2011年5月26日

[Android 教學] 淺談 Android Open Accessory

Android Open Accessory | ADK


新版 Android SDK 下載安裝中文教學課程講義,歡迎延伸點閱!


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Android 3.1 平板電腦作業系統以及它的開發工具套件 Android 3.1 SDK 終於在美國時間 2011年5月10日 至 2011年5月11日 舉行的 Google I/O 2011 大會正式發表。(註: Android 2.3.4 智慧型手機作業系統也在同時間一併推出。)

Android 3.1 平板電腦作業系統是 Google 繼美國時間 2011年2月22日 首次推出 Android 3.0 平板電腦作業系統之後的更新版本。

對於 Android 應用程式開發者而言,除了欣喜 Android 再一次新的變革之外,我們相信大家也期待在這一次的改版之中,能看見更多未來的發展機會與展望。

因此,我們希望透過此篇 Android 教學講義之編寫,讓身為 Android 應用程式開發者的讀者朋友們,能夠更進一步地暸解此回 Android 3.1 平板電腦作業系統的改版對於開發者之影響。以下為本篇 Android 教學講義的六項主軸:


  • Android 教學: Android 3.1 的新開發功能

  • Android 教學: USB ( Universal Serial Bus )

  • Android 教學: Accessory Mode 與 Host Mode

  • Android 教學: Android Open Accessory Development Kit ( ADK )  的硬體初始溝通程序

  • Android 教學: ADK 開發板 ( Android Open Accessory Compatible Development Boards )

  • Android 教學: Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的已知限制


如果您對於 Android 手機或平板電腦應用程式開發也有興趣,歡迎您先閱讀我們在網路上已發表的 Android 手機與平板電腦應用程式開發教學系列講義。

本講義目前網路連載發表有:Android手機程式開發教學講義懶人包Android 教學講義第一講Android 教學講義第二講Android 教學講義第三講Android 教學講義第四講Android 教學講義第五講Android 教學講義第六講Android 教學講義第七講上篇Android 教學講義第七講下篇Android 2.3補充教材1Android 2.3補充教材2Android 3.0平板電腦完整功能搶先看(From T-Mobile)Android 3.0 平板電腦應用程式開發:第一講Android 3.0 SDK 正式版登場Android 嵌入式系統最新開發應用 - SAAB IQon 車用電腦Android 2.3 補充教材3Android 3.0 平板電腦應用程式開發:第二講Android 教學講義第八講上篇Android 教學講義第八講中篇(1)Android 4.0 SDK 開發功能介紹與下載網址Android 4.0 SDK 下載安裝完整教學Android 4.0 模擬器安裝設定教學課程講義Android 4.0 的 Holo theme 佈景主題介紹與設定教學課程講義Android 4.2 升級功能簡介Android 4.2 SDK & ADT Bundle 下載安裝教學2013年第1講: Android Application Project 之建立2013年最新 Android Studio 開發工具下載安裝教學最新 Android App 網路連線程式設計範例 (第一講) - Volley HTTP Library 入門教學Android App 與 Android Application Project 是什麼?Android 4.4 KitKat 與 Android 4.4 SDK 開發功能介紹Android SDK 下載安裝中文教學課程講義 ( 2013年11月新版,ADT Bundle )


Android 教學: Android 3.1 的新開發功能


【孫傳雄研究室 編著】綜觀此次 Android 3.1 平板電腦作業系統的新功能,主要包括:新增讓使用者可自行調整視窗大小的桌面小工具介面元件  ( Home Screen Widgets ) 、支援新形態的媒體傳輸協定 ( Media Transfer Protocol , MTP ) 、支援以串流音訊為主的即時傳輸協定 ( Real-time Transport Protocol , RTP ) 以及更廣泛地支援滑鼠、搖桿與遊戲手柄 ( Mice , Joysticks , and Gamepads ) 等 USB 外部週邊設備等部份。

