關於手機音頻通信實際開發經驗分享

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一、手機音頻通信的特點
1、        通用性強：在智能手機普及的今天，手機的對外通信接口多種多樣，而其中以3.5mm的音頻接口通用新最強，基本所有的手機、平板電腦都會有這個接口，所以在一些要求通用性的設備上，音頻接口登上了舞臺。
2、        速率低：由於手機音頻部分的採樣頻率一般爲44.1KHZ（部分國產山寨爲8KHZ），這極大的限制了音頻通訊的速率。我們都知道44.1KHZ的採樣頻率，那麼最高的信號頻率只能爲20KHZ左右，而信號週期也不可能只有2個採樣點，通常要到10個以上，這樣層層下來通訊速率可想而知。
3、        小信號：音頻通信的信號都是毫伏級的，各個手機廠商略有不同，但通常最大不超過200mv，通常我們通信使用的信號強度也就100mv左右，這導致信號比較容易受干擾，且在開發階段對工具有着種種限制。
二、        手機音頻通信分類
1、        無線方式：
a)        無線方式大家可能不太熟悉，容我慢慢道來。我們都知道人耳能聽到的聲音頻率爲20HZ~20KHZ，而手機通信的信號頻率最高也就20KHZ，所以無線通信方式是可行的。因爲雖然人耳的極限聽力能到20KHZ，但普通人一般在19KHZ以上時基本就聽不到了，所以如果信號的強度比較弱，且控制在19KHZ到20KHZ之間，那麼我們就可以將之當做是“超聲波”來看待了。
b)        其實在此提到手機音頻通信的無線方式，算是給大家一種產品開發思路吧。它的通訊半徑在10M左右，前景還是很廣闊的，大家有興趣的可以試試。（其實已經有這方面的產品了）
2、        有線方式：
a)        有線方式分爲單向（設備→手機）和雙向兩種，單向的限制少，開發難度也小一些，但實際應用時會受限制。而雙向通信限制多，開發難度也大一些，但實際應用時更方便些。
b)        設備→手機：曼徹斯特編碼；FSK；DTMF；自定義正弦波
c)        手機→設備：由於手機輸出的音頻信號很小，無法直接使用，要麼用運放發大到合適的範圍，要麼用電壓比較器轉換成TTL方波。
三、手機音頻通信硬件通信方式分類：手機音頻通信的硬件通信方式大體可分爲方波和正弦波兩種。
1、        方波：方波通常使用的是曼徹斯特編碼方式（什麼是曼徹斯特編碼自己去查），它的好處是可以用單片機直接輸出方波，經過衰減後即可使用，方便簡單。缺點是兼容性不好，因爲手機音頻部分有這樣一個特性，它只識別變化的電平信號，當麥克輸入的信號長時間保持在某一非零電平時，手機會將其視爲零，而強行拉回零電位。這就是採用方波通訊方式的兼容性不好的最大原因了，並且方波也容易受干擾。
2、        正弦波：正弦波不會出現上面所說的方波的問題，故正弦波的兼容性和穩定性更好一些。通常採用方案有FSK、DTMF、信號發生器、或方波轉正弦波等。（後面會對以上方案逐一分析）
3、        通信信道分析
a)        我們知道音頻接口有4根線，MIC、地、左、右聲道。設備→手機用MIC，手機→設備用地、左、右聲道中的任意一個。這裏說一下，實際產品中，有一些廠家會更換地線，即將原本左、有聲道中的一根改爲地線來用，其實道理是一樣的。因爲音頻通信的信號時交流信號，而地其實也是懸浮地，即便地線換了，最終的波形還是一樣的，因爲最終手機解析信號時需要的是頻率和幅值。這樣還剩下一個聲道，通常被用來幫助設備進行上電識別，因爲音頻通信的設備通常都是電池供電的。
b)        另外還要在MIC和地之間並聯一個4.99K的電阻，因爲手機是通過檢測MIC和地之間的阻抗是否爲4.99K（也有其他阻值的）來判斷是否有設備（耳機）插入，這一點要謹記。
四、各個通信方案對比分析
1、        設備→手機：
a)        曼徹斯特編碼：在諸多通信方式中，曼徹斯特編碼是最靈活簡便的一種方法，編碼信號可由單片機直接產生，經衰減電路衰減後便可直接使用。注意事項：曼徹斯特編碼信號的生成有兩種方式，一種是用PWM生成，一種是用定時器中斷翻轉IO，我個人比較傾向於定時器中斷方式。因爲我們知道曼徹斯特編碼中有寬沿河窄沿之分，且寬沿和窄沿可能會靈活變化，而用PWM方式不容易精確控制寬沿、窄沿輸出的變化，而定時器中斷方式則非常靈活且容易控制。（後面會送上我自己寫的曼徹斯特編碼、解碼函數）
b)        FSK、DTMF方式：FSK和DTMF兩種方式大同小異，使用時通常都是用集成的芯片來生成的，而這些芯片通常都是遵守固定的通信協議的的要求（FSK爲Bell202或V.23協議，DTMF記不清名字了）。這兩種通信方式的優點是採用正弦波通信、穩定性好且使用簡便。但由於固定通信協議的限制導致通信速率、比特率也受到限制而缺乏靈活性。在這裏跟他家推薦一款英國的通信芯片CMX系列，這個系列的芯片融合的FSK、DTMF的編碼、解碼，還是很不錯的，大家有興趣可以試試。（相關手冊在附件裏）
c)        信號發生器、鎖相環方式：這種方式用信號發生器或者鎖相環來產生方波或正玄波，由單片機來控制波形的輸出，也可以實現音頻通信，且十分靈活。但缺點是電路較複雜，且不同頻率信號之間銜接不好掌握，用不好反而是麻煩。（相關手冊在附件裏）
d)        在這裏送上一種我個人認爲比較好的方案：就是曼徹斯特編碼加低通濾波器，由單片機輸出曼徹斯特編碼，再經由低通濾波器將方波濾成正弦波後輸出。既解決了FSK、DTMF靈活性的問題，又解決了曼徹斯特編碼方波穩定性、通用性的問題。在低通濾波器方面我個人採用的是“集成低通開關電容濾波器”，它成本雖然高一些，但好處也是明顯的，電路簡單，使用方便，且佔用的空間亦很小。（相關手冊在附件裏）
2、        手機→設備：
a)        放大電路方式：將手機輸出信號經放大電路放大到合適的幅值，然後有鎖相環或者結成FSK、DTMF芯片進行解析。該中方式難度最大，需要非常強的模擬電路功底，我個人水平有限，故採用的另一種方式。
b)        電壓比較器方式：將手機輸出的交流信號經電路強行拉到Vcc/2級別，然後加到電壓比較器一端，另一段接比較電壓Vcc/2，這樣交流信號即被轉化爲TTL方波信號，此時再進行解析就變得很簡單了。
五、研發注意事項（通訊方案分析部分由於過長，放到最後來講）
1、        一個好手機錄音軟件是必須的，最好能在手機上直接看到波形的。
2、        建議用筆記本電腦進行開發，而非臺式機。因爲音頻信號很小，容易受干擾，而臺式機干擾較大，筆記本還有一個好處是必要時可將外接電源拔掉，用電池供電。
3、        一個好錄音筆必不可少，有時需要得到純淨的音頻信號，方便更加準確的分析。
4、        做一個轉接板，一邊接音頻母座，一邊接音頻公頭，將MIC、地、左、右聲道4跟線用排陣引出，方便錄音。
5、        做一個信號衰減電路，可將設備電路產生的信號衰減至音頻接口能承受的範圍內。前期調試時，我們可以用該電路將信號錄進電腦進行信號分析。（推薦一個電腦音頻信號分析軟件：Goldwave）
6、        錄音用的音頻線切記不要太長，不然會給你帶來不少麻煩。最好自己做，用音頻裸頭、杜邦線、排陣即可製作，方便好用。

