[转]关于手机音频通信实际开发经验分享

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手机音频口通信

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:
/**********************************************************************
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。
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。
***********************************************************************/
static void VIC_VECT_Fucton_00(void)//发送编码数据中断函数
{
TIMER0IS =0x0;
if((send_time%2==0) && (send_start==1))
{
switch(FSK_txState)
{
case STARTBIT:
if((GPIODATA&0x00000002)==0x00000000)//如果检测到数据发送管脚为零
send_time++;
else
{
currentSym=0;
FSK_txState = BYTE;
}
break;
case BYTE:
if(txBit < 8) { currentSym = (send_byte >> txBit) & 0x01;
txBit++;
txParity += currentSym; //奇偶校验位
}
else if (txBit == 8)
{
currentSym = txParity & 0x01; //发送奇偶校验位
txBit++;
}
else if(txBit>8 && txBit<12) { // next bit is the stop bit currentSym = 1; //发送停止位 txBit++; } else if(txBit == 12) FSK_txState = STOPBIT; break; case STOPBIT : txBit=0; FSK_txState=IDLE; send_start=0; txParity=0; send_byte=0; break; } if(lastSym!=currentSym) { timer1_num++; lastSym=currentSym; } } if(timer1_num%2==0) GPIODATA&=0xFFFFFFFD;//输出管脚复位 else GPIODATA|=0x00000002;//输出管脚置位 timer1_num++;//用来控制IO口的电平翻转 send_time++;//用来控制发送的字节的每一位 Delay++;//Delay就是延时函数 } /********************************************************************** 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), 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 记录做差求出时间间隔,以此来判断当前为宽沿还是窄沿。 ***********************************************************************/ static void VIC_VECT_Fucton_04(void)//接受解码数据中断函数 { GPIOIC|=0x00000001;//清楚上一次中断内容 RX_time=TIMER1VALUE; if(RX_lasttime>=RX_time)
RX_diff=RX_lasttime-RX_time; //lasttime初始值为0
else
RX_diff=65535-RX_time+RX_lasttime;
RX_lasttime=RX_time;
switch(RX_state) //启动代码时state已经被配置为STARTBIT
{
case STARTBIT_FALL:
if ((SHORTINTERVAL> 1) + (1<<7); rxParity++; //奇偶校验位 RX_bitcounter++; //接受数据位数 } else { uartByteRx = (uartByteRx >> 1);
RX_bitcounter++;
}
}
else
{
rxParity&=0x01; //进行奇偶校验
if(rxParity==currentbit)
{
RX_bitcounter++;
RX_finish=1;
RX_state=DATAINIT;
}
else
RX_state=DATAINIT; //若奇偶校验错误则,重新检测
}
}
break;
case DATAINIT : //初始化参数状态
RX_bitcounter=0;
RX_ones=0;
rxParity=0;
currentbit=0;
RX_state=STARTBIT_FALL;
RX_times=0;
break;
default:
break;
}
}