Android開放式架構(gòu)平臺(tái)在物聯(lián)網(wǎng)嵌入式中的解決方案

Android 開放式架構(gòu)平臺(tái)獲得了巨大成功，已贏得智能手機(jī)市場(chǎng)的最大份額。 Android 操作系統(tǒng)于 2005 年得到了 Google 的支持并被其收購(gòu)，自 2007 年公開以來，已有超過 10 億部手機(jī)和平板電腦在使用該系統(tǒng)。隨著“物聯(lián)網(wǎng)”嵌入式解決方案的出現(xiàn)，該系統(tǒng)已為繼續(xù)拓展應(yīng)用范圍做好了準(zhǔn)備。

獲得開放手機(jī)聯(lián)盟 （Open Handset Alliance） 的認(rèn)可是 Android 系統(tǒng)加速發(fā)展的關(guān)鍵助推劑。該聯(lián)盟通過開放式標(biāo)準(zhǔn)，確保硬件、軟件和電信通信都得到明確的定義。 確保 Android 操作系統(tǒng)成功的另一關(guān)鍵便是其相對(duì)直觀的用戶界面，該界面充分利用了觸摸動(dòng)作和手勢(shì)，為用戶提供更高水品的鏈接。 而且，經(jīng)過改進(jìn)的語音識(shí)別、多個(gè)靈活的通訊鏈接、逼真的高清顯示以及超越普通分辨率的相機(jī)模塊也僅僅是幫助 Android 產(chǎn)品大獲全勝的少數(shù)幾個(gè)原因。

對(duì)設(shè)備和用戶界面設(shè)計(jì)人員來說，這究竟意味著什么呢？ 本文將介紹 Android 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的所有元素，討論有助于進(jìn)行 Android 產(chǎn)品的主要和/或擴(kuò)展硬件開發(fā)的現(xiàn)有工程方法、資源、工具和參考設(shè)計(jì)。

開源與閉源

開源與閉源之間的戰(zhàn)爭(zhēng)從未停止過，已經(jīng)蔓延了好幾代設(shè)計(jì)。 閉源意味著僅能讓一組較少的創(chuàng)新者進(jìn)行自由創(chuàng)造，就像開發(fā)資源和許可意味著設(shè)計(jì)人員需要作出更多承諾一樣。 在開源情況下，每個(gè)人都通常能免費(fèi)或者支付很少費(fèi)用后，在一個(gè)傘形框架下開發(fā)產(chǎn)品。 閉源產(chǎn)品看起來從一開始就做得很好，這是因?yàn)槠浔澈螅ㄍǔ＃┯幸粋€(gè)紀(jì)律更嚴(yán)明的團(tuán)隊(duì)。

然而毋庸置疑的是，Android 產(chǎn)品憑借低成本、迷人的屏幕和用戶界面以及多元化應(yīng)用程序 （app），在銷量上完勝勁敵 - 蘋果 （Apple） 的 iPhone 和 iPad。 制造商如推出 Galaxy 級(jí)產(chǎn)品 Samsung、包括 Barnes、Noble 在內(nèi)的其它許多非傳統(tǒng)硬件公司以及 Amazon 都在提供風(fēng)格多樣并捆綁了各種功能和 app 的 Android 產(chǎn)品。

這說明了兩點(diǎn)。 第一，我們能定制自己的硬件，以更低的成本擴(kuò)展 OEM Android 產(chǎn)品，將 Android 系統(tǒng)用于我們的顯示、通信鏈接和用戶界面。 第二，也可設(shè)計(jì)一個(gè)與我們的專用硬件或者專有系統(tǒng)緊密聯(lián)系的嵌入式 Android 系統(tǒng)，充分發(fā)揮開放式資源的優(yōu)勢(shì)，擺脫硬件束縛，自由選擇我們的新一代處理器、模塊、電路板或者 OEM 平板電腦，只要這些器件滿足 Android 產(chǎn)品要求。

需要什么

隨著產(chǎn)品性能和功能的不斷提升，最低要求也在變化。 現(xiàn)代 Android 設(shè)計(jì)至少需要能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè) 32 位 ARM7、MIPS 或者 x86 架構(gòu)的能力，且至少應(yīng)有 512 M RAM。 處理器必須能夠運(yùn)行使處理任務(wù)保持開放狀態(tài)的存儲(chǔ)器管理方案，而不僅是被掛起后用于節(jié)能。

