Android 与 MCU 在嵌入式系统中的通信
Source: Dev.to
在许多嵌入式产品中，Android 因其在用户界面、多媒体处理、网络以及应用层集成方面的优势而被选用。与此同时，微控制器（MCU）通常负责需要精确时序和紧密硬件交互的任务，例如传感器采样、电机控制、安全监测或电源管理。虽然这种职责划分很常见，但整个系统的可靠性在很大程度上取决于这两个组件之间的通信方式。
本文探讨了在 Android 与 MCU 之间实现通信的实用方法，重点关注 USB 与串行式连接，以及在何种情形下直接硬件 I/O 访问是合适的。文章并非侧重实验性演示，而是强调在实际部署中经得起考验的架构选择和实现模式。
1. 首先定义系统需求
在选择任何接口之前，先明确产品的实际需求：
| 需求 | 需要提出的问题 |
|---|---|
| 数据吞吐量 | 您是偶尔交换指令还是持续流式传输数据？ |
| 延迟容忍度 | 快速反馈是否足够，还是需要确定性的时序？ |
| 物理距离与噪声 | MCU 是位于同一块 PCB 上，还是通过长电缆连接在噪声较大的环境中？ |
| 电源考虑因素 | Android 是否会通过同一连接为 MCU 提供电源？ |
| 生命周期与维护 | 现场需要共存多少个固件和应用程序版本？ |
提前回答这些问题通常可以缩小最合适的通信方式范围。
2. USB 作为 Android 系统的实用默认
USB 在基于 Android 的产品中被广泛使用，因为它既能提供电源又能传输数据，制造团队对其熟悉，并且具备良好的信号完整性。然而，在系统设计时必须考虑 Android 的权限模型和安全机制。
2.1 USB CDC/ACM（虚拟 COM 端口）
许多 MCU 可以暴露 CDC/ACM 接口，以虚拟串口的形式呈现。虽然在概念上这类似于 UART 行为，但 Android 应用通常通过 USB Host API 与此类设备交互。
优点
- 熟悉的串行式通信
- 广泛的 MCU SDK 支持
- 快速原型开发
缺点
- 行为可能因 Android 版本和设备厂商而异
- 仍需实现可靠的帧结构和错误处理
2.2 厂商自定义 USB 接口
定义带有批量端点的厂商自定义 USB 接口，可获得更大的控制权和更可预测的吞吐量。Android 应用可以直接使用批量传输进行通信。
优点
- 更高的数据速率
- 较少的传统串行怪癖
- 干净的二进制协议
缺点
- 需要自定义协议定义
- 必须在固件更新中仔细管理兼容性
2.3 USB‑to‑UART 桥接 IC
USB‑to‑UART 桥接芯片在开发阶段常被使用，在量产中也可以采用。元件选择非常关键；ESD 性能差或固件不稳定的芯片会导致间歇性故障。
3. 超越 USB 的串行通信
“串行”通信的含义会因 Android 平台是消费设备还是 嵌入式 SBC（单板计算机） 而有所不同。
3.1 Android SBC 上的 TTL UART
当 MCU 与 Android 处理器距离较近且硬件设计由您掌控时，TTL UART 仍是简单且有效的方案。关键考虑因素：
- 电压兼容性（通常为 3.3 V 或 1.8 V）
- 短走线长度
- 合适的 ESD 保护
3.2 用于恶劣环境的 RS‑485
对于更长的电缆距离或电气噪声较大的环境，RS‑485 往往是首选。其差分信号和强大的抗噪能力显著提升了工业场景下的可靠性。
关键设计考虑因素
- 总线两端的正确终端匹配
- 偏置电阻以定义空闲状态
- 对半双工方向控制的细致处理
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4. Android 直接硬件 I/O 访问
4.1 带自定义 BSP 的嵌入式 Android 平台
当您能够控制 Android BSP 和内核配置时，GPIO、I²C、SPI 或 PWM 可以通过标准 Linux 接口暴露。真正的挑战在于 Android 用户空间的权限和 SELinux 策略。
一种常见且易于维护的做法是：
- 在本地系统服务或守护进程中实现底层访问。
- 向应用程序提供受控的 IPC 接口（例如 Binder 或 AIDL）。
- 对接口进行版本管理并编写文档，以便长期支持。
4.2 消费类 Android 设备
