适配Android手机的串口通信套件设计

王明辉，雷卫延，黄海，谭晗凌

（广东省气象探测数据中心，广东广州 510640）

在自动气象观测领域，有大量观测设备和通信设施通过串口配置参数或输出气象报文，需要借助电脑才能准确检查串口通信是否正常［1-3］。由于笔记本电脑配备成本高、携带不方便，因此，很多维保人员在维修现场无电脑可用，对串口通信故障束手无策，难以准确定位故障点。

Android是Google公司主导开发的一种基于Linux的开源操作系统，广泛应用于通信、物流、互联网行业，基于Android系统的智能手机在全球智能手机市场占有率已经超过Apple公司搭载ios系统的iphone，排名第1。近年来，气象行业已经基于Android智能手机开展了一些应用，显著地提高了效率［4-9］。本研究基于Android手机的USB-OTG功能研发了一套便携的串口通信套件，实现Android手机APP与气象观测设备串口双向通信，使维保人员在维修现场能够通过Android手机方便、高效、准确地检查设备的串口工况，具有很高的业务应用价值。

1 套件架构

套件架构如图1所示。

图1 套件架构示意图

USB协议是一种用于计算机与外设方便连接的数据总线，建立连接的2个USB设备分为主设备 host和从设备 device（又称 slave），仅当host与device连接时才能传输数据。OTG是对USB 2.0协议的补充，其最重要的扩展是更节能的电源管理和允许设备以host和device两种形式工作［10-12］。目前绝大部分Android手机支持OTG协议，当该种手机通过USB连接电脑时，电脑为host，手机为device。在本方案中，串口通信套件包含硬件转换模块和运行在Android手机上的APP软件，Android手机工作形式为host，硬件转换模块为device。转换模块拥有一个Micro-USB接口和一个RS232串口，当模块的Micro-USB接口与Android手机相连时，APP软件自动启动，再将RS232串口与自动气象站等设备的串口连接，即可建立手机到设备的RS232串口通信。

2 转换模块设计

2.1 功能性设计

常用的 USB转串口芯片有 CH340、FT232、PL2303等系列［13-15］，这些芯片的最新版本多已加入对 Android系统的支持。PL2303HXD是Prolific公司PL2303系列第5代USB转TTL电平串口芯片，支持Android系统，因性价比最高而广泛商用。该芯片自带12 MHz晶振，支持75～12 Mbp波特率，完全满足自动气象观测设备常采用的1 200、9 600波特率。芯片支持以5、6、7、8位数据位和1、2位停止位收发，校验方式可选奇校验、偶校验或无校验，满足自动气象观测设备常用的串口配置，如7位数据位、1位停止位、偶校验，或8位数据位、1位停止位、无校验。芯片具有可配置的512 Byte双向数据缓冲器，本套件将输入和输出缓冲区分别配置为256 Byte，通过编程循环读取、写入缓冲区实现串口读取、发送。由于自动气象站等设备的串口为RS232电平，在与PL2303HXD通信时还需要做RS232-TTL电平的转换。该套件采用了 NI公司的MAX202芯片与PL2303HXD配合，实现RS232电平和TTL电平的相互转换。硬件转换模块在物理上实现了USB-RS232信号转换。

2.2 电路设计

硬件转换模块设计通过Micro-USB型接口与手机建立OTG连接，该接口为5线制，依次定义为 VBUS、DM、DP、ID、GND。PL2303HXD和MAX202芯片工作电压均为+5 V，典型电流分别为20和8 mA，满足手机OTG接口的带负载能力，故设计转换模块通过VBUS、GND从手机的Micro-USB接口获取+5 V供电。为防止芯片经电源线从手机引入干扰，或转换模块传输数据时产生高频信号通过电源线传入手机，在VBUS、GND传输线上各设计一个80μH的电感抑制高频信号。根据OTG协议，手机USB端口内部ID线上拉，默认工作在device状态。转换模块设计ID线与GND短接，与手机连接后将手机USB端口的ID线下拉，使手机进入host状态。

DM、DP是一对传输数据的差分信号线，在手机USB端口内部，DM和DP各连接一个15 kΩ的下拉电阻，设计转换模块的DP接口连接一个1.5 kΩ的上拉电阻，两者连接时手机的DP电平被拉高，从而将 PL2303HXD识别为全速USB。为防止数据传输过程中的高速信号在端口附近产生反射，模块在尽量靠近PL2303HXD芯片的DM和DP上各串联一个22Ω的匹配电阻。在数据传输时，芯片U1、U2间TTL电平的TXD、RXD信号线会发生高速的高低电平翻转，模块在VBUS和TXD、RXD之间设计了LED用于显示数据传输情况。当TXD、RXD信号线为低电平时，利用1 kΩ的限流电阻使得通过LED的电流＜3 mA，LED导通发光。转换模块核心电路如图2所示。

