Android智能硬件的定义与应用领域

Android智能硬件的定义与应用领域

2.一款智能硬件产品开发的全流程

导入需求,分析确定需求细节，讨论方案的技术可行性。

由需求确定使用哪些外设，对外设进行选型，需充分考虑性能、质量、结构设计、价格、供应商支持度等各方面的因素。

优先确认使用什么Android主板，确认主板与外设选型后告知结构工程师进行结构外形设计。

硬件工程师负责外接设备的控制板开发并提供接入协议，硬件工程师还须将外设接入Android主板的线材适配好。

UI设计师提供界面给软件工程师(Android),开始进入进行软件开发阶段。

产品样品建模制作出外壳，打磨、喷漆后进行所有元件的组装。

样品烧入程序，开始交予测试。

程序bug修改，稳定性测试。

所有测试通过后，撰写用户文档与操作手册。

一款智能硬件样品全部制作完毕。

3.智能硬件开发所涉及的技术体系概述

Android UI

列表(RecycleView)

动画(Animation)

手势(Gesture)

外部通信

Wifi、热点

4G

GPIO

存储

TF卡

U盘

FTP

脚本

点亮屏幕

固件升级

NDK

音视频播放

设备通讯协议加密

接入已有的C库

人脸识别

外接设备

二维码

摄像头

喇叭、麦克风

触摸屏

LCD液晶屏

打印机

NFC模块

IC类读卡器

4.关于主板选型

Android主板的选型一定要放在首位，因为这是整个产品的控制中心，核心元件，如果不能自己定制主板，那就只能依赖于供应商提供方案。现行市面上非常多做安卓工业主板的，不愁找不到主板，但想要很特殊的定制可能会比较麻烦，除非你的量很大，否则只能用人家的标准板。依赖供应商还有一个特别麻烦的事情，就是系统功能定制的沟通，这是一个特别漫长而痛苦的过程。

4.1 Anroid系统在智能硬件中所必要的功能

结合多个项目的经验，总结出智能硬件在安卓系统中所基本必要的功能。

CPU芯片是一块主板最核心的元件,对于智能硬件而言CPU价格是不能太高的,不然会导致产品成本过高竞争力下降，但CPU性能又不能太差以让产品毫无竞争力可言。从我观察的情况来看，现在市面上的智能硬件基本是三家芯片厂商占据了绝大部分市场，它们分别是：

全志 AllWinner

飞思卡尔 FreeScale

瑞芯微是我接触比较多的，在百度搜安卓主板出来的广告厂商基本都是采用瑞芯微方案的，总体来说瑞芯微方案是最成熟的。

全志的安卓主板给我的感觉就是很便宜但系统都是4.2或4.4,说实话有点落后时代，不是5.0系统以上的主板我都不想碰，界面太丑系统还有点卡。

最后关于飞思卡尔，这是一个国外厂商，我手上还没接触过这个芯片的板子，很少见搭载这个芯片的安卓主板，也许在某些特定应用场景才会考虑这个芯片吧。

下面重点介绍下瑞芯微(下面简称RK芯片)系列4款常见的芯片。

以疫情之前的价格来说，RK3288工业主板的价格大概在350~500 之间，RK3399价格在500~700之间，RK3188比3288便宜，RK3368介于3288与3399之间。

对于绝大多数应用场景而言，RK3288绝对能满足需求，价格也比较适中，系统一般是Android5.1不用进行运行时权限适配。RK3399主要用于对于运算能力要求比较高的场景，比如人脸识别，3399还有一大优势就是板子面积相对而言比较小。我目前基本都是采用3288进行开发的，对于智能硬件而言成本还是首要考虑因素，毕竟制造业利润低。

下图是一块3288的主板示意图及规格说明

5.关于串口通信

串口通信是Android智能硬件开发所必须具备的能力，市面上类型众多的外设基本都是通过串口进行数据传输的，所以说不会串口通信根本就做不了智能硬件开发。

5.1 UART定义

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种串行异步收发协议。

UART串口有三种工作方式：单工、半双工、全双工。硬件连接比较简单，仅需要3条线，注意连接时两个设备UART电平，如电平范围不一致请做电平转换后再连接，可参考此文章。

我们常见的串口通讯设置的界面如下所示,

主要有下列几个参数;Speed(baud) 波特率

Data bits 数据位

Stop bits 停止位

Parity 奇偶校验位

Flow Control 流控

我们的设置基本都是8位数据位，1位停止位，无校验无流控，就如上图所示。对于程序开发而言，主要关注的参数就是波特率。

另外，需要注意的是比特率、成波特率两者之间是有区别的。

波特率表示每秒钟传送的码元符号的个数，是衡量数据传送速率的指标，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示。在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。

1波特即指每秒传输1个码元符号(通过不同的调制方式，可以在一个码元符号上负载多个bit位信息)。1比特每秒是指每秒传输1比特(bit)。单位“波特”本身就已经是代表每秒的调制数，以“波特每秒”(Baud per second)为单位是一种常见的错误。

按照上述的基本设置，其实一个码元总共传输了10个比特，1个起始位+1个停止位+8个数据位，如波特率为9600，那每秒一共传输了9600*10 = 96000个比特，换算成字节为12000 byte，约合11.72kb。

需要注意的是这12000byte指的是串口实际一共传输的数据位，但对于我们程序而言，真正能处理的数据就是除去起始位与停止位的数据位，对于传输8位数据位的设置而言，波特率是多少则传输的字节就是多少。如9600的波特率表示每秒传输9600个字节，每毫秒9.6字节。

