【Android车载系列】第7章 车载通信-USB通信原理
前一章节简单介绍了串口、串口与USB的区别、Android上的串口通信实现，本章节我们来了解一下USB通信协议以及Android上实现USB通信的相关知识。
1 USB简介
通用串行总线 (Universal Serial Bus，USB) 是一种新兴的并逐渐取代其他接口标准的数据通信方式，由 Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC及Northern Telecom 等计算机公司和通信公司于1995年联合制定，并逐渐形成了行业标准。USB 总线作为一种高速串行总线，其极高的传输速度可以满足高速数据传输的应用环境要求，且该总线还兼有供电简单（可总线供电）、安装配置便捷（支持即插即用和热插拔）、扩展端口简易（通过集线器最多可扩展127 个外设）、传输方式多样化（4 种传输模式），以及兼容良好（产品升级后向下兼容）等优点。
通用串行总线(universal serial bus，USB)自推出以来，已成功替代串口和并口，成为21世纪大量计算机和智能设备的标准扩展接口和必备接口之一，现已发展到USB 4版本。USB 具有传输速度快、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等优点，可以连接键盘、鼠标、大容量存储设备等多种外设，该接口也被广泛用于智能 手机中。计算机等智能设备与外界数据的交互主要以网络和USB接口为主。
1.1 USB协议
USB与I2C/SPI/UART类似，都是一种传输数据的协议规范，但USB主要设计是用于计算机与外接设备的数据交互和文件传输，这一点也正是它现在演变为相对高速的对外接口的原因，最高速的当然是PCIe。历史就不展开讲了，下图为各个USB协议版本的带宽及发布时间，基本上就是一些行业巨头联合开发的一种协议
1.2 USB协议特点
USB的速度一直是跟着时代在飞速发展，并且得益于摩尔定律，最近几年USB速度也在不断翻倍提升。
USB 1.0就不提了，早已化作时代的眼泪。年轻的我都没接触过这个96年的老朋友。
USB 2.0 可能是目前最经典的接口，480Mbps的速度已经可以满足一般人的日常文件传输需求，所以这个千禧年的接口协议仍然活跃在市场上，而且并将继续活跃，服务器交换机目前还是使用USB 2.0居多。
USB 3，这里只谈USB 3.2 Gen2，因为这个是最新的。从USB 3x开始，这一协议开始展现出统治力，3x开始和type C结合，将曾经的文件传输接口增加为文件加视频传输接口，并且视频一上来就是最新的DP接口。
USB 4，这兄弟更猛，除了USB、DP，还额外增加了PCIe的功能，1 LANE支持到10Gbps，通过隧道技术来最大限度发挥物理带宽性能，这个还没有开始投向商用，应该还要一两年。
1.3 USB 3.2
2013年USB 3.0改名为USB 3.1 Gen 1，同时推出了10Gbps带宽的USB 3.1 Gen 2，两者统称为USB 3.1。
到了2017年，USB 3.1 Gen 1和USB 3.1 Gen 2分别改名为USB 3.2 Gen 1和USB 3.2Gen 2 。同时加入了带宽为10Gbps的USB 3.2 Gen 1x2和带宽为20Gbps的USB 3.2 Gen 2x2，这4个统称USB 3.2。至此进入了USB 3.2时代，而USB 3.0的名字已经成为历史。
总之，USB 2.0还保留着，而USB 3.0现在已经被USB-IF协会改名为USB 3.2 Gen 1了，而且还多了USB 3.2 Gen2、USB 3.2 Gen 1x2和USB 3.2 Gen 2x2。其中USB 3.2 Gen 1x2和USB 3.2 Gen 2x2表示USB3.2 Gen 1和USB 3.2 Gen 2的 双通道模式，而USB 3.2 Gen 1和USB 3.2Gen 2是单通道模式 。
接口上看，USB 3.2之前大致上有两到三种插件类型，A/B/C，但从USB3.2开始，就只有type-C了，原因就是之前都是单通道模式，两组差分一发一收就可以了，但USB 3.2为了有更高的带宽，就将type-C的本来不用的另一组差分也用上了。具体来说，下图中的蓝色两个通道在USB 3.2之前正插反插都是只用到一组的，从USB 3.2开始，正差反差就都是两组全用了。
下面分析下type C接口上的这些信号，在USB条件下分别有几个：
USB 2.0数据信号4个，其实是两个，为了满足正反插需求所以正反都有；
USB 3.2数据信号8个，包含两通道的差分收发信号；
VBUS信号4个，GND信号4个，一共8个信号处理电源；
CC信号两个；
SBU信号两个。
1.4 USB 4.0
对于USB 4，它的Gen 2和USB 3在每个lane的速度上是暂时一样的，Gen 3 则在USB 3.2的基础上再翻倍，但数据传输的内容和方式就有很大的差别。USB 3 是在传递USB的信号，但USB 4 使用了隧道技术，类似于将USB、DP、PCIe封装到一起的技术，不过这里面三个通道各自有其带宽上限。
2 USB通信
USB通信两端分别称为：HOST(USB主机) 与 Device(USB从机/USB配件)，常见的主机就是我们的计算机。而Android 可以支持USB主机模式与USB配件模式，意思就是Android既可以是主机也可以是配件（从机）。