這里還有許多值得去玩味。 用一個(gè)運(yùn)行頻率高達(dá) 1GHz 的處理器管理、指揮許多對(duì)實(shí)時(shí)性敏感且常常重疊的功能并非易事，如圖形處理、加速儀和其其它感器、可識(shí)別手勢(shì)的投射式電容觸摸屏、攝像頭、USB、GPS、Wi-Fi 和 音頻 I/O，而這些也僅是其中一少部分。

當(dāng)開發(fā)一個(gè)兼容 Android 產(chǎn)品的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，可能需要首先考慮可提供 ARM、MIPS 或者 X86 處理器的芯片制造商，因這些芯片可支持和運(yùn)行作為 Android 個(gè)性化基礎(chǔ)的 Linux 打包操作系統(tǒng)。 然而此時(shí)還需注意，除了高端 GHz 級(jí)處理器外還有體積更小的集成式專用處理器，它們能分擔(dān)許多處理任務(wù)，從而爭(zhēng)取引起注意、獲得資源。

例如， FTDI 的 FT311D-32L1C-R 專用型 USB Android 產(chǎn)品枚舉器和通信鏈接控制器。 該控制器稱作 USB Android 主機(jī) IC，旨在允許在 Android 產(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)通過 USB 訪問外設(shè)硬件。

Android 開放配件模式（OAM，OS 3.1 以及更高版本）允許帶有 USB 硬件的外部設(shè)備能以特定的配件模式進(jìn)行交互。 此時(shí)，由外部設(shè)備提供電源，因此平板電腦或者智能手機(jī)無需作為一個(gè)主機(jī)側(cè)控制器提供 500 mA 電源，以滿足 USB 需要。 這種模式下，不需要 Android 設(shè)備上的任何驅(qū)動(dòng)程序、軟件或者開銷。

這款相對(duì)較小的 32 引腳 FT311D 能作為一個(gè)獨(dú)立的協(xié)處理器執(zhí)行全部 USB 枚舉序列任務(wù)并支持 Android 開放配件模式（圖 1）。

圖 1：通過分擔(dān)開放式配件模式的功能，該協(xié)處理器能執(zhí)行所有枚舉和再枚舉任務(wù)，而無需任何驅(qū)動(dòng)程序或 Android 處理器開銷。

該協(xié)處理器支持 USB 2.0 的 12 MHz 速度，能夠完成所有以 USB 為中心的功能，從而減少主處理器負(fù)載，尤其是將外設(shè)與 USB 連接時(shí)。 FTDI 在 Digi-Key 網(wǎng)站上推出了 Android 接口解決方案培訓(xùn)模塊 。

PIC 處理器制造商 Microchip 也支持深受大眾歡迎的 Arduino 產(chǎn)品平臺(tái)。 考慮到滿足 Android 產(chǎn)品開發(fā)的需求，Microchip 推出了 DM240415 配件開發(fā)入門套件。該套件基于 PIC24F 處理器。 該平臺(tái)還提供了一種支持 OAM 的專用協(xié)處理器方法，由微控制器或 USB 分擔(dān)關(guān)鍵鏈接和功能，如 Android 產(chǎn)品接收和發(fā)出數(shù)據(jù)。

這款免版權(quán)費(fèi)、無許可費(fèi)的 DM240415 配件開發(fā)入門套件提供了一個(gè)嵌入式調(diào)試器、電源、支持圖形庫(kù)的軟件、IrDA 協(xié)議棧、USB 協(xié)議棧、閃盤驅(qū)動(dòng)文件系統(tǒng)、電容式觸摸軟件、TCP/IP 協(xié)議棧和 MiWi 個(gè)人 Wi-Fi 支持功能。 為了將定制硬件與 Android 系統(tǒng)連接，該開發(fā)板還提供了八個(gè) LED 狀態(tài)指示燈、一個(gè)電位計(jì)和用戶接口按鈕，以便能用作應(yīng)用開發(fā)和測(cè)試板。 參考文獻(xiàn) ［1］ 中給出了一個(gè)參考原理圖，可作為平板電腦的一種參考設(shè)計(jì)。 該 Android 客戶端驅(qū)動(dòng)程序被作為 PIC USB 主機(jī)協(xié)議棧以上的一個(gè)層來執(zhí)行。

圖 2：這款由 Microchip 提供的免版權(quán)費(fèi) Android OAM 模式軟件通過加入一個(gè) Android 客戶端程序并基于其 USB 協(xié)議棧構(gòu)建而成。

