USB sorgt für neue Möglichkeiten bei Android-Anwendungen

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1 USB sorgt für neue Möglichkeiten bei Android-Anwendungen Autoren: Dave Sroka & Sriram Paulraj, FTDI Chip Das Marktforschungsunternehmen ComScore bestätigte kürzlich, dass das Android-Betriebssystem über 50% des Smartphone-Markts in den USA beherrscht. In Europa findet sich Android sogar noch häufiger. Hier liegt der Marktanteil in den fünf größten Wirtschaftsländern laut Daten von Kantar bei über 65% (mit erstaunlichen 87% in Spanien). Android-basierte Tablet-PCs sind ebenfalls auf dem Vormarsch und bedrängen Apples ipad in seiner weltweiten Popularität. Durch die höhere Beliebtheit von Android steigen auch die Anforderungen an die Funktionalität dieses Betriebssystems. Damit Hardwarehersteller Zubehör für Android-Plattformen entwickeln können, hat Google im Frühjahr 2011 das Android-Open-Accessory-Programm eingeführt. Dabei wird die herkömmliche USB-Anbindung um einen zusätzlichen Enumerationsschritt erweitert. Die USB-Verbindung (entweder ein USB-fähiges Gerät oder ein USB-OTG-Port) ermöglicht einer Android- Plattform (Tablet, Smartphone etc.) als Slave/Peripherie zu fungieren, anstatt die Rolle des Hosts zu übernehmen. Wird die Android-Plattform in den Zubehörmodus (Accessory Mode) versetzt, fungiert das angeschlossene Zubehör als USB-Host, versorgt den Bus und führt den Enumerationsprozess durch. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile:

2 1. Die Android-Plattform muss die angeschlossene Hardware nicht mit Strom versorgen, was deren Laufzeit sonst stark verkürzen würde. Umgekehrt kann aber Strom vom angeschlossenen System bezogen werden. 2. Die Systemkomplexität vereinfacht sich, da der USB Host Stack, der den USB-Bus steuert, nicht unterstützt werden muss. Bei der Applikationsentwicklung muss daher kein Rooten des Host Stacks und der Treiber auf der Android-Plattform erfolgen. Dies verringert den Speicherbedarf für die USB-Verbindung und vereinfacht die Systemsoftwarearchitektur. Hardware, die dem Android-Open-Accessory-Protokoll entspricht, erkennt die Verbindung zu einer Android-Plattform. Über die Device-Deskriptoren wird dann geprüft, ob diese Plattform den Accessory-Modus unterstützt. Ist dies der Fall, überprüft die Hardware, ob sich die Plattform bereits im Accessory- Modus befindet. Falls nicht, wird versucht, diesen zu initiieren. Die Hardware kann dann die Datenübertragung starten und gleichzeitig 500 ma Ladestrom für die Android-Plattform bereitstellen. Dies wirkt sich positiv auf das Stromverbrauchsprofil des Systems aus entweder durch Aufladen der Batterie oder durch den Betrieb anderer Funktionen. Mögliche Anwendungen für Android Open Accessory Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, bei denen das Open-Accessory-Programm seine Vorteile ausspielen kann. Im Gesundheitswesen ergibt sich damit eine erhöhte Mobilität, einfachere Anwendung und ein besseres Zeitmanagement. Ärzte oder medizinisches Personal können mithilfe von Überwachungsgeräten Daten erfassen (Herzfrequenz, Blutzucker, Körpertemperatur, Blutdruck etc.) und später auf einem Tablet analysieren. Da Tablets eine wesentlich kürzere Lebensdauer haben als die Produkte, die an sie angeschlossen werden (sie

3 können 10 bis 15 Jahre alt sein), lassen sich aktuellere Tools für die Datenbearbeitung und eine intuitivere Benutzerschnittstelle nutzen. In einem Fitness-Center lassen sich so z.b. Trainingsdaten von den benutzten Geräten auf das Smartphone herunterladen (Kalorienverbrauch, gelaufene/gefahrene Distanz, Herzfrequenz etc.). Diese Daten lassen sich mit Daten aus früheren Trainingseinheiten kombinieren und später ausgewerten. Damit lässt sich eine Konditionsverbesserung im Laufe der Zeit protokollieren und auch ein Datenaustausch mit anderen (Freunden oder Personal Trainern) ist zum Vergleich möglich. Anderswo hat diese Technik ihre Vorteile für Techniker, die Software-Upgrades auf Haushaltsgeräte hochladen oder Diagnoseinformationen herunterladen müssen. Im Bereich der Fotografie können einzelne Anwender ihre Smartphones direkt mit den Druckern in Geschäften verbinden, anstatt umständlich die Speicherkarte entfernen zu müssen, um auf die Bilddateien zuzugreifen. In der Haustechnik besteht damit Datenanbindung zu Thermostaten, Sprinkleranlagen, Sicherheitssystemen und audiovisuellen Einrichtungen, die manchmal schwer und umständlich zu programmieren sind. Für sie ist nun eine benutzerfreundliche, einfach verfolgbare Phone-basierte App vorhanden. Warum verdrahtet? Einige würden nun argumentieren, Warum kann das nicht drahtlos funktionieren? Android verfügt zwar über eine drahtlose Anbindung, da sowohl WiFi- als auch Bluetooth-Stacks unterstützt werden. In der Realität sind diese aber für LANs (Local-Area-Netzwerke) und Mobilfunknetzwerke vorgesehen, anstatt vor allem für das PAN (Personal-Area-Netzwerk) verwendet zu werden. Obwohl Bluetooth an sich PAN-orientiert ist, kann es