2.1 反向不归零编码
NRZI 编码（Non Return Zero Inverted Code），即反向不归零编码。其实NRZI编码方式非常的简单，即信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1；例如想要表示00100010(B)，则信号波形如下图所示：
由图可以看到，当电平状态发生变化时，表示的数据为0。在传输的数据中，很少出现全1的状态，故接收端可以根据发送端的电平变化确定采样时钟频率。但是有时候依然会出现数据为全1的状态，也就是说信号线一直保持一个状态，这个时候时钟信号就无法传输，接收端就无法同步时钟信号，这该如何解决呢？解决方式就是在一定数量的1之后强行插入一个0，就是说若信号线状态一直持续一段时间不变的话，发送端强行改变信号线的状态，接收端则只需要将这个变化忽略掉就可以了
例如有一段数据为：1111 1111 (B)要发送，则整个传输线上的电平状态是这样的：
2.2 主机模式
主机模式表示Android设备作为主机为USB总线供电与外部设备进行通信。进行USB通信的大致流程如下：
2.3 连接检测
这一步由电气工程师负责，软件开发人员无需关心。以低速设备连接检测为例：
- USB主机端口在D+（正极）和D-（负极）上都有15K的下拉电阻，在没有设备连接时，在下拉电阻的作用下，使得两条数据线的电压都是近地的，也就是0V；
- 低速USB设备在D-上有1.5K的上拉电阻；
- 在设备连接后，此时主机上D-的下拉电阻和设备上D-的上拉电阻构成分压。此时在D-上会出现3V左右的电压，D+仍然是0V；
- 主机检测电压维持2ms，则认为当前有USB设备连接，并且是一个低速USB设备。
2.4 枚举
USB只是一个总线，只提供一个数据通路而已。USB总线驱动程序并不知道一个设备具体如何操作，有哪些行为。具体设备实现什么功能由设备自己决定，设备回复主机的请求，会返回描述符，也会修改本地设置，这是枚举。USB主机需要通过描述符了解。这些描述符主要包括：
设备描述符：一个设备只有一个，固定18字节长度，指出设备设备使用的USB协议号、设备信息、厂商和产品ID（vid与pid）等；配置描述符：描述设备配置的集合，包含的接口数、配置编号、供电方式、电流需求量等，每个配置描述符中又定义了此配置里有多少接口；接口描述符：每个接口有一个接口描述符，接口描述符定义了该接口的编号、接口端点数、接口的类、子类、协议等，每个端点对应一个端点描述符；端点描述符：定义了端点大小，类型（读、写）等。
2.4.1 描述符间的关系
USB设备会分出一些端点，如端点0、端点1等，因此USB主机要和设备通信，光有设备地址还不够，还需要一个端点地址。有了设备地址和端点地址，就可以准确的对端点发送和读取数据。
就好像我们在一台主机上运行多个Java程序，不同的Java程序就是不同的配置，而接口就是一个Java程序中实现个多个功能，包括文件操作、用户操作等功能。文件操作功能中开启多个Socket，其中Socket1接收文件数据，提供完成文件上传；Socket2发送文件数据，提供文件下载。我们需要通过主机IP地址与不同的Socket绑定的端口号去完成通信。
枚举阶段就是从设备获取各种描述符，选择不同的接口（功能），根据端点完成通信！
2.5 Android枚举设备
在Android SDK中已经完成了枚举的封装。Android提供两种方式进行枚举：
2.5.1 通过Intent过滤器
当USB设备连接时，Android会启动包含：android.hardware.usb.action.USB_DEVICE_ATTACHED Action的意图，我们可以在Manifest中注册某个Activity支持处理该Action，让系统自动将连接设备的抽象对象 UsbDevice 发送至我们注册的Activity：
<activity><intent-filter><action android:name="android.hardware.usb.action.USB_DEVICE_ATTACHED" /></intent-filter><meta-data android:name="android.hardware.usb.action.USB_DEVICE_ATTACHED"android:resource="@xml/device_filter" />
</activity>
除了指定 Intent 过滤器 之外，还需要指定一个资源文件来指定支持处理的USB设备的属性，在工程res/xml目录下创建 device_filter.xml 文件，文件内容如下：
<resources><!-- 表示只对vid：1234，pid：5678 感兴趣，其他设备接入并不会调起我们的Activity。 --><usb-device vendor-id="1234" product-id="5678" />
</resources>
VID：供应商ID，由供应商向USB-IF(Implementers Forum,应用者论坛)申请；
PID：产品ID，由供应商自行决定。不同的产品、相同产品的不同型号、相同型号的不同设计的产品采用不同的PID，以便区别相同厂家的不同设备。
如果需要处理所有USB设备，则需要将内容修改为：