不過,我們認為此次 Android 3.1 平板電腦作業系統的改版,對於電子產業與資訊軟體產業的讀者朋友而言,最值得關注的要點不在平板電腦本身,而是在於 Android 開放性週邊設備開發套件 ( Android Open Accessory Development Kit , ADK ) 的一併推出。(註: Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 內含 Android Open Accessory APIs )

更進一步地說,我們認為 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的推出是 Android 3.1 平板電腦作業系統、甚至是 2.3.4 智慧型手機作業系統之中最重要的變革。(註: Android 3.1 平板電腦作業系統已內建 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的 Android Open Accessory APIs ,同時 Android 2.3.4 智慧型手機作業系統可以透過 Google APIs 附加函式庫 ( the Google APIs add-on library ) 的方式運作。)

原因無他,主要是 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 讓相容於它的 USB 週邊設備能夠透過 USB 外接式傳輸介面的方式,主動地與 Android 2.3.4 智慧型手機或者 Android 3.1 平板電腦啟動連接,並進行 USB 連接傳輸工作。

此舉大幅地增加了 Android 智慧型手機或平板電腦與 USB 週邊設備之間的互動關係。

像是 Google I/O 2011 大會的場內人員,他們便利用搭載著 Android 3.1 平板電腦作業系統的 Motorola Xoom 平板電腦,在一個大型的實體迷宮之中操控一顆 5000 磅的滾球(影片來源: IntoMobile on YouTube 影音頻道)。





另外,據 Android Developers 官方部落格所示,也有人利用搭載著 Android 3.1 平板電腦作業系統的平板電腦,去操控一隻小型 Android 機器人玩具的雙手與身軀,並且讓機器人跳著迪士可舞蹈、它的眼睛還可閃爍著 LED 的亮光。(影片來源:chrisjrelliott 的 Youtube 影音頻道 )





當然,這些 USB 週邊設備不會只是上述的迷宮滾球或者小型 Android 機器人玩具而已,在未來也可能包括更多內建機器人控制器 ( Robotics Controllers ) 的電子機器人或機器手臂、數位音樂播放設備 ( Musical Equipment ) 、健身運動器材 ( Exercise Equipment ) 、甚至自動販賣機 ( Kiosks ) 等…。

這些 USB 週邊設備的未來發展潛力,仍有待於電子產業與資訊軟體產業的人們,實際去進行相關軟硬體的開發工作來實現。

更進一步地說, Android 智慧型手機與平板電腦應用程式開發者在過去多半只能涉足於智慧型手機或平板電腦螢幕當中虛擬的軟體世界。

然而,透過 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 可以讓 Android 應用程式開發者用更簡易的方式,踏出螢幕的藩籬,實際運用高階程式語言去操控人們實際可觸的 USB 週邊設備。

當開發者可以使用 Android SDK 相關的高階程式語言取代艱澀難懂的組合語言去控制 USB 週邊設備時,可能促使更多資訊軟體產業的開發者與電子產業業者合作,共同投入此一領域的產品開發工作。

反過來說,由於 Android 允許 USB 週邊設備製造業者,在不用簽訂特定授權協議 ( Special Licensing ) 或支付授權金 ( Fees ) 的狀況下,便能夠自行生產能夠連接 Android 3.1 平板電腦或者 Android 2.3.4 智慧型手機的 USB 週邊設備。(資料來源: Android Developers 官方部落格)

因此,對於這些業者而言,他們有可能在此基礎之上,結合龐大的 Android 生態圈,為自家的電子產品創造出更多元化且有創意的功能與產品線。

所以,我們願意相信,此一舉措對於未來的電子產品發展有可能產生漸進式的深遠影響,同時也可能有間接地促進電子產業、通訊產業與資訊軟體產業在未來進行更緊密的匯流與結合。

另一方面,由於過往大部份的 Android 智慧型手機礙於只能扮演 USB 設備端 ( USB Device ) 角色之故,導致使用者不易擴充它們的 USB 週邊設備。

