AliOS Things基于USB通道外接4G模组的方案

1、概述

本文介绍AliOS Things关于USB外接广域网芯片连接入云的方案。物联网设备联网方案，可分为OpenCPU的方式与外接通信芯片的方式。OpenCPU的应用层与网络层运行在同一芯片上，该方式具有较高的集成度，但使得应用、协议在接口、配置、性能等方面产生了耦合，不利于方案的移植与推广。

 

而采用外接的方式，可以分离应用层与网络层，较好地降低耦合度，提高联网方案的灵活性。例如，MCU运行MQTT应用层协议，而由外接通信芯片（如Wi-Fi、LTE）完成网络层的TCP/IP连接与传输。当然，外接通信芯片的代价，是MCU与通信芯片之间增加了交互成本，需要开发者选择适合应用场景的外接方式。

 

AliOS Things支持MCU与通信芯片间的多种连接方式，如UART、SPI、SDIO、USB。这些连接方式不仅拓展了基于AliOS Things开发的可选联网方案，还满足了不同应用场景对传输速率需求，如表1所示。其中，HAAS100通过USB外接LTE，可以实现相同厂商不同模组间无缝替换，例如EC20、EC200S。

 

表1 AliOS Things所支持外接方式以及应用场景

 

2、USB外接通信芯片的优点

USB本身具有使用方便、数据传输可靠、成本低、省电等优点。而使用USB做为外接通信芯片的通道，将保留这些优点，具体表现为：

2.1、使用方便

• 一个接口可以用于多种设备的连接，用户可以方便地替换所要连接的通信芯片，无需针对不同通信芯片采用不同的连接器和线缆。
• 自动配置，通信芯片接入后，MCU侧可以自动对通信芯片进行识别，并加载对应的驱动程序。
• 支持热插拔，用户可以随时接入或拔出通信芯片，而不会损害硬件设备，也无需重启设备。
• 无需额外供电，USB接口提供了+5V电压，500mA以下电流，一般情况下通信芯片无需额外电源。

2.2、数据传输可靠

• 接收端和线缆硬件规范，保证数据传输在一个平静的接口电器环境中，避免了导致数据错误的大部分噪声干扰。
• 差分传输模式，USB 1.1/2.0采用四线模式，其中D+/D-为数据传输通道，采用差分信号的传输方式，D+/D-需要同时满足电平条件才能判定为0或1，降低了因干扰产生比特跳变的可能性。
• CRC校验，USB硬件自带CRC校验，可检测传输过程中发生的错误。
• 协议确认重传，USB在协议层面提供了确认（ACK/NACK）与重传机制，可从传输错误中恢复。

2.3、成本低、省电

• USB部件成本较低，无论是使用独立的controller，还是使用集成IP的方案，成本都可以控制在合理范围内。并且从可扩展性来看，USB可以支持更多种类的设备连接，而无需硬件上的改动。
• USB使用了省电电路与协议，配合通信芯片的休眠与唤醒功能，可实现整体上的低功耗。

 

3、实现基于USB通道外接通信芯片

为了实现基于USB通道外接通信芯片，除了要保证MCU具备USB连接硬件能力以外，MCU侧还需要实现USB host协议栈，以完成

• 设备识别
• 驱动加载
• 数据传输

图 1 MCU侧USB Host协议栈结构，包括了Host controller层、Host Core层、Host Class层、USB Device Driver层

MCU侧的USB host协议栈大致分为四层：Host Controller层、Host Core层、Host Class层、USB Device Driver层。其中，Host Controlle是USB host协议栈最底层，负责直接与硬件交互，读写寄存器、中断处理；Host Core是协议栈的核心层，对下负责管理Host controller、设备、接口、端点，并负责设备枚举，对上负责host class的注册、设备的配置以及传输请求处理；Host Class层为各USB host类的实现层，例如HID、CDC、UVC等类。 最后，设备驱动层用于实现与USB设备应用交互逻辑，例如通过AT指令与EC20进行交互。各层的设计细节将在另一篇文章中详细介绍，此处将不再展开。本节将围绕设备识别、驱动加载、数据传输介绍USB外接通信芯片的实现方式。

3.1、设备识别

当通信芯片通过USB连接上MCU后，两者会发生以下对话。

  

   

    

     

    
    

     

      Host：你是什么设备？
     
    
   

    

     

    
    

     

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

    

     

    
    

     

      Host：你有几种功能？
     
    
   

    

     

    
    

     

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

    

     

    
    

     

      Host：每个功能有几个接口？
     
    
   

    

     

    
    

     

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

    

     

    
    

     

      Host：每个接口使用哪几个端点？
     
    
   

    

     

    
    

     

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

    

     

    
    

     

      Host: 我知道你是谁了，开始传输
     
    
   

    

     

    
    

     

      Device: OK 
     
    
   

    

     

    
    

     

      ....
     