<resources><usb-device />
</resources>
配置完成后，在USB设备加入时，就能通过以下方式从 Intent 获取代表所连接设备的 UsbDevice ：
@Overrideprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);UsbDevice device = getIntent().getParcelableExtra(UsbManager.EXTRA_DEVICE);}@Overrideprotected void onNewIntent(Intent intent) {super.onNewIntent(intent);UsbDevice device = intent.getParcelableExtra(UsbManager.EXTRA_DEVICE);}
2.5.2 主动枚举设备
除了使用Intent过滤器在设备插入时接收连接设备的 UsbDevice 之外，还可以使用 getDeviceList() 方法获取连接的所有 USB 设备的哈希映射。
@Overrideprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);setContentView(R.layout.activity_main);UsbManager manager = (UsbManager) getSystemService(Context.USB_SERVICE);Map<String, UsbDevice> deviceList = manager.getDeviceList();Collection<UsbDevice> values = deviceList.values();Iterator<UsbDevice> iterator = values.iterator();while (iterator.hasNext()) {UsbDevice device = iterator.next();}}
2.6 获得通信权限
如果应用使用 Intent 过滤器来发现已连接的 USB 设备，则它会在用户允许应用处理 Intent 时自动获得权限。否则，必须在应用中明确请求权限，然后才能连接到设备。因此在尝试与设备通信之前，必须先检查是否具有访问设备的权限。
如果还未具备设备访问权限则需要通过 requestPermission() 完成请求：
public class UsbReceiver extends BroadcastReceiver {public static final String ACTION_PERMISSION = "com.enjoy.usb.USB_PERMISSION";@Overridepublic void onReceive(Context context, Intent intent) {String action = intent.getAction();if (ACTION_PERMISSION.equals(action)) {UsbDevice device = intent.getParcelableExtra(UsbManager.EXTRA_DEVICE);if (intent.getBooleanExtra(UsbManager.EXTRA_PERMISSION_GRANTED, false)) {Log.d("Lance", "获取权限 ");} else {Log.d("Lance", "拒绝权限 ");}}}
}public class MainActivity {@Overrideprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState); // 注册广播接收者 usbReceiver = new UsbReceiver();IntentFilter filter = new IntentFilter(UsbReceiver.ACTION_PERMISSION);registerReceiver(usbReceiver, filter);if (!usbManager.hasPermission(usbDevice)) { //申请权限，系统弹出对话框，用户选择后发出广播，触发注册的广播接收者 PendingIntent permissionIntent = PendingIntent.getBroadcast(this, 0, new Intent(UsbReceiver.ACTION_PERMISSION), 0);usbManager.requestPermission(usbDevice, permissionIntent);}}
}
2.7 通信准备
在获得通信权限进行通信之前，一般会根据USB设备的描述信息来判断程序是否支持当前设备的通信。
如下示例为判断是否为大容量存储设备（U盘）：
