基于FT311D的USB轉(zhuǎn)外圍硬件接口拓展方案設(shè)計(jì)

摘要：FT311D接口芯片為Android手機(jī)或平板電腦提供了USB轉(zhuǎn)外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI硬件接口功能。本文介紹了FT311D的硬件特點(diǎn)及其在Android平臺(tái)下的軟件開(kāi)發(fā)方法。實(shí)驗(yàn)表明，基于FT311D的Android設(shè)備USB轉(zhuǎn)外部接口方案硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件開(kāi)發(fā)方便，可廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、車載系統(tǒng)、POS機(jī)、智能醫(yī)療保健儀器設(shè)備等。

引言

目前，移動(dòng)市場(chǎng)已經(jīng)急劇地改變了IT行業(yè)的格局，市場(chǎng)正在向智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)計(jì)算設(shè)備傾斜。因此，很多傳統(tǒng)的PC軟件的開(kāi)發(fā)也正在迅速地向移動(dòng)平臺(tái)遷移，Android智能手機(jī)和平板電腦移動(dòng)設(shè)備逐步成為重要的計(jì)算應(yīng)用平臺(tái)。

由于考慮系統(tǒng)硬件體積、功耗、成本等因素，除了常用的USB接口外，基于Android的智能手機(jī)或平板電腦往往缺乏硬件拓展接口，這某種程度上限制了這些智能移動(dòng)設(shè)備與物理世界的信息交互能力，例如外界傳感器數(shù)據(jù)的獲取，外部執(zhí)行裝置的控制和在車載系統(tǒng)、POS機(jī)、智能醫(yī)療保健儀器設(shè)備中的應(yīng)用等。

FT311D接口芯片能為Android手機(jī)或平板電腦提供USB轉(zhuǎn)外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI等硬件接口，無(wú)需安裝USB驅(qū)動(dòng)，全面兼容USB 2.0接口，不需要軟件移植，不受Android操作系統(tǒng)升級(jí)的影響，只需安裝對(duì)應(yīng)的APK就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這有利于解決Android移動(dòng)設(shè)備硬件接口的擴(kuò)展難題。

本文介紹了基于FT311D的Android移動(dòng)設(shè)備的USB轉(zhuǎn)外圍硬件接口拓展方案，主要內(nèi)容包括FT311D的硬件特點(diǎn)及其在Android平臺(tái)下的軟件開(kāi)發(fā)方法。

1 FT311D接口芯片

FT311D芯片是由美國(guó)FTDI公司研制生產(chǎn)的面向Android移動(dòng)設(shè)備的USB轉(zhuǎn)外部硬件接口解決方案。FT311D芯片直接集成了USB通信協(xié)議棧，它分別支持USB轉(zhuǎn)UART、GPIO、PWM、I2C、SPI。FT311D芯片系統(tǒng)功能如圖1所示。

當(dāng)FT311D的外圍接口配置為UART串口模式時(shí)，該接口作為具有流控制的基本異步串行UART端口使用。FT311D的UART支持的波特率為300～921 600baud。其I2C總線主控端接口可以連接到支持125 kbps的I2C總線從控端接口。另外通用接口GPIO可以配置為提供多路脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出信號(hào)，這些輸出可用于控制電機(jī)、制動(dòng)器、傳感器、DC/DC轉(zhuǎn)換器或AC/DC電源的PWM信號(hào)以及玩具、照明應(yīng)用、家用電器和工業(yè)設(shè)備等。

圖2為FT311D芯片引腳定義，F(xiàn)T311D系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，主要引腳的功能略——編者注。

FT311D分別支持UART、GPIO、PWM、I2C、SPI硬件接口，具體接口類型由CNFG2、CNFG1和CNFG0引腳決定。接口的類型定義及其對(duì)應(yīng)引腳略——編者注。

2 軟件開(kāi)發(fā)

基于Android開(kāi)發(fā)平臺(tái)的軟件開(kāi)發(fā)，F(xiàn)T311D硬件接口應(yīng)用程序主要包括兩部分，即用戶層User Layer和接口層Layer，詳見(jiàn)圖4。

用戶層面向高層應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，程序員不需要過(guò)多考慮Android設(shè)備與FT311D接口芯片通信的具體細(xì)節(jié)，只需要借助相應(yīng)的用戶函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)GPIO/UART/I2C/SPI/PWM接口的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。而接口層則具體來(lái)執(zhí)行用戶層提供的API函數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)FT311D與Andoid系統(tǒng)間的USB通信功能，涉及具體的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)包格式等。FTDI公司提供了用戶層和接口層的Java類文件，可以很方便地編譯到用戶的應(yīng)用程序中。

3 系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)例

接下來(lái)主要介紹FT311D作為UART串行通信接口時(shí)的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)方法。在實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，基于Android手機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境，F(xiàn)T311D硬件串口驅(qū)動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)的著力點(diǎn)是UART Layer的API函數(shù)的正確使用。與圖4類似，圖5是UART串行通信驅(qū)動(dòng)程序框圖。圖6為基于FT311D串行口，Android平板電腦與桌面PC串行通信實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖。

3.1 FT311-UART Layer

FT311-UART Layer提供了UART接口類的用戶API函數(shù)。

3.1.1 SetCofig函數(shù)

函數(shù)SetConfig(int baudRate，byte dataBits，byte stopBits，byte parity，byte flowControl)的功能是設(shè)置串行通信幀格式包括通信波特率、停止位、校驗(yàn)位等，在使用串口前，必須先使用該函數(shù)來(lái)進(jìn)行正確的設(shè)置。

baudRate波特率：最小是300，最大值是921 600，默認(rèn)值是9 600。

dataBits數(shù)據(jù)位：7位或8位。

stopBits停止位：1或2位。

Parity校驗(yàn)位：0代表沒(méi)有校驗(yàn);1為奇校驗(yàn);2為偶校驗(yàn)。

flowControl流控：0為沒(méi)有，1代表有流控。

3.1.2 SendData函數(shù)功能

Send Data(byte numBytes，char[]buffer)向FT311DUART串行口發(fā)送數(shù)據(jù)。其中numBytes是發(fā)送的字節(jié)數(shù)，最大值是256;buffer是所發(fā)送數(shù)據(jù)的地址指針。

3.1.3 ReadData函數(shù)功能

Read Data(byte numBytes，byte[]buffer，byte[]actualNumBytes)從FT311D UART串行口讀取數(shù)據(jù)。

numBytes是接收的字節(jié)數(shù);buffer是所發(fā)送數(shù)據(jù)的地址指針;actualNumBytes是實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

3.2 FT311D串口通信代碼示例

基于上述API函數(shù)，示例代碼主要包括FT311D串行口配置、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

上述示例顯示，基于FT311D接口芯片，面向Android移動(dòng)設(shè)備的USB轉(zhuǎn)外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI接口功能方案，具有硬件連接簡(jiǎn)單、軟件開(kāi)發(fā)方便易行的特點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

FT311D芯片通過(guò)USB轉(zhuǎn)多種物理接口的方式拓展Android移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)一步增強(qiáng)Android移動(dòng)系統(tǒng)與外部物理世界的信息交互能力。同時(shí)FT311D硬件成本較低，開(kāi)發(fā)方便，無(wú)需安裝USB驅(qū)動(dòng)，全面兼容USB2.0接口，不需要進(jìn)行軟件移植，同時(shí)不受Android操作系統(tǒng)升級(jí)的影響，因此以FT311D為核心的Android移動(dòng)系統(tǒng)硬件接口拓展解決方案是值得推廣應(yīng)用的。