曼徹斯特編碼的編碼解碼函數如下：

1. /**********************************************************************
   
2. 註釋：編碼函數都是採用定時器中斷的形式，以曼徹斯特編碼的窄沿作爲定時器週期。
   
3. 發送的數據包括1個起始位、8個數據位、1個奇偶校驗位、3個停止位。
   
4. ***********************************************************************/
   
5. static void VIC_VECT_Fucton_00(void)//發送編碼數據中斷函數
   
6. {
   
7.         TIMER0IS =0x0;
   
8.         if((send_time%2==0) && (send_start==1))
   
9.         {
   
10.                 switch(FSK_txState)
    
11.         {
    
12.           case STARTBIT:
    
13.                 if((GPIODATA&0x00000002)==0x00000000)//如果檢測到數據發送管腳爲零
    
14.                         send_time++;
    
15.                         else
    
16.                         {
    
17.                                 currentSym=0;
    
18.                                 FSK_txState = BYTE;
    
19.                         }
    
20.                         break;
    
21.           case BYTE:
    
22.             if(txBit < 8)
    
23.             {
    
24.                     currentSym = (send_byte >> txBit) & 0x01;
    
25.                 txBit++;
    
26.                 txParity += currentSym;                  //奇偶校驗位
    
27.             } 
    
28.                         else if (txBit == 8)
    
29.             {
    
30.                     currentSym = txParity & 0x01; //發送奇偶校驗位
    
31.                 txBit++;
    
32.             } 
    
33.                         else if(txBit>8 && txBit<12)
    
34.             {
    
35.                     // next bit is the stop bit
    
36.                 currentSym = 1;                                  //發送停止位
    
37.                                 txBit++;
    
38.             }
    
39.                         else if(txBit == 12)
    
40.                         FSK_txState = STOPBIT;        
    
41.             break;
    
42.           case STOPBIT :
    
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;//輸出管腳復位
    
58.         else
    
59.         GPIODATA|=0x00000002;//輸出管腳置位
    
60. 
    
