Android開放式架構平臺在物聯網嵌入式中的解決方案

2020-11-29 電子發燒友

Android開放式架構平臺在物聯網嵌入式中的解決方案

電子設計 發表於 2019-03-25 09:19:00

Android 開放式架構平臺獲得了巨大成功，已贏得智慧型手機市場的最大份額。 Android 作業系統於 2005 年得到了 Google 的支持並被其收購，自 2007 年公開以來，已有超過 10 億部手機和平板電腦在使用該系統。隨著「物聯網」嵌入式解決方案的出現，該系統已為繼續拓展應用範圍做好了準備。

獲得開放手機聯盟 （Open Handset Alliance） 的認可是 Android 系統加速發展的關鍵助推劑。該聯盟通過開放式標準，確保硬體、軟體和電信通信都得到明確的定義。 確保 Android 作業系統成功的另一關鍵便是其相對直觀的用戶界面，該界面充分利用了觸摸動作和手勢，為用戶提供更高水品的連結。 而且，經過改進的語音識別、多個靈活的通訊連結、逼真的高清顯示以及超越普通解析度的相機模塊也僅僅是幫助 Android 產品大獲全勝的少數幾個原因。

對設備和用戶界面設計人員來說，這究竟意味著什麼呢？ 本文將介紹 Android 產品設計的所有元素，討論有助於進行 Android 產品的主要和/或擴展硬體開發的現有工程方法、資源、工具和參考設計。

開源與閉源

開源與閉源之間的戰爭從未停止過，已經蔓延了好幾代設計。 閉源意味著僅能讓一組較少的創新者進行自由創造，就像開發資源和許可意味著設計人員需要作出更多承諾一樣。 在開源情況下，每個人都通常能免費或者支付很少費用後，在一個傘形框架下開發產品。 閉源產品看起來從一開始就做得很好，這是因為其背後（通常）有一個紀律更嚴明的團隊。

然而毋庸置疑的是，Android 產品憑藉低成本、迷人的屏幕和用戶界面以及多元化應用程式 （app），在銷量上完勝勁敵 - 蘋果 （Apple） 的 iPhone 和 iPad。 製造商如推出 Galaxy 級產品 Samsung、包括 Barnes、Noble 在內的其它許多非傳統硬體公司以及 Amazon 都在提供風格多樣並捆綁了各種功能和 app 的 Android 產品。

這說明了兩點。 第一，我們能定製自己的硬體，以更低的成本擴展 OEM Android 產品，將 Android 系統用於我們的顯示、通信連結和用戶界面。 第二，也可設計一個與我們的專用硬體或者專有系統緊密聯繫的嵌入式 Android 系統，充分發揮開放式資源的優勢，擺脫硬體束縛，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 產品要求。

需要什麼

隨著產品性能和功能的不斷提升，最低要求也在變化。 現代 Android 設計至少需要能夠驅動一個 32 位 ARM7、MIPS 或者 x86 架構的能力，且至少應有 512 M RAM。 處理器必須能夠運行使處理任務保持開放狀態的存儲器管理方案，而不僅是被掛起後用於節能。

這裡還有許多值得去玩味。 用一個運行頻率高達 1GHz 的處理器管理、指揮許多對實時性敏感且常常重疊的功能並非易事，如圖形處理、加速儀和其其它感器、可識別手勢的投射式電容觸控螢幕、攝像頭、USB、GPS、Wi-Fi 和 音頻 I/O，而這些也僅是其中一少部分。

當開發一個兼容 Android 產品的硬體平臺設計時，可能需要首先考慮可提供 ARM、MIPS 或者 X86 處理器的晶片製造商，因這些晶片可支持和運行作為 Android 個性化基礎的 Linux 打包作業系統。 然而此時還需注意，除了高端 GHz 級處理器外還有體積更小的集成式專用處理器，它們能分擔許多處理任務，從而爭取引起注意、獲得資源。

例如， FTDI 的 FT311D-32L1C-R 專用型 USB Android 產品枚舉器和通信連結控制器。 該控制器稱作 USB Android 主機 IC，旨在允許在 Android 產品系統內通過 USB 訪問外設硬體。

Android 開放配件模式（OAM，OS 3.1 以及更高版本）允許帶有 USB 硬體的外部設備能以特定的配件模式進行交互。 此時，由外部設備提供電源，因此平板電腦或者智慧型手機無需作為一個主機側控制器提供 500 mA 電源，以滿足 USB 需要。 這種模式下，不需要 Android 設備上的任何驅動程序、軟體或者開銷。