在手机和平板等消费设备上，通常无法直接进行硬件 I/O 访问。在这种情况下，硬件交互必须通过 USB、蓝牙或网络接口连接的外部设备来实现。
5. 协议设计是可靠性的关键
现场问题往往是由于协议设计薄弱，而非硬件故障导致的。无论使用何种传输层，协议都应能够容忍噪声、延迟和重新连接。
5.1 稳健的帧结构
使用明确的帧边界，例如：
- 带 CRC 的长度前缀帧
- 基于分隔符并带转义的帧结构
长度 + CRC 往往是最简单、最可靠的方案。
5.2 版本控制与能力协商
在初始握手期间包含版本和能力信息：
- 协议版本
- 硬件修订版
- 固件构建标识
- 功能标志
这使得在更新期间能够优雅地处理不匹配情况。
5.3 超时与确认
对于关键指令，实现：
- 请求标识符
- 确认应答
- 明确定义的重试次数
对于流式数据，使用序列号可以在不假设完美传输的前提下检测丢失。
5.4 流控与回压
Android 不是实时系统。垃圾回收、UI 更新或热限速都可能导致处理延迟。为避免缓冲区溢出：
- 双方使用有界缓冲区。
- 实现显式流控（例如 XON/XOFF、基于信用的方案，或 USB 内置的批量传输流控）。
- 当 MCU 的接收 FIFO 接近容量时，允许其暂停发送。
6. 摘要
| 接口 | 何时使用 | 典型优点 | 典型缺点 |
|---|---|---|---|
| USB CDC/ACM | 快速原型、低至中等数据速率 | 类串口，兼容性广 | 不同 Android 版本行为不一致 |
| Vendor‑specific USB | 高吞吐量、二进制协议 | 性能可预测，无遗留怪癖 | 需要自定义驱动和协议 |
| USB‑to‑UART 桥接 | 开发板、传统 MCU | 接线简单，现成元件 | 增加元件，可能的可靠性问题 |
| TTL UART (SBC) | 紧密集成、短距离 | 硬件最少，低延迟 | 电压匹配，距离受限 |
| RS‑485 | 长线缆、噪声工业环境 | 差分信号，鲁棒性强 | 需要收发器、终端/偏置电阻 |
| Direct I/O (custom BSP) | 完全控制的嵌入式 Android 设备 | 原生访问 GPIO/I²C/SPI，低延迟 | 内核/SELinux 配置复杂 |
| Bluetooth / Wi‑Fi | 无线、消费类设备 | 无物理连接器 | 延迟较高，需考虑安全性 |
选择合适的传输方式、实现稳健的协议并遵循 Android 的安全模型，能够为您提供在生产、现场更新以及长期维护中都能可靠运行的通信链路。
# 6. Scalable Android‑Side Architecture6.1 将 I/O 与 UI 分离
所有通信应在后台线程或服务中运行。
UI 应该 观察 连接状态和数据更新，而不是直接处理 I/O。
6.2 将重新连接视为正常行为
- 设备连接和分离检测
- 自动重新连接尝试
- 重新连接后的状态重新同步
6.3 及早内置诊断
简单的诊断功能可以在后期节省大量时间：
- 查询 MCU 固件版本的命令
- 人类可读的错误代码
- 可选的协议日志记录
- 心跳或看门狗消息
7. 生产中的成熟架构
7.1 Android 应用直接通过 USB 连接 MCU
常见于自助终端和人机界面面板，这种方式可减少布线并简化集成。
7.2 Android 系统服务管理硬件访问
当您能够控制 Android 镜像时，这种模型提供了 UI 逻辑与硬件交互之间更清晰的分离。
7.3 Android 通过 RS‑485 连接多个 MCU
分布式工业系统常常受益于 RS‑485 总线，它能够在保持可靠性的同时减少布线复杂度。
8. 常见陷阱
- 忽略 CRC 校验，导致难以追踪的错误
- 忽视协议版本管理，造成静默的不兼容
- 允许无限制的数据流
- 仅在干净的实验室环境中进行测试
- 将传输逻辑直接混入 UI 代码
结论
没有通用的 Android‑到‑MCU 通信解决方案。
- USB 仍然是许多 Android SBC 产品 的强力默认选项。
- UART 适用于短距离内部链接。
- RS‑485 在噪声大或距离长的场景中表现出色。
当需要直接硬件访问且 BSP 由你掌控时，特权本地服务提供了一种清晰且易于维护的方式。
归根结底，成功更多取决于严谨的协议设计、明确的版本管理以及稳健的重连处理，而不是所选的接口本身。这些要素能将原型转化为在整个使用寿命期间都能可靠运行的系统。