private void judgeDevices() {for (int i = 0; i < usbDevice.getInterfaceCount(); i++) {UsbInterface usbInterface = usbDevice.getInterface(i);// 1、类为：USB_CLASS_MASS_STORAGE 0x08// 2、子类为：0x06 （大部分U盘使用）// 3、协议为：0x50 (Bulk-Only协议 批量传输)if (usbInterface.getInterfaceClass() == UsbConstants.USB_CLASS_MASS_STORAGE&& usbInterface.getInterfaceSubclass() == 0x06&& usbInterface.getInterfaceProtocol() == 0x50) {//每个存储设备一定有两个端点：in 和 outUsbEndpoint outEndpoint = null, inEndpoint = null;for (int j = 0; j < usbInterface.getEndpointCount(); j++) {UsbEndpoint endpoint = usbInterface.getEndpoint(j);if (endpoint.getType() == UsbConstants.USB_ENDPOINT_XFER_BULK) {if (endpoint.getDirection() == UsbConstants.USB_DIR_OUT) {outEndpoint = endpoint;} else {inEndpoint = endpoint;}}}}}}
2.8 数据传输
在完成设备枚举后，选定 UsbDevice 对象并获取权限后，接下来就可以与之进行数据交互。在USB通信过程中主要有四种数据传输方式：Control Transaction(控制传输)、Interrupt Transaction(中断传输)、Bulk Transaction(批量传输)和Isochronous Transaction(等时传输)。
控制传输：
所有USB设备与主机必须支持的方式，特点是数据量小、正确性高，一般用于信息获取、命令控制与参数配置等。在获取设备描述符阶段采用此方式。
中断传输：
中断传输是一种保证查询频率的传输，主机会保证在小于这个时间间隔的范围内安排一次传输，常用于数据量不大，但是对时间要求严格的设备，比如键盘按一个键值，鼠标移动的位移量。
批量传输:
主要用于传输大量的，但是对时间无要求的数据，比如读取U盘的数据。
等时传输：
适用于数据量大且恒定的数据，比如USB摄像头。
Android提供使用 批量传输 bulkTransfer() 与控制传输 controlTransfer() 在端点上传输的数据。
如果要完成中断与等时传输可以借助后面介绍的第三方C库：libusb。
在进行传输之前，首先需要获得设备对应的 UsbDeviceConnection 对象：
deviceConnection = usbManager.openDevice(usbDevice);//锁定此接口UsbInterface （其实就是锁定端口，同时只能一处使用） deviceConnection.claimInterface(usbInterface, true); // 控制传输 byte[] maxLun = new byte[1];deviceConnection.controlTransfer(requestType, request, value, index, bytes, bytes.length, TIMEOUT);// 批量传输 deviceConnection.bulkTransfer(endpoint, bytes, bytes.length, TIMEOUT);
2.9 关闭通信
当完成与设备的通信后，需要调用 releaseInterface() 和 close() 来关闭 UsbInterface 和 UsbDeviceConnection。
//关闭
deviceConnection.releaseInterface(usbInterface);
deviceConnection.close();
而如果是设备断开连接，可以通过广播监听：
BroadcastReceiver usbReceiver = new BroadcastReceiver() {public void onReceive(Context context, Intent intent) {String action = intent.getAction();//某个USB设备断开连接if (UsbManager.ACTION_USB_DEVICE_DETACHED.equals(action)) {UsbDevice device = intent.getParcelableExtra(UsbManager.EXTRA_DEVICE);// 注意：当前通信设备if (device != null && isCurDevice()) {deviceConnection.releaseInterface(usbInterface);deviceConnection.close();}}}};
【Android车载系列】第7章 车载通信-USB通信原理相关推荐
- Android 通过USB与PLC设备通信(USB转串口)
经朋友介绍接的一个外包,要求用USB和PLC设备通信,于是乎就有了本文.内容不深,权当做个记录整理一下当时的思路. 一.解决思路 1. 首先,PLC设备通常都是用串口进行通讯,走的Modbus协议.这 ...
