Android車載系統(1)
Android車載裝置驅動程式開發
文／圖 張哲瑜．責任編輯／洪羿漣

車載系統運作的主要核心，是架構於車載硬體之上的車載作業系統。因為有了作業系統，程式開發人員才能夠在車輛上開發各式各樣的服務。本篇文章所要介紹的便是基於Android車載作業系統的OBD裝置程式設計。

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近年來Telematics產業蓬勃發展，使得各產業大國紛紛投入車載資通訊之研究與開發，車載資通訊是一種結合資訊、通訊，及汽車電子技術的整合性應用服務，可滿足行車駕駛人對環境的各項需求。

其應用服務如：行車導航服務、地區性服務導引(Location-Based Service)、行車記錄服務、車隊管理系統等。而這些服務可衍生的效益，使得原本汽車產業轉型為以服務為主的移動式服務平台。

以技術而言，車載資通訊包含了硬體與軟體領域。硬體方面如車用運算處理器、車輛控制網路、車輛感知元件、實體通訊網路建置等；軟體方面如車載作業系統建置、車載裝置驅動程式設計、應用服務程式設計等。

總體而言，車載資通訊其實就是一個透過車輛硬體與系統軟體，實現各種車輛創新服務類型的車載系統。

車載系統運作的主要核心，是架構於車載硬體之上的車載作業系統。因為有了作業系統，程式開發人員才能夠在車輛上開發各式各樣的服務。本篇文章所要介紹的便是基於Android車載作業系統的OBD裝置程式設計。


Android解決Linux版本問題
Android為Google所開發的一套基於Linux核心之作業系統，目前廣泛使用於手持平台，如手機、PND等。如今德國一線汽車電子零組件供應商Continental，發表了一款專為汽車設計的AutoLinQ網際網路平台，就是採用Android作業系統。

Android不但承襲Linux的open source理念，並且有效收斂了Linux的程式開發，以前若是要撰寫Linux的系統程式，就需要去煩惱Linux的版本問題，在網路上發布了許多網友自行製作的patch檔，究竟要如何去使用？與自有環境是否有衝突？這些都是讓人頭痛的問題。

如今Google自行維護了一個Linux核心版本，並且在其核心上建置了一套Android Framework，工程師只需要使用Google所提供的SDK，便可很容易的進行程式開發。如此Linux的版本相容問題就交給Google，工程師只需要專心開發程式就好了。


Android On-Board Diagnostic
那什麼又是OBD呢？OBD全名為On-Board Diagnostic，主要是作為行車狀態診斷，現階段的車廠以及修車廠，已使用此技術作為車輛維修的主要依據。

就技術方面，OBD提供了使用者與車輛控制網路的溝通介面，在車輛控制網路裡建置了許多電子控制元件(Electronic Control Unit, ECU)負責偵測各車輛裝置如引擎、水箱、電瓶、車門…等的使用情形，當車輛裝置發生異常時，使用者便能透過OBD介面，檢查各個ECU是否發出錯誤訊息。

要設計Android OBD程式，基本上可以分為2種模式，一種是使用Android的HAL架構撰寫OBD的驅動程式;第二種是直接使用Google所提供的Android NDK撰寫OBD程式，接下來本文章將會針對HAL與NDK程式撰寫做概括性的介紹。


Android OBD程式設計：HAL
HAL全名為Hardware Abstraction Layer也就是硬體抽象層，是Google在Android作業系統新提出的一個操作層，如圖1所示。

圖1：HAL架構圖。(圖片出處：2008 Google I/O Session Videos and Slides)

HAL所在的位置是介於Android Libraries和Linux kernel之間，主要目的就是要將Android的framework與Linux kernel適當的區隔，當Android framework需要任何必須接觸到硬體的功能時，皆透過HAL向底層呼叫，如此一來Android framework便可以在完全不考慮驅動程式的情況下發展。

瞭解了HAL架構後，接下來介紹使用HAL設計OBD驅動程式的流程，如圖2所示。

圖2：HAL動作流程。

在Android裡有關硬體的程式設計是使用Service來實現，Service在Android架構中，是負責聯繫上層的應用程式，以及使用HAL裝置函式庫來存取底層的硬體，因此我們所需要做的，便是實作可以讓Service使用的HAL裝置函式庫，在此我們以Android已經實現的HAL架構的SensorService作進一步講解。


SensorService與HAL模組
由於Google已經釋放Android的原始碼，所以我們可以很容易的從網路上下載原始碼。SensorService模組程式碼是位於：
/frameworks/base/services/java/com/android/server/SensorService.java

以及：
/frameworks/base/service/jni/com_android_server_SensorService.cpp

而HAL模組的程式碼是位於：
/hardware/libhardware/hardware.c
/hardware/libhardware/include/hardware.h

SensorService是由C與JAVA語言所組成的，SensorService.java負責與上層應用程式聯繫，及呼叫com_android_server_SensorService.cpp的輸出函式(Export function)，com_android_server_SensorService.cpp負責呼叫HAL模組，而HAL模組則負責呼叫Sensor HAL裝置函式庫。接下來我們用top-down的角度來講解程式重點，首先在SensorService.java的部分程式碼，如下所示：



