关于手机音频通信实际开发经验分享（2012年旧贴备份）

seewolf

# z) u4 E# {+ P2 i  g
自12年毕业至今工作将近一年，也积累了一些经验，接下来会一一分享出来，算是对阿莫的感恩吧！第一篇是关于手机音频通信方面的，12年上半年从事过几个月的手机音频通信的开发（我主要负责设备一端的程序和电路，手机软件部分不负责），积累了一点经验，在这里献丑了。
' `6 C" R% L  X& S3 U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。
- z: K( K  w: [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
# Q8 f: a8 S  S. W! B' ~1、无线方式：
+ T8 t$ k# \  H9 K$ u& ta) 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）
. y7 {: b2 F% Q0 _" p. g8 L- U5 ?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。
' g- ^# p& j" W3 |9 lb) 设备→手机：曼彻斯特编码；FSK；DTMF；自定义正弦波
% A& {. d1 _* `7 o4 ?( k, Ic)  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。
6 Y0 A- t8 y: N* t% H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。
. v, i; a1 V' V; Z0 T6 \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
- _- D# k: ?; k, c! ?/ `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。
4 L0 A0 h- t) J. Db) 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。
6 p- c, }; k5 R四、各个通信方案对比分析
1 u$ i# b* ^8 ^, H% r( \, O1、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）
7 W' x$ \+ v6 d8 ~5 Z/ _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）
' i' g: `  [" d3 n+ F- ud) 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：
7 k5 o* ~$ _$ C9 A! g7 P/ @( `# Ra) 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。
4 y% o7 y1 n1 v3 }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）
3 o0 H" u( `* a1、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。
% v+ O& W  C5 u3 H+ B# ~4 i2 f8 n6 A2、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。
2 d3 r$ U2 c& F" J: K& g3、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。
# x' O2 U. |0 M" K3 V; V5 f4、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：
" Z/ \; q$ p, m

1. /**********************************************************************
   ) |/ k4 b5 w4 U) w' I/ N
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。
   " e9 `% f. ]7 A
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。
   / z$ |  M% `0 G1 ]# i: F% H% x
4. ***********************************************************************/
     |7 G* H1 \+ U" `; y5 R, i+ T
5. static void VIC_VECT_Fucton_00(void)//发送编码数据中断函数
     p2 i8 z5 I$ Y- |8 C% E! B! s# h4 ~
6. {
   
7.         TIMER0IS =0x0;
   : x1 C8 j# x1 `" c8 {
8.         if((send_time%2==0) && (send_start==1))
   
9.         {
   " H/ t  O# g1 Q6 j- S
10.                 switch(FSK_txState)
    3 @% B$ n. V! j& ]( g) p& j) I, X  {
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++;
    ( O! Y3 {; t& d% N# t- O3 w
15.                         else
    
16.                         {
    1 g* n) U2 d+ ^  y
17.                                 currentSym=0;
    
18.                                 FSK_txState = BYTE;
    
19.                         }
    
20.                         break;
    
21.           case BYTE:
    
22.             if(txBit < 8)
    
23.             {
    . l3 ~% T) Z+ A) p' u
24.                     currentSym = (send_byte >> txBit) & 0x01;
    
25.                 txBit++;
    / T! n  R, R% j) ]( w
26.                 txParity += currentSym;                  //奇偶校验位
    - y/ D1 C8 l3 ]- T9 M8 @
27.             }
    6 G5 S! o9 y' w, E
28.                         else if (txBit == 8)
    
29.             {
    ) j5 b& X; F8 i: d* w- Q: N
30.                     currentSym = txParity & 0x01; //发送奇偶校验位
    
31.                 txBit++;
    # |/ |. q9 E( u" [7 W
32.             }
    
33.                         else if(txBit>8 && txBit<12)
    
34.             {
    
35.                     // next bit is the stop bit
    * d# [$ y! ^/ K$ W
36.                 currentSym = 1;                                  //发送停止位
    
37.                                 txBit++;
    
38.             }
    
39.                         else if(txBit == 12)
    
40.                         FSK_txState = STOPBIT;        
    7 ^0 [! z3 s& ~* }
41.             break;
    3 e( x& q* @0 W" `5 T: M3 Z0 a
42.           case STOPBIT :
    
43.             txBit=0;
    8 s( q0 q: H, F3 Q4 Z8 V
44.                         FSK_txState=IDLE;
    / w. F( h/ A3 [! }
45.                         send_start=0;
    . w0 P  J3 d, F7 i! G: {# c5 B9 Z# q+ _
46.                         txParity=0;
    
47.                         send_byte=0;
    $ q; _6 k7 w1 y7 ^; q0 A/ ]  v2 O
48.                         break;
    % `+ i8 n8 b  b
49.                }
    $ n0 z7 [, L. f- n5 o  L) q! u' F
50.                 if(lastSym!=currentSym)
    2 K- v3 g2 V/ t7 e( _
51.                 {
    5 u6 ^0 }: `& [& n) r$ @5 p8 v
52.                         timer1_num++;
    
53.                         lastSym=currentSym;
    ; S% O8 i6 q" Z4 I# Z( }2 @
54.                 }
    
55.         }
    1 n- R# D2 }! F6 s6 I) U( e2 \
56.         if(timer1_num%2==0)
    