4 nicht die Datenraten unterstützen, die viele der Android-Open-Accessories- Anwendungen erfordern würden. Drahtlose Kommunikation sollte im Prinzip bequem sein, aber falls die Datenübertragung aufgrund begrenzter Geschwindigkeiten sehr langsam ist, geht diese Bequemlichkeit verloren. Eine drahtlose Verbindung beansprucht auch die Batterielebensdauer der Android- Plattform, während eine USB-Verbindung sogar ein Laden der Batterie erlaubt zusätzlich zur schnelleren Datenübertragung. Außerdem müssen drahtlose Verbindungen zwischen System erst etabliert werden, wohingegen das USB-Kabel diese Verbindung automatisch übernimmt. Damit ergibt sich ein klares, einfaches Anwendungsmodell, das zu weniger Supportanfragen seitens der Kunden führt. Wireless-Implementierungen sind oft auch komplex und teuer. Dazu können Design-Fragen auftreten, die sich von komplexeren Leiterplatten-Layouts und einem begrenzten Platzangebot auf der Leiterplatte bis hin zu Datensicherheit, Antenneneinbau und Performance aufgrund von Störungen innerhalb des Systems erstrecken. Und auch die Koexistenz drahtloser Netzwerke im Allgemeinen muss mit berücksichtigt werden, da die Funkbänder immer voller werden. Im Gegensatz dazu bietet USB eine einfache direkte physikalische Verbindung. Da diese bereits standardmäßig in das tragbare Produkt integriert ist (zum Laden und für die traditionelle PC-Anbindung), wird kein zusätzlicher Platz auf der Leiterplatte eingenommen und es entstehen keine zusätzlichen Kosten USB ist praktisch umsonst. Da Entwickler mit USB meist recht vertraut sind, stellt die Technik ein geringeres Implementierungsrisiko dar als drahtlose Alternativen. Und da auch die Endkunden wissen, wie sie USB zu bedienen haben, ist das Betriebsmodell bzw. die Handhabung bekannt, was insgesamt zu geringeren Kosten beim Kundensupport führt.

5 USB-Halbleiterlösungen für Android Open Accessory Aus der Sicht von Android sind die Vorteile von Open Accessory eindeutig: das andere System muss nun als USB-Host fungieren. USB-Host- Implementierungen haben allerdings andere Anforderungen, die erfüllt werden müssen. FTDI hat dafür einen fortschrittlichen Host-IC entwickelt, der durch ein umfassendes Ecosystem, speziell für Android Open Accessories, ergänzt wird. Der FT311D ist ein USB Full Speed (12 MBit/s) Host, der als Bridge für den USB-Port und bis zu sechs verschiedene, vom Anwender wählbare, Schnittstellen (GPIO, UART, PWM, I²C Master, SPI Slave und SPI Master) verwendet werden kann. Wird die Peripherieschnittstelle des FT311D für den UART-Modus konfiguriert, wird ein asynchroner serieller UART-Port mit Datenflusssteuerung und Datenraten von bis zu 6 MBit/s implementiert. Die I²C-Master-Schnittstelle verbindet dann I²C-Slave-Schnittstellen mit bis zu 125 KBit/s. Das Interface kann auch so konfiguriert werden, dass vier PWM-Ausgänge (Pulsweitenmodulation) zur Verfügung stehen. Mit diesen können PWM-Signale zur Ansteuerung von Sensoren, Gleichstrommotoren, Aktuatoren und anderen Bauteilen in externer Hardware generiert werden, wie z.b. in den bereits genannten Anwendungsbereichen Haushalt, Medizintechnik, Industrie und Sport. Die allgegenwärtige USB-Verbindung ist in bester Position, als Datenübertragungsmedium zwischen tragbaren Geräten und externem Zubehör zu dienen. Da die Mobilität in vielen Bereichen des täglichen Lebens immer weiter zunimmt, ist eine anspruchsvollere Host-Funktion gefragt. Damit ergeben sich neue Datenanbindungsmöglichkeiten. Android Open Accessories bieten die Grundlage für neue und spannende Anwendungen.