一開始上層應用程式呼叫SensorService時，便會產生一個SensorService類別的物件，並且執行「native function “_sensors_control_init()”」。此函數實作於com_android_server_SensorService.cpp檔案中，程式碼如下所示：



SensorService在此會呼叫由HAL模組提供的hw_get_module函式，來取得HAL裝置函式庫的操作結構，之後對硬體的所有操作行為，皆會透過此結構所回傳的函式指標來執行。

附帶一提，經由程式碼我們可以發現，Android的native function使用的並非原本JAVA的JNI模式，而是利用一個function mapping table，讓作業系統知道應該呼叫哪一個native function。以本程式為例，當SensorService.java呼叫了_sensors_control_init，系統自然知道必須呼叫android_init這個函式。

至此我們已經大概掌握了SensorService的主要行為，接下來繼續了解當SensorService執行hw_get_module函式時的行為模式。hw_get_module 函式實作於hardware.c，其部分程式碼如下所示：



由此段程式碼可以發現，hw_get_module其實就是做了函式庫(*.so)讀取的動作。依據hw_get_module所輸入的模組名稱，讀取對應的函式庫，並且從函式庫讀取操作結構，將結構指標回傳。

截至目前我們了解了SensorService以及讀取HAL裝置函式庫的動作流程，如果要將之實現到OBD硬體擷取程式，也是同一套概念，接下來就剩下實作HAL裝置函式庫了。


實作HAL裝置
在Android的原始碼已經實作了模擬器的Sensor HAL裝置函式庫，程式碼位於[/development/emulator/sensors/sensors_qemu.c]、[/hardware/libhardware/include/sensors.h]，部分程式碼如下：



在上述程式碼中宣告了一個sensors_module_t結構實體，並且命名為HAL_MODULE_INFO_SYM，而需注意的是，此名稱是HAL操作結構的固定名稱，當Service層讀取HAL操作結構時，會讀取此名稱之結構。

而此結構中又包含了一個擁有操作函數「open」的操作結構hw_module_methods_t，如前面所述，此結構就是操作HAL的主要結構，而「open」函數會回傳一個操作結構hw_device_t給Service層，此結構便是提供所有硬體操作函數的結構，所以如果我們要撰寫OBD裝置的擷取程式，便需要去實現一個hw_device_t結構。

如此我們已經將Android的HAL概念介紹完畢，並且也呈現了使用HAL的車載程式之主要架構。接下來我們將介紹另一種較為廣泛使用的設計模式，也就是使用Android NDK來設計車載程式。


Android OBD程式設計：NDK
使用Android NDK來開發車載程式是非常方便的，NDK的主要作法其實跟JAVA的JNI技術相差無幾，只是Android在此技術上增加了自己的編譯機制。在此筆者將講解如何使用Android NDK，做出一個簡單的OBD裝置擷取的概念程式。

首先從Andorid官網下載Android NDK套件並且安裝，安裝的步驟可以參照附件的README.TXT。若順利安裝完成，接著在Android NDK資料夾裡的apps資料夾中，建置一個Android應用程式專案，筆者所使用的建置方式，是使用eclipse的Android元件。但專案建立的方式有很多種，筆者不在此贅述，詳細方法可以參考Android官網的建置方式。

建置完成後，接著在建置的專案資料夾內建立名為jni的資料夾，若是使用eclipse工具，則建置後的畫面如圖3所示。在此畫面裡我們建置了一個OBD專案，並且宣告了讀取OBD資訊的native function，以及讀取OBDopts library，所以當程式執行函數resultFromOBD，便能從車輛讀取OBD資訊。接下來便是要實作OBDopts library的內容。

圖3：OBD專案。

用Android NDK實作library，必須先在專案資料夾下建立application.mk，並撰寫以下內容：



依序所代表的是專案的所在位置，以及所要編譯的模組名稱。編寫完之後，接著要在jni資料夾內，撰寫OBDopts library的程式碼，部分內容如下：



上述程式是jni格式的函式呼叫介面，因此介面的函式名稱必須遵循「Package_class_function()」的規則。撰寫完後接著在jni資料夾內，建立Android.mk，並撰寫以下內容：



依序所代表的是原始碼的所在位置、清除變數值、產生的模組名稱、編譯的檔案名稱、產生的檔案類型，若讀者還需要其他Android的編譯屬性設定，可以參考NDK資料夾的ANDROID-MK.TXT，裡頭有更完整的解說。

一切就緒後，接著開啟Command Line視窗，跳到Android NDK的資料夾底下，輸入「make APP=OBD(OBD為專案名稱)」便可以開始編譯原始碼。若沒有任何錯誤，則在專案的資料夾底下會出現lib資料夾，裡面存放著libOBDopts.so，接著回到eclipse工具下執行Android的應用程式編譯工具，便可順利的產生「*.apk」檔，將之放到模擬器上執行可以得到如圖4的結果。

圖4：OBD專案執行結果。


總結
不久的將來，網路將會是所有人資訊傳遞的主要媒介，而車載資通訊，必定會成為車輛的必備技術。經過以上敘述，我們已經知道了如何使用Android開發車載資通訊程式，使用Android作為車載資通訊的系統平台，不但有眾多的技術資源，更可利用Google所提供各式各樣的服務，達到多樣化的行車生活。