手机与设备音频接口通信原理及案例分析

关于手机音频通信实际开发经验分享一、手机音频通信的特点1、通用性强：在智能手机普及的今天，手机的对外通信接口多种多样，而其中以3.5mm的音频接口通用新最强，基本所有的手机、平板电脑都会有这个接口，所以在一些要求通用性的设备上，音频接口登上了舞台。2、速率低：由于手机音频部分的采样频率一般为44.1KHZ（部分国产山寨为8KHZ），这极大的限制了音频通讯的速率。我们都知道44.1KHZ的采样频率，那么最高的信号频率只能为20KHZ左右，而信号周期也不可能只有2个采样点，通常要到10个以上，这样层层下来通讯速率可想而知。3、小信号：音频通信的信号都是毫伏级的，各个手机厂商略有不同，但通常最大不超过200mv，通常我们通信使用的信号强度也就100mv左右，这导致信号比较容易受干扰，且在开发阶段对工具有着种种限制。二、手机音频通信分类1、无线方式：a)无线方式大家可能不太熟悉，容我慢慢道来。我们都知道人耳能听到的声音频率为20HZ~20KHZ，而手机通信的信号频率最高也就20KHZ，所以无线通信方式是可行的。因为虽然人耳的极限听力能到20KHZ，但普通人一般在19KHZ以上时基本就听不到了，所以如果信号的强度比较弱，且控制在19KHZ到20KHZ之间，那么我们就可以将之当做是“超声波”来看待了。b)其实在此提到手机音频通信的无线方式，算是给大家一种产品开发思路吧。它的通讯半径在10M左右，前景还是很广阔的，大家有兴趣的可以试试。（其实已经有这方面的产品了）2、有线方式：a)有线方式分为单向（设备→手机）和双向两种，单向的限制少，开发难度也小一些，但实际应用时会受限制。而双向通信限制多，开发难度也大一些，但实际应用时更方便些。b)设备→手机：曼彻斯特编码；FSK；DTMF；自定义正弦波c)手机→设备：由于手机输出的音频信号很小，无法直接使用，要么用运放发大到合适的范围，要么用电压比较器转换成TTL方波。三、手机音频通信硬件通信方式分类：手机音频通信的硬件通信方式大体可分为方波和正弦波两种。1、方波：方波通常使用的是曼彻斯特编码方式（什么是曼彻斯特编码自己去查），它的好处是可以用单片机直接输出方波，经过衰减后即可使用，方便简单。缺点是兼容性不好，因为手机音频部分有这样一个特性，它只识别变化的电平信号，当麦克输入的信号长时间保持在某一非零电平时，手机会将其视为零，而强行拉回零电位。这就是采用方波通讯方式的兼容性不好的最大原因了，并且方波也容易受干扰。2、正弦波：正弦波不会出现上面所说的方波的问题，故正弦波的兼容性和稳定性更好一些。通常采用方案有FSK、DTMF、信号发生器、或方波转正弦波等。（后面会对以上方案逐一分析）3、通信信道分析a)我们知道音频接口有4根线，MIC、地、左、右声道。设备→手机用MIC，手机→设备用地、左、右声道中的任意一个。这里说一下，实际产品中，有一些厂家会更换地线，即将原本左、有声道中的一根改为地线来用，其实道理是一样的。因为音频通信的信号时交流信号，而地其实也是悬浮地，即便地线换了，最终的波形还是一样的，因为最终手机解析信号时需要的是频率和幅值。这样还剩下一个声道，通常被用来帮助设备进行上电识别，因为音频通信的设备通常都是电池供电的。b)另外还要在MIC和地之间并联一个4.99K的电阻，因为手机是通过检测MIC和地之间的阻抗是否为4.99K（也有其他阻值的）来判断是否有设备（耳机）插入，这一点要谨记。四、各个通信方案对比分析1、设备→手机：a)曼彻斯特编码：在诸多通信方式中，曼彻斯特编码是最灵活简便的一种方法，编码信号可由单片机直接产生，经衰减电路衰减后便可直接使用。注意事项：曼彻斯特编码信号的生成有两种方式，一种是用PWM生成，一种是用定时器中断翻转IO，我个人比较倾向于定时器中断方式。因为我们知道曼彻斯特编码中有宽沿河窄沿之分，且宽沿和窄沿可能会灵活变化，而用PWM方式不容易精确控制宽沿、窄沿输出的变化，而定时器中断方式则非常灵活且容易控制。（后面会送上我自己写的曼彻斯特编码、解码函数）b)FSK、DTMF方式：FSK和DTMF两种方式大同小异，使用时通常都是用集成的芯片来生成的，而这些芯片通常都是遵守固定的通信协议的的要求（FSK为Bell202或V.23协议，DTMF记不清名字了）。这两种通信方式的优点是采用正弦波通信、稳定性好且使用简便。但由于固定通信协议的限制导致通信速率、比特率也受到限制而缺乏灵活性。在这里跟他家推荐一款英国的通信芯片CMX系列，这个系列的芯片融合的FSK、DTMF的编码、解码，还是很不错的，大家有兴趣可以试试。（相关手册在附件里）c)信号发生器、锁相环方式：这种方式用信号发生器或者锁相环来产生方波或正玄波，由单片机来控制波形的输出，也可以实现音频通信，且十分灵活。但缺点是电路较复杂，且不同频率信号之间衔接不好掌握，用不好反而是麻烦。（相关手册在附件里）d)在这里送上一种我个人认为比较好的方案：就是曼彻斯特编码加低通滤波器，由单片机输出曼彻斯特编码，再经由低通滤波器将方波滤成正弦波后输出。既解决了FSK、DTMF灵活性的问题，又解决了曼彻斯特编码方波稳定性、通用性的问题。在低通滤波器方面我个人采用的是“集成低通开关电容滤波器”，它成本虽然高一些，但好处也是明显的，电路简单，使用方便，且占用的空间亦很小。（相关手册在附件里）2、手机→设备：a)放大电路方式：将手机输出信号经放大电路放大到合适的幅值，然后有锁相环或者结成FSK、DTMF芯片进行解析。该中方式难度最大，需要非常强的模拟电路功底，我个人水平有限，故采用的另一种方式。b)电压比较器方式：将手机输出的交流信号经电路强行拉到Vcc/2级别，然后加到电压比较器一端，另一段接比较电压Vcc/2，这样交流信号即被转化为TTL方波信号，此时再进行解析就变得很简单了。五、研发注意事项（通讯方案分析部分由于过长，放到最后来讲）1、一个好手机录音软件是必须的，最好能在手机上直接看到波形的。2、建议用笔记本电脑进行开发，而非台式机。