USB sorgt für neue Möglichkeiten bei Android-Anwendungen

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:

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 Applikations-
      entwicklung 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

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

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.

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 (Pulsweiten-
modulation) 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.