因此, Android 此舉或許也是希望 USB 週邊設備反過來成為 USB 主機端 ( USB Host ) 角色,再透過 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的協助,讓 USB 週邊設備仍然可以與不具備 USB 主機端 ( USB Host ) 角色的 Android 智慧型手機互動溝通,亦即轉個彎達成 Android 智慧型手機能夠擴充 USB 週邊設備的目的。(註:本篇講義下方會對 USB 主機端 ( USB Host )與 USB 設備端 ( USB Device ) 的概念架構進行說明。)

所以,無論您是身為電子產業當中的一份子、或者您早已是 Android 手機或平板電腦應用程式的軟體開發者,皆有必要深入去探究 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的細節與發展。(註: Android 3.1 平板電腦作業系統已內建 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的 Android Open Accessory APIs,同時 Android 2.3.4 智慧型手機作業系統可以透過 Google APIs 附加函式庫 ( the Google APIs add-on library ) 的方式運作。)

Android 教學: USB ( Universal Serial Bus )


不過,當您要深入探究 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 時 ,我們認為您應先理解 USB 的概念架構。

因此,我們在以下的內容中,會透過 USB 的概念架構來談 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 。

我們在此要特別強調地是:由於,本講義的以下說明除了指涉於搭載 Android 3.1 平板電腦作業系統的平板電腦之外,也有部份與搭載 Android 2.3.4 智慧型手機作業系統的智慧型手機有關。

因此,除非內容專指 Android 3.1 平板電腦或 Android 2.3.4 智慧型手機的部份外,不然.我們一律以 《 Android 裝置》統一稱呼搭載 Android 3.1 平板電腦作業系統的平板電腦以及搭載 Android 2.3.4 智慧型手機作業系統的智慧型手機。

至於那些配合《 Android 裝置》並以 USB 做為連接方式的外部週邊設備,我們則一律以《 USB 週邊設備》稱呼。

什麼是 USB 呢?

USB ( Universal Serial Bus ) 中文稱為《通用串列匯流排》,它是普遍被用來做為電腦主機與週邊設備之間的外接式傳輸介面。

由於, USB 支援熱插拔和隨插即用功能,而且還有成本低、速度快等優點,因此,目前它已逐漸成為許多電腦主機與週邊設備之間所通用的外接式傳輸介面。

標準的 USB 通訊架構是以非對稱(即一對多)的 USB 主機端 ( USB Host ) <-> USB 設備端 ( USB Device ) 之主從架構方式運作,它的訊號交換方式為雙向的資料傳輸。

更進一步地說,一個 USB 主機端的硬體可以內建多個 USB 插座 ( USB female sockets ) ,以供多個 USB 設備端的硬體透過 USB 線路插頭 ( USB plugs ) 同時雙向連接傳輸。

所以,像是您的個人電腦之中,有可能內建了兩個以上的 USB 插座,以供您連接印表機、滑鼠、簡報筆、隨身碟或者網路攝影機等多種 USB 週邊設備。

在此狀況之下,您的個人電腦多半是處於 USB 主機端 ( USB Host ) ,而印表機、滑鼠、簡報筆、隨身碟或者網路攝影機則處於 USB 設備端 ( USB Device ) 。

更深入地說,處於 USB 主機端 ( USB Host ) 的硬體主控了整個 USB 資料傳輸的過程,以及提供 USB 資料傳輸時的電力供給。

而,那些處於 USB 設備端 ( USB Device ) 的硬體則非 USB 資訊傳輸過程的主控者,它們只能遵從 USB 主機端 ( USB Host ) 硬體的發號司令,並且進行雙向資料傳輸以發揮各自所肩負的特定功能 ( Functions ) 。

所以,當您的個人電腦沒有要求 USB 印表機進行列印的動作時,則 USB 印表機在正常情況之下,它是無法主動去啟動個人電腦的列印工作。

那麼, Android 呢?

