AliOS Things基于USB通道外接4G模組的方案

1、概述

AliOS Things支援MCU與通信晶片間的多種連接配接方式，如UART、SPI、SDIO、USB。這些連接配接方式不僅拓展了基于AliOS Things開發的可選聯網方案，還滿足了不同應用場景對傳輸速率需求，如表1所示。其中，HAAS100通過USB外接LTE，可以實作相同廠商不同模組間無縫替換，例如EC20、EC200S。

表1 AliOS Things所支援外接方式以及應用場景

2、USB外接通信晶片的優點

USB本身具有使用友善、資料傳輸可靠、成本低、省電等優點。而使用USB做為外接通信晶片的通道，将保留這些優點，具體表現為：

2.1、使用友善

• 一個接口可以用于多種裝置的連接配接，使用者可以友善地替換所要連接配接的通信晶片，無需針對不同通信晶片采用不同的連接配接器和線纜。
• 自動配置，通信晶片接入後，MCU側可以自動對通信晶片進行識别，并加載對應的驅動程式。
• 支援熱插拔，使用者可以随時接入或拔出通信晶片，而不會損害硬體裝置，也無需重新開機裝置。
• 無需額外供電，USB接口提供了+5V電壓，500mA以下電流，一般情況下通信晶片無需額外電源。

2.2、資料傳輸可靠

• 接收端和線纜硬體規範，保證資料傳輸在一個平靜的接口電器環境中，避免了導緻資料錯誤的大部分噪聲幹擾。
• 差分傳輸模式，USB 1.1/2.0采用四線模式，其中D+/D-為資料傳輸通道，采用差分信号的傳輸方式，D+/D-需要同時滿足電平條件才能判定為0或1，降低了因幹擾産生比特跳變的可能性。
• CRC校驗，USB硬體自帶CRC校驗，可檢測傳輸過程中發生的錯誤。
• 協定确認重傳，USB在協定層面提供了确認（ACK/NACK）與重傳機制，可從傳輸錯誤中恢複。

2.3、成本低、省電

• USB部件成本較低，無論是使用獨立的controller，還是使用內建IP的方案，成本都可以控制在合理範圍内。并且從可擴充性來看，USB可以支援更多種類的裝置連接配接，而無需硬體上的改動。
• USB使用了省電電路與協定，配合通信晶片的休眠與喚醒功能，可實作整體上的低功耗。

3、實作基于USB通道外接通信晶片

為了實作基于USB通道外接通信晶片，除了要保證MCU具備USB連接配接硬體能力以外，MCU側還需要實作USB host協定棧，以完成

• 裝置識别
• 驅動加載
• 資料傳輸

  

圖 1 MCU側USB Host協定棧結構，包括了Host controller層、Host Core層、Host Class層、USB Device Driver層

MCU側的USB host協定棧大緻分為四層：Host Controller層、Host Core層、Host Class層、USB Device Driver層。其中，Host Controlle是USB host協定棧最底層，負責直接與硬體互動，讀寫寄存器、中斷處理；Host Core是協定棧的核心層，對下負責管理Host controller、裝置、接口、端點，并負責裝置枚舉，對上負責host class的注冊、裝置的配置以及傳輸請求處理；Host Class層為各USB host類的實作層，例如HID、CDC、UVC等類。 最後，裝置驅動層用于實作與USB裝置應用互動邏輯，例如通過AT指令與EC20進行互動。各層的設計細節将在另一篇文章中詳細介紹，此處将不再展開。本節将圍繞裝置識别、驅動加載、資料傳輸介紹USB外接通信晶片的實作方式。

3.1、裝置識别

當通信晶片通過USB連接配接上MCU後，兩者會發生以下對話。

Host：你是什麼裝置？

Device: 12 01 0100... / Device Descriptor /

Host：你有幾種功能？

Device：09 02 09... / Configuration Descriptor /

Host：每個功能有幾個接口？

Device: 09 04 00... / Interface Descriptor /

Host：每個接口使用哪幾個端點？

Device: 06 05 82... / Endpoint Descriptor /

Host: 我知道你是誰了，開始傳輸

Device: OK

....

這些問答的目的是為了幫助USB Host準确地對接入的裝置進行識别。互動的資訊主要包括裝置描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符。

3.2、類加載

在枚舉過程的最後會根據裝置所屬類加載驅動。這裡有兩種加載方式，一種是按裝置加載，另一種是按接口加載。以EC20為例，其接口都為vendor類，無法根據接口類進行加載。是以，需要根據裝置的Vendor ID（VID）、Product ID（PID）加載對應類。

事實上，針對這一類由vendor定制廣域網USB裝置，Linux USB驅動的解決方案，是使用專門有檔案（usb/serial/option.c）用于存儲廠商的VID和PID清單；在枚舉時，如果USB裝置的VID與PID相比對，則加載相應驅動（usb/serial/wwan.c）進行處理。如上文所述，EC20有5個接口，其中接口0為DM口、接口1為GPS接口、接口2為AT口、接口3為PPP口、接口4為NDIS口，如圖5所示。由于PC端資源是充足的，Linux USB Host在枚舉EC20時可以為每個接口建立相應的端點，并允許使用者同時操作這些接口（open/read/write）。

