Android USB开发—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。

Android作为配件与其通信的主机必须设计为与Android设备兼容，即遵循Android配件通信协议(AOA协议)。也就是说需要按照此协议进行USB主机设备的开发。

配件模式

有兴趣的可以在《4、AOA协议》中了解，此处不再过多描述。

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：

1、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(如果感兴趣可以看圈圈教你玩USB1：链接：https://pan.baidu.com/s/1dOen5533QWN5IMtGAO_zXw 提取码：wvs9 )。

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、枚举设备

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，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。

枚举设备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。

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）

Android 枚举设备

2.1、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：

2.1.1、通过Intent过滤器

<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：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<resources>

	<usb-device vendor-id="1234" product-id="5678" />

</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。

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：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<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 ：

@Override

protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {

    super.onCreate(savedInstanceState);

    setContentView(R.layout.activity_main);

    UsbDevice device = getIntent().getParcelableExtra(UsbManager.EXTRA_DEVICE);

}

@Override

protected void onNewIntent(Intent intent) {

    super.onNewIntent(intent);

    UsbDevice device = getIntent().getParcelableExtra(UsbManager.EXTRA_DEVICE);

}

2.1.2、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。

UsbManager usbManager = (UsbManager) getSystemService(Context.USB_SERVICE);

...

Map<String, UsbDevice> deviceMap = usbManager.getDeviceList();

Collection<UsbDevice> values = deviceMap.values();

Iterator<UsbDevice> iterator = values.iterator();

while (iterator.hasNext()) {

    devices.add(iterator.next());

}

2.2、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：

@Override

protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {

    super.onCreate(savedInstanceState);

    UsbReceiver 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);

    }

}

public class UsbReceiver extends BroadcastReceiver {

    public static final String ACTION_PERMISSION = "com.zxj.usb.USB_PERMISSION";

    @Override

    public 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", "没有权限 ");

            }

        }

    }

}

根据描述符筛选设备

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）：

https://www.usb.org/defined-class-codes

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//大容量设备

            && usbInterface.getInterfaceSubclass() == 0x06//U盘

            && usbInterface.getInterfaceProtocol() == 0x50) {//通信协议采用Bulk-Only协议

        //每个存储设备一定有两个端点：in 和 out

        UsbEndpoint outEndpoint = null, inEndpoint = null;

        for (int j = 0; j < usbInterface.getEndpointCount(); j++) {

            UsbEndpoint endpoint = usbInterface.getEndpoint(j);//获取到端点

            if (endpoint.getType() == UsbConstants.USB_ENDPOINT_XFER_BULK) {

                if (endpoint.getDirection() == UsbConstants.USB_DIR_OUT) {

                    outEndpoint = endpoint;//写端点

                } else {

                    inEndpoint = endpoint;//读端点

                }

            }

        }

    }

}

3、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，首先需要获取设备对应的UsbDeviceConnection对象

UsbDeviceConnection deviceConnection = usbManager.openDevice(usbDevice);

//锁定此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);

4、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);

            if (device != null && //当前通信设备) {

                deviceConnection.releaseInterface(usbInterface);

                deviceConnection.close();

        }

    }

}