當然,眾多的《 Android 裝置》也都已內建 USB 或者 micro-USB (尺寸較小的 USB 插座與插頭標準) 的外接式傳輸介面。

像是 Acer ICONIA Tab A500 平板電腦便在機身上內建一個 USB 2.0 外接式傳輸介面插座。(影片來源: Acer 的 Youtube 影音頻道)





又像是 ASUS Eee Pad Transformer 平板電腦則是在它的專屬基座之中配備兩個的 USB 2.0 外接式傳輸介面插座。(影片來源: ASUSTeK Computer 的 Youtube 影音頻道)





不過,在各類 《 Android 裝置》之中,除了那些搭載著 Android 3.0 平板電腦作業系統的平板電腦外,大多數的 Android 智慧型手機所提供的 USB 外接式傳輸介面,通常只被用來做為 Android 智慧型手機與個人電腦之間同步資料傳輸之用,而非做為擴充週邊設備用途。

亦即,此時的《 Android 裝置》多處於 USB 設備端 ( USB Device ),而非 USB 主機端 ( USB Host ) 。

所以,在 Android 2.3.4 智慧型手機作業系統之前的 Android 智慧型手機,它們並不容易擴充 USB 週邊設備。

另一方面,縱然那些搭載著 Android 3.0 平板電腦作業系統的平板電腦,它們比起 Android 智慧型手機來說,多了可以成為 USB 主機端 ( USB Host ) 硬體的優點,亦即它們可以擴充相關的《 USB 週邊設備》。

但是,那些搭載著 Android 3.0 平板電腦作業系統的平板電腦仍無法廣泛地相容於許多現有的《 USB 週邊設備》。(註: Android 3.1 平板電腦作業系統所內建的 USB Host APIs 便是要解決此一相容性問題。 )

同時,那些搭載著 Android 3.0 平板電腦作業系統的平板電腦與現有的許多 Android 智慧型手機一樣,仍無法讓處於 USB 主機端 ( USB Host ) 的《 USB 週邊設備》主動啟動資料傳輸工作。(註:據新聞指出,目前 Acer 、 Asus 與 Motorola 等品牌的 Android 3.0 平板電腦,可能於現在或者未來升級新版的 Android 3.1 平板電腦作業系統。)

因此,如何改善 《 Android 裝置》的 USB 外接式傳輸介面之效用,成為 Android 3.1 平板電腦作業系統此次改版的重心。

Android 教學: Accessory Mode 與 Host Mode


Android 3.1 平板電腦作業系統對於 USB 外接式傳輸介面之相關程式開發的支援,可以用兩個面向去體察。


  • 其一, 設備模式 ( Accessory Mode ) :讓處於 USB 設備端 ( USB Device ) 的《 Android 裝置》硬體,可以連接那些特別做為 USB 主機端 ( USB Host ) 角色的《 USB 週邊設備》,此時《 USB 週邊設備》才能主動啟動資料傳輸工作並提供電力供給。請注意,它們兩方的資料傳輸是雙向互通的。

    此模式就像上述之例: Google I/O 2011 大會的場內人員,他們便利用搭載著 Android 3.1 平板電腦作業系統的 Motorola Xoom 平板電腦,在一個大型的實體迷宮之中操控一顆 5000 磅的滾球。

  • 其二, 主機模式 ( Host Mode ):讓處於 USB 主機端 ( USB host ) 的《 Android 裝置》,可以更廣泛地連接那些原本就做為 USB 設備端 ( USB Device )  角色的《 USB 週邊設備》,此時 《 Android 裝置》才能主動啟動資料傳輸工作並提供電力供給。請注意,它們兩方的資料傳輸仍是雙向互通的。


上述兩模式的概念圖,如下所示(此概念圖為本講義修改重繪自 Android Developers 官網):


image


由於,上述的主機模式 ( Host Mode ) 與 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的 Android Open Accessory APIs 無關,而與 Android USB Host APIs  有關。

因此,我們在凝聚討論焦點的考量之下,在本篇講義中僅會討論與 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的 Android Open Accessory APIs 有關的設備模式 ( Accessory Mode ) 的內容範疇。至於,主機模式 ( Host Mode ) 則待日後有機會再另闢講義說明。