图2 转换模块核心电路示意图

3 软件设计

为实现Android手机的OTG通信，需要开发与转换模块匹配的APP软件。PL2303HXD芯片原厂提供了JAR驱动库，支持系统版本3.2（API Level 13）以上的Android手机，不需要root即可实现OTG通信。本研究搭建了Eclipse+ADT+Android SDK开发环境，基于JAVA语言和驱动库pl2303multilib.jar开发了APP软件，软件可运行在Android 3.2及以上版本的Android手机上。软件测试平台为魅族牌Android手机，Android版本7.1.2。

软件设计为单Activity窗体，包含串口参数设置、串口读取显示、串口发送3个功能区，如图3所示。串口参数包括波特率、校验位、数据位、停止位，均采用Spinner控件进行选择。Android手机检测到转换模块插入后自动启动软件，设置串口参数后点击“打开”Button打开串口，软件自动读取串口信息并显示在TextView控件中，当收到下一条信息时自动刷新显示。发送时，将待发送信息输入EditText控件，点击“发送”Button实现信息发送。

图3 APP软件界面

3.1 打开串口

软件打开是Activity窗体进入Running状态的过程，Activity需要依次经过onCreate（）--＞onStart（）--＞onResume（）3个生命周期。在onCreate（）方法中对窗体界面进行渲染，将控件初始化并设置事件监听，一旦触发则执行相应方法。在Spinner控件初始化时设置选择条目监听setOnItemSelectedListener，当选择串口参数时，触发执行MyOnItemSelectedListener类的onItem-Selected（）方法，实现串口参数修改。

／／渲染窗体

setContentView（R.layout.activity_main）；／／波特率选择控件初始化

spBaudRate1＝（Spinner）findViewById（R.id.DevSpinner1）；

ArrayAdapter＜CharSequence＞adapter＝ArrayAdapter.createFromResource（this，R.array.BaudRateList，android.R.layout.simple_spinner_item）；

adapter.setDropDownViewResource（android.R.layout.simple_spinner_dropdown_item）；

spBaudRate1.setAdapter（adapter）；

spBaudRate1.setOnItemSelectedListener（new MyOnItemSelectedListener（））；

APP软件的串口参数缺省设置为9 600、N、8、1。以波特率为例，9 600在Spinner下拉列表中排序第5，在初始化时，需通过setSelection（）方法将第5项设置为缺省。

／／缺省波特率设置为9 600

spBaudRate1.setSelection（5）；

spBaudRate1.setEnabled（false）；

在 Button、CheckBox、EditText等控件初始化时，设置点击事件监听setOnClickListener。在点击“打开”Button时，触发执行 OpenUARTDevice（）方法。

／／设置“打开”Button的点击事件监听

btOpen1 ＝ （Button）findViewById（R.id.OpenButton1）；

btOpen1.setOnClickListener（new Button.On-ClickListener（）｛

public void onClick（View v）｛

OpenUARTDevice（DeviceIndex1）；

｝

｝）；

在OpenUARTDevice（）方法中，根据onItem-Selected（）方法设置的串口参数或缺省串口参数打开串口，其中boolean型返回值res如为true，表明串口打开成功。

／／按照预设串口参数打开串口

res＝mSerialMulti.PL2303OpenDevByUARTSetting （index， info.mBaudrate，info.mDataBits，info.mStopBits，info.mParity，info.mFlowControl）；

在串口打开后，依然可以在onItemSelected（）方法中修改串口参数，并重新建立串口连接。

／／重设串口参数

res＝mSerialMulti.PL2303SetupCOMPort（iSelected，info.mBaudrate，info.mDataBits，info.mStopBits，info.mParity，info.mFlowControl）；

3.2 串口读取

APP软件在读取串口信息时，并不知道信息何时发送，也不知道信息的长度，需要定时检查是否有信息传来。本研究建立了一个单独的串口读取子线程，在子线程中持续访问PL2303HXD芯片输出缓冲区，以便在溢出或覆盖前及时将串口发来的信息取出，流程如图4所示。

图4 串口读取流程示意图

利用Runnable接口创建子线程是Android系统中常用的技术，通过重写其run（）方法来实现程序功能。本研究基于此建立了串口读取子线程ReadLoop1，在其run（）方法中通过for循环不断读取串口输出缓冲区。子线程在主线程中通过Thread实例创建并运行，直至软件退出才结束。

／／启动串口读取子线程

new Thread（ReadLoop1）.start（）；

……

／／子线程的实现

private Runnable ReadLoop1＝new Runnable（）｛

public void run（）｛

for（；；）｛

／／延时 50ms

DelayTime（50）；

……

｝

｝

｝；

驱动库pl2303multilib.jar提供了串口的读取方法PL2303Read（），本研究在每个for循环中读取一次输出缓冲区，读取的信息保存在字节型数组ReadBuf1中，int型返回值ReadLen1为本次读取信息的长度。缓冲区内的数据为Byte格式，读出后转换为字符串并追加到ReadBufOrig中，多次读取的数据长度累加为ReadLen。for循环需要在PL2303HXD芯片输出缓冲区写满之前将数据读出，并将缓冲区清空，以便后续信息从缓冲区的开始位置继续写入。在for循环中检测到某次读取为空时，表明一次数据传输完毕，整条数据已完全存放于字符串ReadBufOrig中，总长度为ReadLen。