57.         GPIODATA&=0xFFFFFFFD;//输出管脚复位
    " M, L* y$ ?( P& S) z* n8 D
58.         else
    ! b& H) N+ m+ n, o+ o
59.         GPIODATA|=0x00000002;//输出管脚置位
    / i3 S3 |( H+ U9 D
60. 
    ; h2 J* A. J" [
61.         timer1_num++;//用来控制IO口的电平翻转
    $ {9 f, ]5 j  M/ A7 j+ i0 y% d1 I# e
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. /**********************************************************************
    8 g" u# ^& Y& Z) t7 \/ Q* E
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），
    % P4 O4 d0 d1 ~* U) x
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
    " S0 _: n6 H6 O9 H% r) d
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。
    6 {4 C( P' V4 r) A4 _
69. ***********************************************************************/
    / u( t1 s6 @1 @1 a) ~2 @2 f
70. static void VIC_VECT_Fucton_04(void)//接受解码数据中断函数
    / v6 [# {) _1 F& ~  Y4 Y
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;
    1 g. I! V/ A$ Y2 z
78.         RX_lasttime=RX_time;        
    3 c  a' L( ?3 L
79.     switch(RX_state)                  //启动代码时state已经被配置为STARTBIT
    : o: M& C( ~, z$ P  |4 h4 D$ f
80.     {
    6 t  l0 F3 B" g' |2 h) ~6 R% H3 s
81.           case STARTBIT_FALL:
    $ N, i, e  J* [. o3 ~* g
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
    ) t- O8 ?) `, S" F4 m- {
89.                         {
    
90.                                 RX_state = DECODE;        //将状态配置为解码
    9 L2 u7 f' `0 t3 \! c& g9 H+ m
91.             }
    ! J1 A, D9 ^. d  {  `1 z
92.         }
    
93.         else if(RX_diff < SHORTINTERVAL)
    ) [$ C8 y3 c  Q  ^. T2 g
94.         RX_ones++;
    $ w$ ]8 ]% y) C( F
95.                 else
    - V; k5 Z) C, \/ {0 L4 |! P
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.         {
     " r! _5 F8 @% O. u) l- b8 X
107.                         currentbit=currentbit;
     2 S5 o1 h" j" l9 i  s
108.                         RX_times++;
     2 X! E& e" J5 b: @; D/ {- O# s0 v5 P
109.                 }
     
110.         else
     
111.                 RX_state = DATAINIT;                           
     
112. 
     ( m' F" ^; p. R9 {
113.                 /****************接受数据位，从低位接起****************/
     
114.                 if(RX_times%2==0)
     " r4 ~4 z& t) p% ?- _
115.                 {
     5 p8 s0 K1 ?2 Z' f6 R1 t3 f
116.                         if(RX_bitcounter<8)
     
117.                         {
     8 e! X, g( a. }2 r# P) X
118.                                 if (currentbit==1)
     
119.                             {
     % {, J( D; y4 K! }& j& L5 h2 @
120.                                       uartByteRx = (uartByteRx >> 1) + (1<<7);
     " F5 U) L% M1 k
121.                                         rxParity++;                                                //奇偶校验位
     
122.                                         RX_bitcounter++;                                //接受数据位数
     
123.                             }
     : B( w+ |. b  O/ c
124.                             else
     
125.                             {
     & d; h8 ~8 S4 y& _  x$ A
126.                                         uartByteRx = (uartByteRx >> 1);
     
127.                                         RX_bitcounter++;
     
128.                             }
     
129.                         }
     4 {8 m( _8 L9 \3 q
130.                         else
     
131.                         {
     
132.                                 rxParity&=0x01;                                                 //进行奇偶校验
     
133.                                 if(rxParity==currentbit)
     
134.                                 {
     5 T7 ^6 W& _( ~+ t8 O+ ~( n8 w( L3 @
135.                                         RX_bitcounter++;
     6 g& c8 ^, f) F' |2 T
136.                                         RX_finish=1;
     ! Z7 C* _/ h! u
137.                                         RX_state=DATAINIT;
     2 w: s; C, C1 S) [" l; }
138.                                 }
     0 i+ j+ k/ T, I, g% |! U
139.                                 else
     
140.                                 RX_state=DATAINIT;                                         //若奇偶校验错误则，重新检测
     - O7 |4 q0 `1 F% a" H$ j4 g3 y2 ~
141.                         }
     + c1 G' B# P' f2 \6 v
142.                 }
     : e% `7 T% g' V
143.                 break;
     3 G; v5 v% K' D9 r2 l5 n
144.       case DATAINIT :                                                                 //初始化参数状态
     
145.                 RX_bitcounter=0;
     # `  j, Q2 B' x' d  W: J
146.                 RX_ones=0;
     
147.                 rxParity=0;
     
148.                 currentbit=0;
     6 E9 {3 `+ x4 l: j7 y: c; U5 w
149.                 RX_state=STARTBIT_FALL;
     : J" K' [9 Z: m
150.                 RX_times=0;
     
151.                 break;
     
152.       default:
     . n0 U0 a( l" g1 f
153.         break;
     ' f+ k- m4 a3 N4 S- \
154.     }
     
155. }

复制代码

- j+ ]0 X# D4 S8 O- \

shapeofyou888

这个好，都是经验之谈