Android 教學: Android Open Accessory Development Kit ( ADK )  的硬體初始溝通程序


講到此,您可能會問:『如何成為相容於 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的《 USB 週邊設備》?』

匯整 Android Developers 官網內容所示:『您的《 USB 週邊設備》需要遵守 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的 Android 週邊設備協定 ( Android Accessory Protocol ) 、並為上述的設備模式 ( Accessory Mode,即 USB 週邊設備可為 USB 主機端 ( USB Host ) 角色 ) 且能提供 500mA / 5V 的電力供給。』

當然,您還需要利用 Android SDK 與 ADK 去撰寫一套能夠安裝在 《 Android 裝置》並配合您的《 USB 週邊設備》之 Android 應用程式。

關於此部份的細節說明,您可以參考 Android Developers 官網上的文件資料

至於,《 USB 週邊設備》如何開始與《 Android 裝置》進行硬體的初始溝通呢?

以下,我們節錄翻譯 Android developers 官方部落格所發表一篇”A Bright Idea: Android Open Accessories”技術文章之部份內容如下:


  • USB 線路之連接確認:當《 USB 週邊設備》與 《 Android 裝置》之間的 USB 線路連接與裝置偵測無誤後,彼此才會開始進行溝通動作。

  • 識別代碼之產生:在此過程中,《 Android 裝置》會先依製造商與設備型號等資料,去產生一個屬於自己的新 VID/PID 識別代碼。

  • 設備模式 ( Accessory Mode ) 之支援確認:然後,《 USB 週邊設備》則需發送一個控制交易訊息 ( Control Transaction ) 給《 Android 裝置》,詢問它是否支援設備模式 ( Accessory Mode ) 。

  • 應用程式之相容確認:一旦《 Android 裝置》向《 USB 週邊設備》確認支援設備模式  ( Accessory Mode ) 時,《 USB 週邊設備》會透過控制交易訊息傳送一連串的字串給《 Android 裝置》。這些字串是提供《 Android 裝置》去確認它的系統中是否有相容於該《 USB 週邊設備》的應用程式。

  • 下載安裝相容應用程式:假若,它沒有找到合適的應用程式時,該訊息也會提供一個 URL 網址,以供《 Android 裝置》的用戶至網路下載安裝相容於該《 USB 週邊設備》的應用程式。(註:該 URL 網址可以是該應用程式在 Android Market 之中的下載網址)

  • 設備模式 ( Accessory Mode ) 開始運作:這個步驟完成後,《 USB 週邊設備》會再傳送一個控制交易訊息給《 Android 裝置》,以告知《 Android 裝置》可以進入設備模式 ( Accessory Mode ) 。


在此要強調的是,當《 Android 裝置》與《 USB 週邊設備》之間完成上述低階層次的硬體初始溝通後,則相容於該《 USB 週邊設備》且已安裝於《 Android 裝置》的應用程式會接手雙向資料傳輸的工作,以達成《 Android 裝置》在此 USB 連接的功能使命。

Android 教學: ADK 開發板 ( Android Open Accessory Compatible Development Boards )


當然,您在此類應用程式的研發或學習階段,可能沒有那麼龐大的人力與物力去自行生產製造《 USB 週邊設備》。

所以,ADK 也跟 ARM 嵌入式系統開發般,具備有提供研發與學習之用的 ADK 開發板 ( Android Open Accessory Compatible Development Boards ) 。

這種 ADK 開發板是專為學習者或者開發者所生產製造的電路板,學習者或開發者可以透過 ADK  開發板來嘗試自行組裝與開發所想要的軟硬體功能。

總體觀之,ADK 開發板主要是具備一張具備 USB 微控制器的電路板 ( A USB Micro-controller Board, 又稱 ADK 控制板 ) ,此電路板需遵守 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 文件之中所規範之 Android 週邊設備協定 ( Android Accessory Protocol ) 。

