Der Universal Serial Bus (USB) ist zentraler Bestandteil der Kommunikation zwischen Android und Arduino. In diesem Buch werden die zwei verschiedenen Varianten Accessory API und USB Serial genauer unter die Lupe genommen. Die Variante USB Serial ermöglicht übrigens auch die Kommunikation mit anderen Boards, die eine serielle Schnittstelle haben, wie z. B. dem Arduino Uno.
Seit Sommer 2011 und Android 3.1 (Honeycomb) ist es möglich, über das Android SDK via USB-Host mit Peripherie zu kommunizieren. Dies ermöglicht den Anschluss von allerlei Hardware an Android-Geräte. Dazu gehören z. B. Maus oder Tastatur, das kann aber auch bis hin zu USB-Spielzeug wie Mini-Raketenwerfern gehen. Von den Autoren wird beispielsweise das Open-Source-USB-Oszilloskop »OsciPrime« entwickelt, welches via USB-High-Speed Gebrauch von der neuen USB-Host-API macht. Damit wird das Android-Gerät in ein Oszilloskop inklusive Multitouch-Funktionalität verwandelt.
Viele Arduino-Boards besitzen einen USB-Serial-Konverter. Das ist ein Mikrocontroller, der die Aufgabe hat, USB in »klassische« serielle UART-Kommunikation zu verwandeln. Diese serielle Schnittstelle wird dazu verwendet, den Haupt-Mikrocontroller auf dem Arduino-Board zu programmieren, oder während der Laufzeit mit dem Haupt-Mikrocontroller zu kommunizieren. Die serielle Schnittstelle (RS 232) stellt eines der meistverwendeten Protokolle in der Welt der Mikrocontroller dar. Ihre Einfachheit und Universalität sind Kernfaktoren für die heutige Verbreitung. Da USB wesentlich komplexer ist und spezielle Hardware bei Mikrocontrollern voraussetzt, ist bei vielen Controllern auch heute noch die klassische serielle Schnittstelle anzutreffen.
USB hat einen Host, der Ursprung aller Kommunikation ist, und bis zu 127 Devices. Dabei diktiert der Host, welches Device gerade etwas senden darf. USB erlaubt den Bezug von maximal 500 mA und läuft bei einer Spannung von 5 V. Maximal werden bei USB-High-Speed Datenraten von 480 Mbit/s erreicht. Dies sind allerdings nur theoretische Werte – in der Praxis ist, je nach Host-Controller, nur etwa die Hälfte erreichbar.
USB-Devices haben eine hierarchische Struktur. So besitzt ein USB-Device verschiedene »Configurations«, welche wiederum verschiedene »Interfaces« zur Verfügung stellen können. Jedes Interface enthält eine gewisse Anzahl »Endpoints«, die jeweils die Richtung »in« (vom Device zum Host) oder »out« (vom Host zum Device) vorschreiben. Die Richtungen in und out sind also mit Bezug auf den USB-Host definiert. Ausnahme dabei ist der Endpoint »0«, welcher bidirektional betrieben werden kann. Den Endpoints ist jeweils eine Adresse zugeordnet, welche vom Host zum Absenden oder Empfangen von Daten verwendet wird. So kann der Host einen Endpoint eines Device adressieren, welcher dem Interface der aktuellen Konfiguration zugewiesen ist.
Der USB-Standard definiert Geräteklassen. Darunter fallen z. B. Audio, Drucker oder Human Interface Device (HID; wie Maus und Tastatur). Eine Geräteklasse ist auch die »serielle« CDC-Klasse, welche eine virtuelle serielle Schnittstelle emuliert. Das USB-Device kommuniziert jeweils die Geräteklasse, und der USB-Host lädt daraufhin den entsprechenden Treiber. So wird zum Beispiel beim Anschließen einer Maus der passende Maustreiber geladen. Das USB-Device kommuniziert daher auch, um welchen »Typen« es sich handelt, mittels der Parameter »Vendor ID« (VID) und »Product ID« (PID). Für unsere Versuche filtern wir die VID/PID vom USB-Serial-Konverter des Arduinos, um von Android her kommunizieren zu können.
Tipp
»USB in a Nutshell« (http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb1.shtml) bietet eine detaillierte Übersicht des USB-Standards. Hier werden u. a. alle vorhandenen »Geräte-Profile« besprochen.
Ein weiteres wichtiges Feature von USB ist USB On-The-Go (OTG). Falls vom Betriebssystem unterstützt, ermöglicht OTG es, ein USB-Device in einen USB-Host umzuwandeln. So ist es auch möglich, bei gewissen Android-Geräten eine Maus oder Tastatur anzuschließen.