這款相對較小的 32 引腳 FT311D 能作為一個獨立的協處理器執行全部 USB 枚舉序列任務並支持 Android 開放配件模式（圖 1）。

圖 1：通過分擔開放式配件模式的功能，該協處理器能執行所有枚舉和再枚舉任務，而無需任何驅動程序或 Android 處理器開銷。

該協處理器支持 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載，尤其是將外設與 USB 連接時。 FTDI 在 Digi-Key 網站上推出了 Android 接口解決方案培訓模塊 。

PIC 處理器製造商 Microchip 也支持深受大眾歡迎的 Arduino 產品平臺。 考慮到滿足 Android 產品開發的需求，Microchip 推出了 DM240415 配件開發入門套件。該套件基於 PIC24F 處理器。 該平臺還提供了一種支持 OAM 的專用協處理器方法，由微控制器或 USB 分擔關鍵連結和功能，如 Android 產品接收和發出數據。

這款免版權費、無許可費的 DM240415 配件開發入門套件提供了一個嵌入式調試器、電源、支持圖形庫的軟體、IrDA 協議棧、USB 協議棧、閃盤驅動文件系統、電容式觸摸軟體、TCP/IP 協議棧和 MiWi 個人 Wi-Fi 支持功能。 為了將定製硬體與 Android 系統連接，該開發板還提供了八個 LED 狀態指示燈、一個電位計和用戶接口按鈕，以便能用作應用開發和測試板。 參考文獻 ［1］ 中給出了一個參考原理圖，可作為平板電腦的一種參考設計。 該 Android 客戶端驅動程序被作為 PIC USB 主機協議棧以上的一個層來執行。

圖 2：這款由 Microchip 提供的免版權費 Android OAM 模式軟體通過加入一個 Android 客戶端程序並基於其 USB 協議棧構建而成。

FTDI 和 Microchip 均對各自的器件提供開發支持，但也可由第三方提供開發支持。 Embedded Artists 通過其 EA-APP-001 Android 開放配件應用套件提供了一種開源演示和開發板。 按照相同的分離式處理器任務管理分配方案，該套件採用了兩個協處理器： 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），用於向並行運行流分配較高或較低水平的處理任務。

LPC1769 側可支持 10/100 乙太網、CAN、ZigBee （NXP Jennic） 和串行任務。 LPC11C24 側不僅共享 CAN 互連，還利用其 RGB LED、按鈕、溫度和光線傳感器管理硬體開發和傳感器連接。 該套件也可用於通過其某一個低功耗 I/O（PIO1_4） 進行低功耗喚醒功能的開發測試。

一個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 USB 型充電器接口還能從被測裝置抽取電能（圖 3）。 板上有一個原型開發區域，允許通過充電器訪問 USB 數據信號和 OAM 模式。 然後，充電器能在充電時自動通過 Wi-Fi 進行音樂和圖像同步。 NXP 的 LPC1700 系列產品培訓模塊 與其 LPC11xx 編碼密度產品培訓模塊同時提供。

圖 3：雙協處理器能夠分配與 Android 有關的外設和任務，並用作 Android 硬體擴展的開發平臺。

為運行而生

除了外設開發和 OAM 支持外，板級系統、參考設計以及開發套件還能為主要 Android 應用運行頻率達到數個 GHz 的高端處理器。 讓我們了解一下基於 ARM Cortex-A8 的 1 GHz Olimex A13-OLINUXINO-MICRO 板，該板用於基於 Linux 的 Android 產品開發。 該板以 Allwinner SoC 為基礎，是基於各種高端處理器（A8、A13、MX233 等）的 OLinuXino GHz 級處理器板的一塊。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 開發平臺基於 Allwinner A13 處理器，採用 SoC 技術，實現了高性能、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功能的所有開銷，並直接執行如 NAND 快閃記憶體、DDR RAM， SD 卡、3D 圖形、USB 等數據任務和/或密集型處理任務。

Olimex 還有一款基於 1 GHz ARM Cortex-A8 處理器的 A10S-OLINUXINO-MICRO Linux 開發板，這是一臺開源式 Android/Linux 單板微型計算機。 該板支持 USB 2.0 和 HDMI 圖形功能，支持 VGA TFT 解析度。 該板還配有 50 個 I/O 線路，用於協助原生硬體和接口的開發。

總之，可將這一 Android 處理器模塊視作具有一組標準化外設、功能、特性和開原始碼的下一代嵌入式處理器。 其高端性能和設計選項會讓 Android 系統成為廣受製造商歡迎的一種全新用戶接口，同時又為 OEM Android 系統打開一扇門，成為嵌入式設計人員的設計法寶。

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