另一方面,在此 ADK 控制板 ( ADK Board ) 之上還可以再搭配相容於 ADK 控制板 ( ADK Board ) 的 ADK 擴充板 ( ADK Shield ) ,以擴充其輸出入功能模組。

上述 ADK 控制板 ( ADK Board ) 與 ADK 擴充板 ( ADK Shield ) 兩者亦可合稱為 ADK 開發板。(註:相關的硬體開發與規範細節,您需參閱 Android Open Accessory Development Kit (ADK) 裡頭的硬體設計檔案文件。)

正常來說,ADK 控制板 ( ADK Board ) 就像是個人電腦上的主機板,而 ADK 擴充板 ( ADK Shield ) 則像是主機板上的音效卡、影像卡等電路板般,它們主要是負責擴充 ADK 控制板 ( ADK Board ) 的輸出入功能。

倘若,您先前鑽研過 Arduino 開發原始碼之電子產品雛型開發平台 ( Open Source Electronics Prototyping Platform ) ,一定對於 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 感到似曾相識!

沒錯, Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 實際上是建構於 Arduino 開發原始碼之電子產品雛型開發平台 ( Open Source Electronics Prototyping Platform ) 。

因此,專屬於 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的電路板架構,其實是基於 Arduino Mega2560 USB 微控制器板(又稱 Arduino Mega 2560 控制板)的硬體技術架構而來。

但是,因為 Arduino Mega2560 USB 微控制器板(又稱 Arduino Mega 2560 控制板) 本身只支援 USB 設備端 ( USB Device ) 角色 ,而非 USB 主機端 ( USB Host ) 角色 。因此, Android 在硬體技術架構上又結合了可支援 USB 主機端 ( USB Host ) 角色的 Circuits@Home 之 USB 主機端擴充板 ( USB Host Shield ) 。

我們綜合 Android Developers 官網官方部落格所示,其實目前國外已有五家業者提供相容於 ADK 的開發板 ( Android Open Accessory Compatible Development Boards ) 的販售或預售。

這五套 ADK 開發板分別為:RT Corp 的 RT-ADK&RT-ADS、 MicrochipTechnology 的 PIC24F Accessory Development Starter Kit for Andriod 、 Seeedstudio 的 Seeeduino ADK Main Board 、 Modern Device 的 Freeduino USB Host Board 以及 DIY Drones 的 PhoneDrone Board for Android

如果,您經過我們上述的介紹,仍不清楚 ADK 開發板 ( Android Open Accessory Compatible Development Boards ) 為何物?

MicrochipTechnology 的 PIC24F Accessory Development Starter Kit for Andriod 有提供一則 ADK 教學板的操作教學短片,有興趣的讀者朋友可以參考看看。(影片來源: MicrochipTechnology 的 Youtube 影音頻道)





Android 教學: Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的已知限制


不過,我們剛才有提到:


由於,過往大部份的 Android 智慧型手機礙於只能扮演 USB 設備端 ( USB Device ) 角色之故,導致使用者不易擴充它們的 USB 週邊設備。

因此,Android 此舉或許也是希望 USB 週邊設備反過來成為 USB 主機端 ( USB Host ) 角色,再透過 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 的協助,讓 USB 週邊設備仍然可以與不具備 USB 主機端 ( USB Host ) 角色的  Android 智慧型手機互動溝通,亦即轉個彎達成 Android 智慧型手機能夠擴充 USB 週邊設備的目的。


雖然,透過 Android Open Accessory Development Kit ( ADK ) 可以達到上述之目的。然而,如何讓 USB 週邊設備既可以成為 USB 主機端 ( USB Host ) 角色,又可以不必肩負提供電力之 USB 主機端 ( USB Host ) 責任。則是未來 Android 需要努力解決之處。(資料來源: Android Developers 官方部落格)

至於,如何開發配合《開放式電子設備》的 Android 應用程式?此部份,我們待日後有機會再另闢教學講義深入說明。



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此篇講義的主要參考文獻來源Android Developers 官網Android Developers 官方部落格


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