    
  

这些问答的目的是为了帮助USB Host准确地对接入的设备进行识别。交互的信息主要包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符。

 

3.2、类加载

在枚举过程的最后会根据设备所属类加载驱动。这里有两种加载方式，一种是按设备加载，另一种是按接口加载。以EC20为例，其接口都为vendor类，无法根据接口类进行加载。因此，需要根据设备的Vendor ID（VID）、Product ID（PID）加载对应类。

事实上，针对这一类由vendor定制广域网USB设备，Linux USB驱动的解决方案，是使用专门有文件（usb/serial/option.c）用于存储厂商的VID和PID列表；在枚举时，如果USB设备的VID与PID相匹配，则加载相应驱动（usb/serial/wwan.c）进行处理。如上文所述，EC20有5个接口，其中接口0为DM口、接口1为GPS接口、接口2为AT口、接口3为PPP口、接口4为NDIS口，如图5所示。由于PC端资源是充足的，Linux USB Host在枚举EC20时可以为每个接口创建相应的端点，并允许用户同时操作这些接口（open/read/write）。

图 4  EC20各USB接口功能

然而，在运行RTOS的MCU芯片上USB控制器的资源是有限的，无法同时创建这么多个接口所需要的端点。以HAAS1000为例，除了控制端点0，其USB控制器只有4个端点可供使用。因此，在MCU上枚举过程中需要考虑底层硬件资源限制，否则会导致驱动加载失败。这里采用的策略是复用端点的方式。在加载驱动时，有针对性地选择接口：首先为接口2分配端点资源，用于AT指令交互，保证4G模块联网并获取IP；然后，在其它接口需要使用时，释放端点2的端点资源。

3.3、数据交互

完成类加载后，上层可通过USB通道收发送数据。以EC20的AT接口为例，AliOS Things的AT驱动框架（SAL + AT Utility）可以无缝运行在USB协议栈上。

图 5  基于USB协议栈的AT通道

需要做的工作是使用USB Class API实现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.
     
    
   

    

     

    
    

     

       *
     
    
   

    

     

    
    

     

       * @return 0 - success, -1 - failure
     
    
   

    

     

    
    

     

       */
     
    
   

    

     

    
    

     
   
      int (*send)(
      void *dev,
     
    
   

    

     

    
    

     
               
      void *data,
     
    
   

    

     

    
    

     
               
      uint32_t size,
     
    
   

    

     

    
    

     
               
      uint32_t timeout);
     
    
   

    

     

    
    

     
   
     
    
   

    

     

    
    

     
   
      /**
     
    
   

    

     

    
    

     

       * AT deviec deinit
     
    
   

    

     

    
    

     

       *
     
    
   

    

     

    
    

     

       * @return 0 - success, -1 - failure
     
    
   

    

     

    
    

     

       */
     
    
   

    

     

    
    

     
   
      int (*deinit)(
      void *dev);
     
    
   

    

     

    
    

     

      } 
      at_dev_ops_t;
     
    
  

在此基础上，使用AT Utility API实现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;
     
    
  

完成以上对接后，上层应用即可以基于标准的套接字API编程，降低了应用层移植成本。相关AT驱动组件介绍请参考AliOS Things帮助文档 SAL组件、AT组件。

 

4、HaaS100外接4G模组示例

图6 HaaS100通过USB外接EC20

图 7 USB所用排针接线

HaaS100板上排针提供了USB引脚，可以用接USB母口扩展线，与通信模组连接，如图6、7所示。

 

步骤一：配置

 aos make linkkit_demo@haas100 -c config

 

步骤二：配置选择

aos make menuconfig

配置

 

 

 

步骤三：编译

aos make

 

步骤四：烧录

请参考HaaS快速开始。

 

步骤五：启动

该应用运行Linkkit demo，USB枚举成功后，通过AT通道，可以连接入阿里云IoT平台。

 

5、总结

广域网通信模组通常都提供USB通道，支持AT、PPP、RNDIS、ECM等通信方式。因此，在MCU侧支持USB协议栈，可自动识别枚举各类通信设备，并加载所需的驱动，方便用户上层的开发。本文简要介绍了AliOS Things的USB Host协议栈，并以EC20为例描述了枚举识别过程，同时给出了在USB通道上对接AliOS Things传统AT通道的方式。在后续相关系列文章中，我们将介绍基于USB通道的PPP、RNDIS、ECM方式，并给出相应对比数据。敬请期待。

 

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