安卓主板中一个串口端子的定义如下图所示

在我所接触的众多外设中，安卓的常用串口有三种标准接口。

RS485

TTL

UART所指的是硬件接口，是硬件层次的描述。而TTL与RS232、485则指的是数据传输的电平标准，计算机的存储单位是二进制位(bit)，也就是0和1，而0和1怎么用电压来表示呢?不同的表示方法于是对应了不同的标准，这就是TTL、RS232这些电平标准之间的区别。

所有CPU芯片的UART数据传输的电平都是采用TTL标准的，我们所看到的安卓主板上RS232或485的接口都是要再需要经过一次电平转换才能与CPU进行通信的。可以这样说，安卓主板CPU直接引出来的串口管脚都是TTL标准的，如需要其它的接口则要中间再增加一个电平转换芯片以满足要求。

5.2 三种UART接口介绍

TTL

对于输出电路：电压大于等于(≥)2.4V为逻辑1;电压小于等于(≤)0.4V为逻辑0;

对于输入电路：电压大于等于(≥)2.0V为逻辑1;电压小于等于(≤)0.8V为逻辑0;

RS232

采用负逻辑，规定逻辑“1”的电平为-5V~-15 V，逻辑“0”的电平为+5 V～+15 V。选用该电气标准的目的在于提高抗干扰能力，增大通信距离。RS -232的噪声容限为2V，接收器将能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，将高到-3 V的信号作为逻辑“1”。

全双工通信，传输距离较短，其通讯距离小于15 m，传输速率小于20 kb/s。

RS485

数字信号采用差分传输方式，即是A-B两者的电压差用以表示逻辑状态，能够有效减少噪声信号的干扰。

RS-485工业总线标准能够有效支持多个分节点和通信距离远，总共可接收32个设备，且对于信息的接收灵敏度较高,均采用屏蔽双绞线传输。采用半双工(两线制)最大传输距离约1219米，传输速度最高达10Mbps。

6.关于屏幕显示

每次一个新项目的开发，我所做的第一件事就是确定所选定显示屏的型号规格，然后将规格书发给主板供应商让其先调屏参。

调屏参是很可能会出现无法点亮屏幕的情况，因为现在市场上有许多不同厂家的屏，不同尺寸，不同的接口，所以说点亮屏幕要预留一定的时间，否则拖延项目的进度。

LVDS

EDP

MIPI

在这四种屏幕接口中HDMI是最高效的，也能输出像4K这样的分辨率，无须考虑任何屏参的适配，只要有HDMI接口几乎所有屏幕都能快速点亮。

HDMI的缺点在于成本比较高，首先需要一个HDMI转换板，其次需要一根体积比较大的HDMI连接线，这些都会给结构设计带来相当大的阻碍，最后HDMI有个最大的缺点就是其插拔式的接口，可能会出现接触不良的严重后果。

LVDS主要用于大尺寸屏幕的连接显示，如19寸、21.5寸、50寸等大尺寸液晶。而EDP主要运用于笔记本领域的屏幕显示，MIPI则运用于手机等小屏的显示。

6.1 HDMI

HDMI规格可搭配宽带数字内容保护(HDCP)，以防止具有著作权的影音内容遭到未经授权的复制。

使用HDMI接口时要特别注意使用的环境是否经常抖动，如常抖动的话要对接头处进行加固处理，因为HDMI线一般是直插式的，很容易松动造成无信号输入。

6.2 LVDS

LVDS Low Voltage Differential Signaling即低压差分信号传输，是一种满足当今高性能数据传输应用的新型技术。由于其可使系统供电电压低至 2V，因此它还能满足未来应用的需要。

是为克服以TTL电平方式传输宽带高码率数据时功耗大、EMI电磁干扰大等缺点而研制的一种数字视频信号传输方式。工控机采用LVDS输出接口，可以使得信号在差分PCB线或平衡电缆上以几百Mbit/s的速率传输，因采用低压和低电流驱动方式，实现了低噪声和低功耗。

此类LCD目前在中高端平板和笔记本中广泛使用，现在行业出现一种比较新的规范----eDP，在笔记本行业将广泛用于取代LVDS，支持超高分辨率(>1080P)。

6.3 EDP

Embedded DisplayPort.一般采用EDP接口的液晶显示屏其分辨率更高，高清液晶显示屏都采用EDP的通信接口，像笔记本电脑一般都采用EDP接口，EDP屏幕都比较薄.

EDP接口是一种基于DisplayPort架构和协议的一种全数字化接口，可以用较简单的连接器以及较少的引脚来传递高分辨率信号，且能够实现多数据同时传输，所以它的传输速率也要远高于LVDS。

eDP屏线一般为2组绞线、3组绞线、5组绞线、8组绞。常见的eDP屏线为2组信号线(绞线)、3组信号线。

优点：微封包结构，能够实现多数据的同时传输。

较大的传输速率,4通道(lanes)高达21.6Gbps

较小的尺寸，宽26.3mm,高1.1mm,利于产品的轻薄化

无需LVDS转换电路，电路简洁，简化设计。

较小的EMI(电磁干扰)，并具有强大的版权保护功能。

6.4 MIPI

MIPI信号是成对传输的，主要是为了减少干扰，MIPI信号成对走线，两根线从波形看是成反相，所以有外部干扰过来，就会被抵消很大部分。主要用在平板和手机上使用。

MIPI接口LCD包括1对差分时钟(CLKP，CLKN)，4对数据差分线(D0P，D0N;D1P，D1N;D2P，D2N;D3P，D3N)，每一对之间有GND线，4对数据差分线并不一定要全部使用，很多屏只需要2对就可以了;RESET(复位脚)，

STBYB(高电平有效)，

VGL，VGH(像素点上开关管的开启关闭电压，加在开关管的栅极上，VGH 高电平打

VCOM( 液晶像素点的存储电容共用电极)，

VLED-(背光负极)，VLED+(背光正极)，