- 【Android车载系列】第8章 车载通信-USB协议代码实现
1 USB协议 1.1 USB协议分层 上一篇已经简单介绍了USB协议的相关知识,其中的描述符较为重要,描述符成功返回,USB通信已经成功了一大半,具体描述符的知识点可以翻阅上一篇来了解.下面我们 ...
- 【Android车载系列】第2章 车载系统启动与CarService
1 车载启动流程 车载Android启动流程基本是在Android系统的启动流程中,多了Car相关服务.其他流程基本一致,下面我们来看一下Android系统的启动流程. 1.1 Android系统启动 ...
- 【视频文稿】车载Android应用开发与分析 - 走进车载操作系统
本期内容的视频地址:https://www.bilibili.com/video/BV1rR4y1B7Qd/ Hello,各位好,我是一个做车载软件开发的软件工程师,之前在CSDN.稀土掘金这些平台上 ...
- 2023最新Android 车载系统开发教程，车载开发入门
近两年,在智能化汽车布局的风口下,车载成为了程序员热门话题之一.车载系统的开发让汽车的娱乐生态更加丰富,满足了人们更加多元化的需求,例如:车载的界面布局更贴近手机本身,在保证用户使用习惯的同时,让驾驶 ...
- Android车载应用开发与分析 - 车载Android应用开发入门指南
1. 前言 - 移动互联网退潮下的汽车大战 2019年中国首个外商独资的整车制造项目,"上海特斯拉超级工厂"开工了. 特斯拉在智能化和电子化上的巨大优势将智能汽车推向了一个全新的高 ...
- Android N和YunOS强势杀入车载OS市场，整车厂亟待加强软件能力！
原文地址::http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MzI4MzAwMA==&mid=2651002195&idx=1&sn=7c5d18759 ...
- 第39章 ETH—Lwip以太网通信—零死角玩转STM32-F429系列
第39章 ETH-Lwip以太网通信 全套200集视频教程和1000页PDF教程请到秉火论坛下载:www.firebbs.cn 野火视频教程优酷观看网址:http://i.youku.com/ ...
- 第39章 ETH—Lwip以太网通信—零死角玩转STM32-F429系列
第39章 ETH-Lwip以太网通信 全套200集视频教程和1000页PDF教程请到秉火论坛下载:www.firebbs.cn 野火视频教程优酷观看网址:http://i.youku.com/ ...
最新文章
- 在 CentOS7 安装 ELK【转】
- 大专计算机单招有哪些,大专单招和统招的区别有哪些
- Java多线程与并发库高级应用 学习笔记 1-9课
- java解析json转Map
- oracle 11g（二）安装过程
- GLSurfaceView源码分析以及简单使用
- 【转】 Android xml中 @和?区别，style和attr小结
- WebService与RestAPI 、SoapAPI
- 终于把所有的Python库，都整理出来啦！
- 【Java】Java文件读写
- linux离线安装系统工具arping
- html支持bmp格式,bmp和jpg的区别是什么？
- java 从socket读数据,从数据读取TcpClient不如socket
- 植被覆盖指数计算教程（ENVI）
- 1、4表格细线边框合并
- 朱有鹏 socket编程接口介绍（3）
- 什么是redis？redis如何使用？
- 2.CA一维元胞自动机（netlogo）
- 饥荒联机版Mod开发——两种帽子（十）
- 数据结构课程设计—同学录管理系统(c语言）