因为音频信号很小，容易受干扰，而台式机干扰较大，笔记本还有一个好处是必要时可将外接电源拔掉，用电池供电。3、一个好录音笔必不可少，有时需要得到纯净的音频信号，方便更加准确的分析。4、做一个转接板，一边接音频母座，一边接音频公头，将MIC、地、左、右声道4跟线用排阵引出，方便录音。5、做一个信号衰减电路，可将设备电路产生的信号衰减至音频接口能承受的范围内。前期调试时，我们可以用该电路将信号录进电脑进行信号分析。（推荐一个电脑音频信号分析软件：Goldwave）6、录音用的音频线切记不要太长，不然会给你带来不少麻烦。最好自己做，用音频裸头、杜邦线、排阵即可制作，方便好用。曼彻斯特编码的编码解码函数如下：1./**********************************************************************2.注释：编码函数都是采用定时器中断的形式，以曼彻斯特编码的窄沿作为定时器周期。3.发送的数据包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位、3个停止位。4.***********************************************************************/5.staticvoidVIC_VECT_Fucton_00(void)//发送编码数据中断函数6.{7.TIMER0IS=0x0;8.if((send_time%2==0)&&(send_start==1))9.{10.switch(FSK_txState)11.{12.caseSTARTBIT:13.if((GPIODATA&0x00000002)==0x00000000)//如果检测到数据发送管脚为零14.send_time++;15.else16.{17.currentSym=0;18.FSK_txState=BYTE;19.}20.break;21.caseBYTE:22.if(txBit8)23.{24.currentSym=(send_bytetxBit)&0x01;25.txBit++;26.txParity+=currentSym;//奇偶校验位27.}28.elseif(txBit==8)29.{30.currentSym=txParity&0x01;//发送奇偶校验位31.txBit++;32.}33.elseif(txBit8&&txBit12)34.{35.//nextbitisthestopbit36.currentSym=1;//发送停止位37.txBit++;38.}39.elseif(txBit==12)40.FSK_txState=STOPBIT;41.break;42.caseSTOPBIT:43.txBit=0;44.FSK_txState=IDLE;45.send_start=0;46.txParity=0;47.send_byte=0;48.break;49.}50.if(lastSym!=currentSym)51.{52.timer1_num++;53.lastSym=currentSym;54.}55.}56.if(timer1_num%2==0)57.GPIODATA&=0xFFFFFFFD;//输出管脚复位58.else59.GPIODATA|=0x00000002;//输出管脚置位60.61.timer1_num++;//用来控制IO口的电平翻转62.send_time++;//用来控制发送的字节的每一位63.Delay++;//Delay就是延时函数64.}65./**********************************************************************66.注释：解码函数采用外部IO中断形式（上升沿或下降沿中断，即电平电平跳变中断），67.用一个定时器作为时钟，每次产生中断时便从定时器见时间值取出，并和上一次的68.记录做差求出时间间隔，以此来判断当前为宽沿还是窄沿。69.***********************************************************************/70.staticvoidVIC_VECT_Fucton_04(void)//接受解码数据中断函数71.{72.GPIOIC|=0x00000001;//清楚上一次中断内容73.RX_time=TIMER1VALUE;74.if(RX_lasttime=RX_time)75.RX_diff=RX_lasttime-RX_time;//lasttime初始值为076.else77.RX_diff=65535-RX_time+RX_lasttime;78.RX_lasttime=RX_time;79.switch(RX_state)//启动代码时state已经被配置为STARTBIT80.{81.caseSTARTBIT_FALL:82.if((SHORTINTERVALRX_diff)&&(RX_diffLONGINTERVAL))83.{84.if(RX_ones5)//ones初始值为085.{86.RX_ones=0;87.}88.else89.{90.RX_state=DECODE;//将状态配置为解码91.}92.}93.elseif(RX_diffSHORTINTERVAL)94.RX_ones++;95.else96.RX_ones=0;97.break;98.caseDECODE:99./**************通过间隔长短来判定数据**************/100.if((SHORTINTERVALRX_diff)&&(RX_diffLONGINTERVAL))//若间距在范围内则当前数据位值和前一个相反101.{102.currentbit=(currentbit+1)&0x01;103.RX_time