FTDI 和 Microchip 均對(duì)各自的器件提供開發(fā)支持，但也可由第三方提供開發(fā)支持。 Embedded Artists 通過其 EA-APP-001 Android 開放配件應(yīng)用套件提供了一種開源演示和開發(fā)板。 按照相同的分離式處理器任務(wù)管理分配方案，該套件采用了兩個(gè)協(xié)處理器： NXP Semiconductors 的 LPC1769（這是一款高端、32 位、120 MHz ARM? Cortex?-M3 器件）與 NXP 的 LPC11C24（這是一款體積更小的 50 MHz、32 位 ARM Cortex-M0 零件），用于向并行運(yùn)行流分配較高或較低水平的處理任務(wù)。

LPC1769 側(cè)可支持 10/100 以太網(wǎng)、CAN、ZigBee （NXP Jennic） 和串行任務(wù)。 LPC11C24 側(cè)不僅共享 CAN 互連，還利用其 RGB LED、按鈕、溫度和光線傳感器管理硬件開發(fā)和傳感器連接。 該套件也可用于通過其某一個(gè)低功耗 I/O（PIO1_4） 進(jìn)行低功耗喚醒功能的開發(fā)測(cè)試。

一個(gè)漂亮的特性便是充電器饋通模式。 除了 5 V 備用電源外，這個(gè) USB 型充電器接口還能從被測(cè)裝置抽取電能（圖 3）。 板上有一個(gè)原型開發(fā)區(qū)域，允許通過充電器訪問 USB 數(shù)據(jù)信號(hào)和 OAM 模式。 然后，充電器能在充電時(shí)自動(dòng)通過 Wi-Fi 進(jìn)行音樂和圖像同步。 NXP 的 LPC1700 系列產(chǎn)品培訓(xùn)模塊 與其 LPC11xx 編碼密度產(chǎn)品培訓(xùn)模塊同時(shí)提供。

圖 3：雙協(xié)處理器能夠分配與 Android 有關(guān)的外設(shè)和任務(wù)，并用作 Android 硬件擴(kuò)展的開發(fā)平臺(tái)。

為運(yùn)行而生

除了外設(shè)開發(fā)和 OAM 支持外，板級(jí)系統(tǒng)、參考設(shè)計(jì)以及開發(fā)套件還能為主要 Android 應(yīng)用運(yùn)行頻率達(dá)到數(shù)個(gè) GHz 的高端處理器。 讓我們了解一下基于 ARM Cortex-A8 的 1 GHz Olimex A13-OLINUXINO-MICRO 板，該板用于基于 Linux 的 Android 產(chǎn)品開發(fā)。 該板以 Allwinner SoC 為基礎(chǔ)，是基于各種高端處理器（A8、A13、MX233 等）的 OLinuXino GHz 級(jí)處理器板的一塊。這些都是您希望在更高端控制中使用的處理器（圖 4）。

圖 4：這款高集成度 Olimex Linux Android 開發(fā)平臺(tái)基于 Allwinner A13 處理器，采用 SoC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高性能、低功耗和很好的 Android 兼容性。

在這樣的速度下，單核與多核處理器能夠吸收不同外設(shè)功能的所有開銷，并直接執(zhí)行如 NAND 閃存、DDR RAM， SD 卡、3D 圖形、USB 等數(shù)據(jù)任務(wù)和/或密集型處理任務(wù)。

Olimex 還有一款基于 1 GHz ARM Cortex-A8 處理器的 A10S-OLINUXINO-MICRO Linux 開發(fā)板，這是一臺(tái)開源式 Android/Linux 單板微型計(jì)算機(jī)。 該板支持 USB 2.0 和 HDMI 圖形功能，支持 VGA TFT 分辨率。 該板還配有 50 個(gè) I/O 線路，用于協(xié)助原生硬件和接口的開發(fā)。

總之，可將這一 Android 處理器模塊視作具有一組標(biāo)準(zhǔn)化外設(shè)、功能、特性和開源代碼的下一代嵌入式處理器。 其高端性能和設(shè)計(jì)選項(xiàng)會(huì)讓 Android 系統(tǒng)成為廣受制造商歡迎的一種全新用戶接口，同時(shí)又為 OEM Android 系統(tǒng)打開一扇門，成為嵌入式設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)法寶。