61.         timer1_num++;//用來控制IO口的電平翻轉
    
62.         send_time++;//用來控制發送的字節的每一位
    
63.         Delay++;//Delay就是延時函數
    
64. }
    
65. /**********************************************************************
    
66. 註釋：解碼函數採用外部IO中斷形式（上升沿或下降沿中斷，即電平電平跳變中斷），
    
67. 用一個定時器作爲時鐘，每次產生中斷時便從定時器見時間值取出，並和上一次的
    
68. 記錄做差求出時間間隔，以此來判斷當前爲寬沿還是窄沿。
    
69. ***********************************************************************/
    
70. static void VIC_VECT_Fucton_04(void)//接受解碼數據中斷函數
    
71. {
    
72.         GPIOIC|=0x00000001;//清楚上一次中斷內容
    
73.         RX_time=TIMER1VALUE;
    
74.         if(RX_lasttime>=RX_time)
    
75.         RX_diff=RX_lasttime-RX_time;                  //lasttime初始值爲0
    
76.         else
    
77.         RX_diff=65535-RX_time+RX_lasttime;
    
78.         RX_lasttime=RX_time;        
    
79.     switch(RX_state)                  //啓動代碼時state已經被配置爲STARTBIT
    
80.     {
    
81.           case STARTBIT_FALL:
    
82.             if ((SHORTINTERVAL<RX_diff) && (RX_diff<LONGINTERVAL))
    
83.         {
    
84.                 if(RX_ones<5)           //ones初始值爲0
    
85.             {
    
86.                     RX_ones = 0;
    
87.             } 
    
88.                         else 
    
89.                         {
    
90.                                 RX_state = DECODE;        //將狀態配置爲解碼
    
91.             }
    
92.         }
    
93.         else if(RX_diff < SHORTINTERVAL)
    
94.         RX_ones++;
    
95.                 else
    
96.                 RX_ones=0;
    
97.         break;
    
98.       case DECODE:
    
99.               /**************通過間隔長短來判定數據**************/
    
100.                 if ((SHORTINTERVAL<RX_diff) && (RX_diff<LONGINTERVAL))// 若間距在範圍內則當前數據位值和前一個相反
     
101.         {                                                
     
102.                         currentbit=(currentbit+1)&0x01;
     
103.                         RX_times+=2;
     
104.         }
     
105.         else if( RX_diff < SHORTINTERVAL)                                         
     
106.         {
     
107.                         currentbit=currentbit;
     
108.                         RX_times++;
     
109.                 }
     
110.         else
     
111.                 RX_state = DATAINIT;                           
     
112. 
     
113.                 /****************接受數據位，從低位接起****************/
     
114.                 if(RX_times%2==0)
     
115.                 {
     
116.                         if(RX_bitcounter<8)
     
117.                         {
     
118.                                 if (currentbit==1)
     
119.                             {
     
120.                                       uartByteRx = (uartByteRx >> 1) + (1<<7);
     
121.                                         rxParity++;                                                //奇偶校驗位
     
122.                                         RX_bitcounter++;                                //接受數據位數
     
123.                             }
     
124.                             else
     
125.                             {
     
126.                                         uartByteRx = (uartByteRx >> 1);
     
127.                                         RX_bitcounter++;
     
128.                             }
     
129.                         }
     
130.                         else
     
131.                         {
     
132.                                 rxParity&=0x01;                                                 //進行奇偶校驗
     
133.                                 if(rxParity==currentbit)
     
134.                                 {
     
135.                                         RX_bitcounter++;
     
136.                                         RX_finish=1;
     
137.                                         RX_state=DATAINIT;
     
138.                                 }
     
139.                                 else
     
140.                                 RX_state=DATAINIT;                                         //若奇偶校驗錯誤則，重新檢測
     
141.                         }
     
142.                 }
     
143.                 break;
     
144.       case DATAINIT :                                                                 //初始化參數狀態
     
145.                 RX_bitcounter=0;
     
146.                 RX_ones=0;
     
147.                 rxParity=0;
     
148.                 currentbit=0;
     
149.                 RX_state=STARTBIT_FALL;
     
150.                 RX_times=0;
     
151.                 break;
     
152.       default:
     
153.         break;
     
154.     }
     
155. }

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