／／读取PL2303HXD芯片输出缓冲区

ReadLen1＝mSerialMulti.PL2303Read（DeviceIndex1，ReadBuf1）；

for（int j＝0；j＜ReadLen1；j++）｛

sbHex.append（（char） （ReadBuf1［j］＆0x000000FF））；

｝

ReadBufOrig＝ReadBufOrig+sbHex.toString（）；

ReadLen+＝ReadLen1；

在Android系统中，主线程只负责初始化和界面显示等任务，费时的操作全部放到子线程执行，在子线程完成运算需要显示时，必须将要显示的信息传递给主线程，通过主线程完成显示。一次数据传输完毕后，需要将读取到的信息显示到软件窗体的TextView控件上。本研究利用Handler.post（Runnable）方法将读取完整的字符串格式信息传递到主线程，在主线程更新Text-View显示控件tvRead1，实现读取数据的显示。在接收到下一条串口信息时，tvRead1刷新显示新接收的信息。DZZ1-2新型自动气象站在开机时通过串口输出一系列中文编码的系统说明［16］，为兼容显示，字符串在显示前转换为GBK字符集编码。

／／在主线程中创建Handler

HandlermHandler1＝new Handler（）；……

／／在子线程中通过 Handler.post（Runnable）方法更新主线程UI

mHandler1.post（new Runnable（）｛public void run（）｛

／／转换为GBK字符集编码ReadBuf＝new String（ReadBufOrig.getBytes（“ISO-8859-1”），“GBK”）；

／／更新 TextView显示

tvRead1.setText（ReadBuf）；

……｝

｝）；

3.3 串口发送

软件的串口发送功能需要人工输入待发送内容，通过点击“发送”按键完成串口发送。程序初始化时对串口“发送”Button控件设置了点击事件监听 setOnClickListener，重写其 WriteT-oUARTDevice（）方法，利用驱动库pl2303multilib.jar提供的串口发送方法PL2303Write（）将要发送的信息按字节写入PL2303HXD芯片输入缓冲区，通过串口发送出去。由于要发送的信息长度可能超过输入缓冲区容量，本研究将待发送信息打断，逐64 Byte发送，剩余长度不足64 Byte时则一次性发送。

while（strWrite.length（）／64！ ＝0）｛

String tmp＝new String（strWrite.substring（0，64））；

／／串口逐64 Byte发送

res ＝ mSerialMulti.PL2303Write（index，tmp.getBytes（“GBK”））；

strWrite＝strWrite.substring（64）；

DelayTime（50）；

｝

／／不足64 Byte则一次性发送

res＝mSerialMulti.PL2303Write（index，str-Write.getBytes（“GBK”））；

根据中国气象局综合观测司的要求，新型自动气象（气候）站的指令以＜回车＞ ＜换行＞（“＼r＼n”）结尾［17，18］。在 PC的串口助手中，只需要敲击键盘的“回车”键即可输入＜回车＞＜换行＞，但在Android系统的输入法中，“回车”键只能输入 ＜换行 ＞（“＼n”），而无 ＜回车 ＞（“＼r”）。为此，软件设计了“指令”CheckBox控件，勾选后自动在待发送字符串末尾追加字符串“＼r＼n”，实现正常的指令下发。

4 应用介绍

4.1 串口测试

套件支持Android手机与电脑串口通信，能够对DZZ1-2新型自动气象站、WP3103区域自动气象站、EWOS-1生态气象自动观测系统、PTB330气压传感器、Belfort6000能见度仪等设备的串口输出检查，也可应用于其他通用串口设备。利用转换模块连接DZZ1-2新型自动气象站数据采集器和手机，在Android手机上运行APP软件，勾选“指令”，向数据采集器发送“dmgd”即可调取分钟观测数据，如图5所示。

图5 向DZZ1-2型数据采集器发送指令

4.2 打环测试

利用套件可以对光电转换器、串口服务器、通信电缆等通信传输设备做打环测试。将套件的RS232串口与光电转换器RS232串口连接，用光纤回路器连接光电转换器的光纤收发接口，在APP软件发送测试信息，如光电转换器工作正常，则软件串口读取显示区将显示发出的测试信息，如图6所示。

图6 打环测试界面

自动气象站、气压传感器、超声风传感器、能见度仪、串口服务器、光电转换器等多种设备均使用了串口通信，以往只能通过电脑串口来检查设备串口状态或设置设备参数。本研究利用PL2303HXD芯片开发了运行在Android手机的串口通信套件，实现Android手机与设备间的串口通信，为自动气象观测设备串口通信故障现场排查提供了一个方便、可靠、低成本的工具。由于Android手机广泛普及，本套件的经济成本极低，也更加便携，适合在自动气象观测维保一线推广应用。