Eine Standard-Typ-A-USB-Buchse wie bei einem Computer gibt es bei Android-Geräten äußerst selten. Deswegen muss für das Anschließen einer Maus oder ähnlicher Geräte in den meisten Fällen ein sogenannter USB-OTG-Adapter verwendet werden. Mit USB OTG ist es auch möglich, externe USB-Devices mit Energie zu versorgen. USB OTG wird allerdings nicht von allen Geräten automatisch unterstützt.
Zwar ist USB OTG hardwaremäßig bei fast allen verbauten Mikrocontrollern für Smartphones und Tablets vorhanden, aber es hängt allein vom Hardware-Vertreiber ab, ob die Software USB OTG unterstützt. Besitzt man ein Android-Gerät, das USB OTG nicht unterstützt, kann man dem immer noch mit einem »Custom ROM« entgegenwirken. Speziell das CyanogenMod-Projekt (http://www.cyanogenmod.org/) ist bestrebt, dem Benutzer eine Alternative zur vorinstallierten »Interpretation« von Android zu geben.
USB OTG
Galaxy Nexus, Motorola Xoom, Nexus 7 und Galaxy S3 unterstützen USB OTG und auch die Android-USB-Host-API. Zum jetzigen Zeitpunkt sieht es so aus, als würde das Nexus 4 USB OTG nicht unterstützen. Dies kann sich jedoch mit einem Softwareupdate noch ändern – allerdings scheinen weder der Hersteller noch Google daran interessiert zu sein, da kein Statement zur Abwesenheit dieses Features vorhanden ist. Das Projekt http://usbhost.chainfire.eu/ versucht mit »user-reports«, USB-Host-Support experimentell ausfindig zu machen. Auf der Webseite kann man also nachschauen, ob ein Gerät USB OTG bzw. USB-Host unterstützt.
Dank des Android-ADK (Accessory Development Kit) ist es allerdings möglich, mit Android über USB zu kommunizieren, ohne einen USB-Host-Mode vorauszusetzen. Alle Android-Geräte, die einen »Play Store« haben, sind dazu verpflichtet, einen USB-Device-Port zu besitzen. Darüber findet nicht nur Debugging von Apps und Datenaustausch zwischen PC und Android-Gerät statt, sondern auch Kommunikation zu Android-»Accessories«.
Der Arduino Due kann dank modernem Mikrocontroller einerseits die Rolle des USB-Hosts übernehmen (mit einem USB-OTG-Adapter) und andererseits auch für ein Android-Gerät mit USB-Host-Support als »serielles« Device verwendet werden. Wird der Arduino an einen USB-Host angeschlossen, so wird er mit Strom versorgt. Unser Android-Tablet oder Android-Smartphone kann also auch als portable Batterie für den Arduino betrachtet werden. Da mit dem Arduino Due beide Varianten (USB-Host und USB-Device) möglich sind, werden wir uns in den Programmierbeispielen jeweils mit zwei Lösungsansätzen beschäftigen.
2 Arduino
Arduino ist eine Open-Source-Entwicklungsplattform. Diese Entwicklungsplattform besteht zum einen aus vielen verschiedenen Hardware-Boards und zum anderen aus der Arduino IDE, einer Softwareplattform (Entwicklungsumgebung) für die Programmierung der Mikrocontroller. Für dieses Buch verwenden wir das Ende 2012 erschienene Arduino Due als Mikrocontroller-Board.
2.1 Installieren der Arduino IDE
Die Arduino IDE kann von der offiziellen Website www.arduino.cc heruntergeladen werden. Unter dem Reiter Download wählen Sie die entsprechende Version (Windows, Mac OS X, Linux 32/64-bit). Da wir für den Arduino Due entwickeln werden, brauchen wir die Arduino IDE mindestens in der Version 1.5.1. Zur Zeit der Erstellung dieses Buches befindet sich diese Version noch offiziell in Beta-Phase. Entpacken Sie das heruntergeladene Archiv an einen passenden Ort und starten Sie die Applikation. In Ubuntu/Linux könnte dies folgendermaßen geschehen:
user@host:~$ cd Downloads
user@host:~/Downloads$ tar -xvf arduino-1.5.1-linux32.tgz
user@host:~/Downloads$ mv arduino-1.5.1 ..
user@host:~/Downloads$ cd ..
user@host:~$ arduino-1.5.1/arduino
Auf