

批數據傳輸用于Match ROM以及讀/寫存儲器。此處，端點應為epIN或epOUT，取決于我們讀數據還是寫數據。端點緩沖器儲存要發送的數據，或者為空以儲存要接收來的數據，長度為接收或發送的字節數。超時為USB的超時設置，單位為毫秒。

// Performs a bulk transaction on the given endpoint.

int bulkTransfer（UsbEndpoint endpoint， byte[] buffer， int length， int timeout）

以下為發送至Thermochron的轉換溫度命令（0x44）。在第1行中，如上所述（表1），首先由控制傳輸發送1-Wire復位。這是1-Wire Reset、Match ROM及轉換溫度序列。

// 1-Wire Reset

1 conn.controlTransfer（0x40， 0x01， 0x0C4B， 0x0001， 1， 0x0000， 0）；

// Match ROM， where romid is the iButon’s registration number

2 romid = new byte[] {0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00}；

3 conn.bulkTransfer（epOUT， romid， 8， 0）；

4 conn.controlTransfer（0x40， 0x01， 0x0065， 0x55， 1， 0， 0）；

// Convert Temperature for DS1921G

5 data = new byte[]{0x44}；

6 conn.bulkTransfer（epOUT， data， data.length， 0）；

7 conn.controlTransfer（0x40， 0x01， 0x1075， data.length， 1， 0， 0）；

上面第4行中，匹配訪問傳輸控制發送一個1-Wire Reset，0x55，匹配訪問ROM命令在1-Wire總線上，接著是相應從機的ROM編號2。檢索參數設置為0x55。這個匹配訪問命令希望用戶把編號預裝載至epOUT，如第2行和第3行代碼所示。函數參數的說明請參考DS2490數據資料。

Termochron的數據資料將0x44作為開始溫度轉換的代碼。表2. 溫度轉換命令0x44的寫通過I/O塊操作來執行。I/O塊功能是向epOUT寫輸出數據，如上面第6行代碼所示。然后第7行為控制傳輸為執行I/O塊命令。

以下代碼為利用USB的 I/O模塊讀取溫度寄存器數據的步驟。Thermochron讀存儲器的命令碼為0xF0（見表2）。在此之后為目標寄存器地址（TA） 為0x0211，只讀，分為兩個字節（第8行）。由于1-Wire總線只有單根數據線，所以總線上寫及發送的數據將全部環回到主機。然后主機需要向總線寫假數據（0xf）。如之前所述，由于1-Wire為開漏總線，所以從機將對0xff進行響應并修改該數據。最終效果就是數據和0xf的“與”的結果。

這些命令被送至epOUT，傳輸控制函數將執行發送至1-Wire總線的命令 （第9行和第10行）。讀回的數據將位于USB端點epIN，利用第12行的批傳輸命令復制到tempdata。然后在第13行中，將最終的原始溫度編碼轉換為對應的溫度值。

// 1-Wire Reset and Match ROM

// （omited） ...

// Read Temperature Register/ Memory Command

// Read Memory， TA2， TA1， dummy data

8 command = new byte[]{（byte）0xf0， 0x11， 0x02， （byte）0xff，（byte）0xf}；

9 conn.bulkTransfer（epOUT， command， command.length， 0）；

10 conn.controlTransfer（0x40， 0x01， 0x1075， command.length， 1， 0， 0）；

// Return Data from input endpoint

11 byte[] tempdata = new byte[5]；

12 conn.bulkTransfer（epIN， tempdata， 5， 0）；

// Temperature calculation

13 t e m p e r a t u r e = （ i n t ）（tempdata[4] 0xf）/2.0 – 40；

結論

本示例的應用程序代碼采用Eclipse編寫，可供下載。提供所有的文件，源代碼查看和修改容易。這個程序的代碼利用抽象函數間接使用底層的USB命令。本文最后的一般性參考有助于理解Android USB API和1-Wire命令。這些資源開發類似的產品廣泛使用。經過適當的修改，可使該應用程序支持其它5V 1-Wire從設，例如存儲器，或支持附加iButton特性。可定制的選項很多，最終取決于設計者的系統要求。

參考文獻：

[1]Android API， Package Index， http：//developer.android.com/ reference/packages.html

[2]Using Android in Industrial Automation， Android USB Host+ Arduino， http：//android.serverbox.ch/？p=549.

[3]Maxim Integrated iButton：1-Wire Public Domain Kit， http：// www.maximintegrated.com/products/ibutton/software/1wire/ wirekit.cfm.

[4]Maxim Integrated應用筆記187：《1-Wire Search Algorithm》，http：//www.maximintegrated.com/an187。

[5]DS2490 USB至1-Wire橋接芯片的數據資料：http：//www. maximintegrated.com/ds2490。

[6]DS9490R USB至1-Wire/iButton適配器的數據資料：http：// www.maximintegrated.com/ds9490r。

[7]DS1921G Thermochron iButton的數據資料：http：//www. maximintegrated.com/ds1921g。

Android是Google Inc的注冊商標。

Arduino是Arduino， LLC的注冊商標。

1-Wire、iButton和Thermochron是Maxim Integrated Products， Inc的注冊商標，Hygrochron是Maxim Integrated Products， Inc的商標。