圖 4 EC20各USB接口功能

然而，在運作RTOS的MCU晶片上USB控制器的資源是有限的，無法同時建立這麼多個接口所需要的端點。以HAAS1000為例，除了控制端點0，其USB控制器隻有4個端點可供使用。是以，在MCU上枚舉過程中需要考慮底層硬體資源限制，否則會導緻驅動加載失敗。這裡采用的政策是複用端點的方式。在加載驅動時，有針對性地選擇接口：首先為接口2配置設定端點資源，用于AT指令互動，保證4G子產品聯網并擷取IP；然後，在其它接口需要使用時，釋放端點2的端點資源。

3.3、資料互動

完成類加載後，上層可通過USB通道收發送資料。以EC20的AT接口為例，AliOS Things的AT驅動架構（SAL + AT Utility）可以無縫運作在USB協定棧上。

圖 5 基于USB協定棧的AT通道

需要做的工作是使用USB Class API實作AT Utility所需HAL（at_dev_ops_t）即可，如下所示。

/*

• AT dev operation type

*/

typedef struct {

at_dev_type_t type;

/**

* AT device init

*

* @return  0 - success, -1 - failure           

int (init)(void dev);

• Receive data from AT device

• @return 0 - success, -1 - failure

  */

  int (recv)(void dev,

  void *data, 
  
         uint32_t expect_size,
  
         uint32_t *recv_size,
  
         uint32_t timeout);           

• Send data to AT device.
• int (send)(void dev,

  void *data,
  
         uint32_t size,
  
         uint32_t timeout);           

  • AT deviec deinit
  int (deinit)(void dev);

} at_dev_ops_t;

在此基礎上，使用AT Utility API實作SAL所需HAL（sal_op_t）即可，如下所示。

typedef struct sal_op_s {

struct sal_op_s * next;  //<! Next sal_op_t structure

char *version; //<! Reserved for furture use.

char *name; //<! Drvier name

/* Add sal device */

int (*add_dev)(void*);

/**

 * Module low level init so that it's ready to setup socket connection.

 *

 * @return  0 - success, -1 - failure

 */

int (*init)(void);

/**

 * Start a socket connection via module.

 *

 * @param[in]  c - connect parameters which are used to setup

 *                 the socket connection.

 *

 * @return  0 - success, -1 - failure

 */

int (*start)(sal_conn_t *c);

/**

 * Send data via module.

 * This function does not return until all data sent.

 *

 */

int (*send_data)(int fd, uint8_t *data, uint32_t len,

            char remote_ip[16], int32_t remote_port, int32_t timeout);

/**

 * Get IP information of the corresponding domain.

 * Currently only one IP string is returned (even when the domain

 * coresponses to mutliple IPs). Note: only IPv4 is supported.

 *

 *

 * @return  0 - success, -1 - failure

 */

int (*domain_to_ip)(char *domain, char ip[16]);

/**

 * Close the socket connection.

 *

 * @return  0 - success, -1 - failure

 */

int (*finish)(int fd, int32_t remote_port);

/**

 * Destroy SAL or exit low level state if necessary.

 *

 * @return  0 - success, -1 - failure

 */

int (*deinit)(void);

/**

 * Register network connection data input function

 * Input data from module.

 * This callback should be called when the data is received from the module

 * It should tell the sal where the data comes from.

 *

 * @return  0 - success, -1 - failure

 */

int (*register_netconn_data_input_cb)(netconn_data_input_cb_t cb);           

} sal_op_t;

完成以上對接後，上層應用即可以基于标準的套接字API程式設計，降低了應用層移植成本。相關AT驅動元件介紹請參考AliOS Things幫助文檔 SAL元件、AT元件。

4、HaaS100外接4G模組示例

圖6 HaaS100通過USB外接EC20

圖 7 USB所用排針接線

HaaS100闆上排針提供了USB引腳，可以用接USB母口擴充線，與通信模組連接配接，如圖6、7所示。

步驟一：配置

aos make linkkit_demo@haas100 -c config
           

步驟二：配置選擇

aos make menuconfig
           

配置

步驟三：編譯

aos make
           

步驟四：燒錄

請參考

HaaS快速開始

步驟五：啟動

該應用運作Linkkit demo，USB枚舉成功後，通過AT通道，可以連接配接入阿裡雲IoT平台。

5、總結

廣域網通信模組通常都提供USB通道，支援AT、PPP、RNDIS、ECM等通信方式。是以，在MCU側支援USB協定棧，可自動識别枚舉各類通信裝置，并加載所需的驅動，友善使用者上層的開發。本文簡要介紹了AliOS Things的USB Host協定棧，并以EC20為例描述了枚舉識别過程，同時給出了在USB通道上對接AliOS Things傳統AT通道的方式。在後續相關系列文章中，我們将介紹基于USB通道的PPP、RNDIS、ECM方式，并給出相應對比資料。敬請期待。

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