张佳进，陈立畅，唐爱云

（1.云南农业大学基础与信息工程学院，昆明650201；2.云南农业大学工程技术学院；3.云南省招标采购局）

引 言

目前，移动市场已经急剧地改变了IT 行业的格局，市场正在向智能手机和平板电脑等移动计算设备倾斜。因此，很多传统的PC软件的开发也正在迅速地向移动平台迁移，Android智能手机和平板电脑移动设备逐步成为重要的计算应用平台。

由于考虑系统硬件体积、功耗、成本等因素，除了常用的USB接口外，基于Android的智能手机或平板电脑往往缺乏硬件拓展接口，这某种程度上限制了这些智能移动设备与物理世界的信息交互能力，例如外界传感器数据的获取，外部执行装置的控制和在车载系统、POS机、智能医疗保健仪器设备中的应用等［1-2］。

FT311D接口芯片能为Android手机或平板电脑提供USB转外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI等硬件接口，无需安装USB驱动，全面兼容USB2.0接口，不需要软件移植，不受Android操作系统升级的影响，只需安装对应的APK 就能实现数据通信，这有利于解决Android移动设备硬件接口的扩展难题［3］。

本文介绍了基于FT311D 的Android 移动设备的USB转外围硬件接口拓展方案，主要内容包括FT311D的硬件特点及其在Android平台下的软件开发方法。

1 FT311D接口芯片

FT311D芯片是由美国FTDI公司研制生产的面向Android移动设备的USB 转外部硬件接口解决方案。FT311D 芯片直接集成了USB 通信协议栈，它分别支持USB转UART、GPIO、PWM、I2C、SPI。FT311D 芯片系统功能如图1所示［4］。

图1 FT311D芯片系统功能示意图

当FT311D的外围接口配置为UART 串口模式时，该接口作为具有流控制的基本异步串行UART 端口使用。FT311D 的UART 支持的波特率为300～921 600 baud。其I2C总线主控端接口可以连接到支持125kbps的I2C总线从控端接口。另外通用接口GPIO 可以配置为提供多路脉冲宽度调制（PWM）输出信号，这些输出可用于控制电机、制动器、传感器、DC／DC转换器或AC／DC电源的PWM 信号以及玩具、照明应用、家用电器和工业设备等。

图2为FT311D芯片引脚定义，FT311D 系统原理框图如图3所示，主要引脚的功能略——编者注。

FT311D 分别支持UART、GPIO、PWM、I2C、SPI硬件接口，具体接口类型由CNFG2、CNFG1和CNFG0引脚决定。接口的类型定义及其对应引脚略——编者注。

图2 FT311D芯片引脚定义

图3 FT311D系统功能框图

2 软件开发

基于Android开发平台的软件开发，FT311D 硬件接口应用程序主要包括两部分，即用户层User Layer和接口层Layer，详见图4。

图4 FT311D硬件接口驱动程序框架

用户层面向高层应用程序开发，程序员不需要过多考虑Android设备与FT311D接口芯片通信的具体细节，只需要借助相应的用户函数即可实现USB转GPIO／UART／I2C／SPI／PWM 接口的驱动程序设计。而接口层则具体来执行用户层提供的API函数功能，实现FT311D 与Android系统间的USB通信功能，涉及具体的通信协议和数据包格式等。FTDI公司提供了用户层和接口层的Java类文件，可以很方便地编译到用户的应用程序中［5］。

3 系统应用开发实例

接下来主要介绍FT311D作为UART 串行通信接口时的驱动程序开发方法。在实际开发应用中，基于Android手机开发环境，FT311D硬件串口驱动软件开发的着力点是UART Layer的API函数的正确使用。与图4类似，图5是UART 串行通信驱动程序框图。图6为基于FT311D串行口，Android平板电脑与桌面PC串行通信实验实物图。

图5 UART串行通信驱动程序框图

图6 Android平板电脑与桌面PC串行通信实验

3.1 FT311-UART Layer

FT311-UART Layer 提供了UART 接口类的用户API函数。

3.1.1 SetConfig函数

函数SetConfig（int baudRate，byte dataBits，byte stopBits，byte parity，byte flowControl）的功能是设置串行通信帧格式包括通信波特率、停止位、校验位等，在使用串口前，必须先使用该函数来进行正确的设置。

baudRate波特率：最小是300，最大值是921 600，默认值是9 600。

dataBits数据位：7位或8位。

stopBits停止位：1或2位。

Parity校验位：0代表没有校验；1为奇校验；2为偶校验。

flowControl流控：0为没有，1代表有流控。

3.1.2 SendData函数功能

SendData（byte numBytes，char［］buffer）向FT311D UART 串行口发送数据。其中numBytes是发送的字节数，最大值是256；buffer是所发送数据的地址指针。

3.1.3 ReadData函数功能

ReadData（byte numBytes，byte［］buffer，byte［］actualNumBytes）从FT311D UART 串行口读取数据。

numBytes是接收的字节数；buffer是所发送数据的地址指针；actualNumBytes是实际接收到的数据个数。

3.2 FT311D串口通信代码示例

基于上述API函数，示例代码主要包括FT311D串行口配置、数据发送与接收。

上述示例显示，基于FT311D接口芯片，面向Android移动设备的USB转外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI接口功能方案，具有硬件连接简单、软件开发方便易行的特点。

结 语

FT311D芯片通过USB转多种物理接口的方式拓展Android移动设备的应用领域，进一步增强Android移动系统与外部物理世界的信息交互能力。同时FT311D 硬件成本较低，开发方便，无需安装USB 驱动，全面兼容USB2.0接口，不需要进行软件移植，同时不受Android操作系统升级的影响，因此以FT311D 为核心的Android移动系统硬件接口拓展解决方案是值得推广应用的。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

［1］Z Wang，A Stavrou.Exploiting smart-phone usb connectivity for fun and profit［C］／／Proceedings of the Annual Computer Security and Applications Conference（ACSAC），2010.

［2］Cheng-Min Lin，Kuo-Chen Lang，Yi-Lun Chu，et al.An Implementation for Connecting Android Powered Device to External World［C］／／The 2nd International Conference on Innovations in Bio-inspired Computing and Applications，2011：303-305.

［3］FT311D［EB／OL］.［2013-09］.http：／／www.ftdichip.com／Products／ICs／FT311D.html.

［4］FT311D Datasheet［EB／OL］.［2013-09］.http：／／www.ftdichip.com／Support／Documents／DataSheets／ICs／DS＿FT311D.pdf.

［5］L C Png.A fully integrated audio，video，and data VLC transceiver system for smartphones and tablets［C］／／IEEE International Symposium on Consumer Electronics（ISCE 2013），2013：249-251.