关于手机音频通信实际开发经验分享

转：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. static void VIC_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.           case STARTBIT:
    
13.                 if((GPIODATA&0x00000002)==0x00000000)//如果检测到数据发送管脚为零
    
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;                  //奇偶校验位
    
27.             } 
    
28.                         else if (txBit == 8)
    
29.             {
    
30.                     currentSym = txParity & 0x01; //发送奇偶校验位
    
31.                 txBit++;
    
32.             } 
    
33.                         else if(txBit>8 && txBit<12)
    
34.             {
    
35.                     // next bit is the stop bit
    
36.                 currentSym = 1;                                  //发送停止位
    
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;//输出管脚复位
    
58.         else
    
59.         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. static void VIC_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0
    
76.         else
    
77.         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STARTBIT
    
80.     {
    
81.           case STARTBIT_FALL:
    
82.             if ((SHORTINTERVAL<RX_diff) && (RX_diff<LONGINTERVAL))
    
83.         {
    
84.                 if(RX_ones<5)           //ones初始值为0
    
85.             {
    
86.                     RX_ones = 0;
    
87.             } 
    
88.                         else 
    
89.                         {
    
90.                                 RX_state = DECODE;        //将状态配置为解码
    
91.             }
    
92.         }
    
93.         else if(RX_diff < SHORTINTERVAL)
    
94.         RX_ones++;
    
95.                 else
    
96.                 RX_ones=0;
    
97.         break;
    
98.       case DECODE:
    
99.               /**************通过间隔长短来判定数据**************/
    
100.                 if ((SHORTINTERVAL<RX_diff) && (RX_diff<LONGINTERVAL))// 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_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.                 /****************接受数据位，从低位接起****************/
     
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++;                                                //奇偶校验位
     
122.                                         RX_bitcounter++;                                //接受数据位数
     
123.                             }
     
124.                             else
     
125.                             {
     
126.                                         uartByteRx = (uartByteRx >> 1);
     
127.                                         RX_bitcounter++;
     
128.                             }
     
129.                         }
     
130.                         else
     
131.                         {
     
132.                                 rxParity&=0x01;                                                 //进行奇偶校验
     
133.                                 if(rxParity==currentbit)
     
134.                                 {
     
135.                                         RX_bitcounter++;
     
136.                                         RX_finish=1;
     
137.                                         RX_state=DATAINIT;
     
138.                                 }
     
139.                                 else
     
140.                                 RX_state=DATAINIT;                                         //若奇偶校验错误则，重新检测
     
141.                         }
     
142.                 }
     
143.                 break;
     
144.       case DATAINIT :                                                                 //初始化参数状态
     
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. }

复制代码