关于手机音频通信实际开发经验分享（2012年旧贴备份）

seewolf

, `& N* ]$ d% w9 s  ?" m7 ]# N
5 L  o& b+ _! B# n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。
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。
* s: I% w4 H1 A  n* ]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。
3 p8 J" E1 s3 f- e% n4 c( K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）
* I$ M6 H( R, L9 t1 A3 b8 b4 a0 x2、有线方式：
( z- y8 X  l% R3 z( x8 }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。
; o8 t2 a; E8 M( g6 }) ^3 e" Yb) 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。
! X  \6 p" `! x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。
; r& W$ g7 L2 V% }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。
8 @5 }& H" H# r( C9 i/ \四、各个通信方案对比分析
4 L1 m3 j4 h1 @, Y( Y1、设备→手机：
9 ?3 m5 u! L! {% _0 Ra) 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）
4 i$ x& E- R/ Fb) 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）
1 C' C' _1 {8 G: o8 R/ Hc) 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）
) m, T- C" q* s* F( Jd) 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）
7 K+ S; g  d. b2 x- u) ]/ a5 U- f2、手机→设备：
" X8 n: ^  }4 R- T  i: |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。
% I+ k' h7 Y2 C' M# B; zb) 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。
' d$ H/ f' Z4 C" @1 H( w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）
  O$ _, {2 s# z1 _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。
9 x) |0 D8 Z* L$ J2、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。
( k$ ^8 _- H5 x& K4、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。
" ~+ I& Q& A) `- c; J5 ]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. /**********************************************************************
   ) k7 ^; C- z" M# e  n" c0 j) w  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。
   
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 _1 ]8 T- t& I0 S, `
9.         {
   
10.                 switch(FSK_txState)
    2 H3 ]) p" ^/ ?" a
11.         {
    ( m3 e1 X% p8 |" l2 l: m
12.           case STARTBIT:
    
13.                 if((GPIODATA&0x00000002)==0x00000000)//如果检测到数据发送管脚为零
    , K, w: C, t! _; ^# V
14.                         send_time++;
    
15.                         else
    
16.                         {
    
17.                                 currentSym=0;
    
18.                                 FSK_txState = BYTE;
    
19.                         }
    
20.                         break;
    ; P' E  i! |" s4 G5 S! E
21.           case BYTE:
    - {5 ?' q- L2 ?& O/ s! b
22.             if(txBit < 8)
    ' k" s) m5 H  p/ W) x" X
23.             {
    9 X" d' {. u, r: @4 v1 ?( Y
24.                     currentSym = (send_byte >> txBit) & 0x01;
    . t: e7 N  z+ p% l6 p
25.                 txBit++;
    6 v1 y) |/ d6 _) l, X
26.                 txParity += currentSym;                  //奇偶校验位
    
27.             }
    # n4 U3 b* }/ Z# U  H7 P/ \
28.                         else if (txBit == 8)
    
29.             {
    
30.                     currentSym = txParity & 0x01; //发送奇偶校验位
    + e/ B0 x, Y5 m) l4 L. [# Y
31.                 txBit++;
    
32.             }
    : M) g: P7 X! v- X9 _3 Z& Q
33.                         else if(txBit>8 && txBit<12)
    
34.             {
    % i4 T' O+ H8 ?* F6 \
35.                     // next bit is the stop bit
    
36.                 currentSym = 1;                                  //发送停止位
    
37.                                 txBit++;
    3 y- e# n/ u9 v8 {
38.             }
    
39.                         else if(txBit == 12)
    # @- n6 q3 g% O) M- d3 D
40.                         FSK_txState = STOPBIT;        
    
41.             break;
    " g( J: m: p# `! p1 a+ [
42.           case STOPBIT :
    9 P# s6 ]$ W' ~2 B" r0 c0 F
43.             txBit=0;
    
44.                         FSK_txState=IDLE;
    
45.                         send_start=0;
    
46.                         txParity=0;
    
47.                         send_byte=0;
    * X* z( \, @3 Q8 s! G; t5 X
48.                         break;
      k- I+ {# }  r! }- x9 w
49.                }
    & o/ [# H, M3 l6 L' P. u
50.                 if(lastSym!=currentSym)
    
51.                 {
    
52.                         timer1_num++;
    
53.                         lastSym=currentSym;
    
54.                 }
    6 @+ ^; W' Z# i! o
55.         }
    
56.         if(timer1_num%2==0)
    : V' Y- S* h; R; S
57.         GPIODATA&=0xFFFFFFFD;//输出管脚复位
    
58.         else
    0 D4 ^7 l+ C' \+ ]
59.         GPIODATA|=0x00000002;//输出管脚置位
    . w, B" F# G0 k0 ]$ I
60. 
    / j9 Z6 X! X9 e2 \! z
61.         timer1_num++;//用来控制IO口的电平翻转
    7 o+ l2 U3 q9 C! u
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
    2 @* c+ [9 l3 t5 f( d; l
64. }
    # X0 s- D$ q/ y8 T* m  u, G
65. /**********************************************************************
    7 d6 `- i% O. J; m- N  Y( }
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），
    , z1 w+ l8 x$ E/ W8 R& H& `
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. ***********************************************************************/
    " M% J4 I5 K0 f% y0 `3 F( {
70. static void VIC_VECT_Fucton_04(void)//接受解码数据中断函数
    / v, d# ~) w! _, V$ c
71. {
    
72.         GPIOIC|=0x00000001;//清楚上一次中断内容
    " M6 E% M( _$ D% }& w
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
    ' c  n5 A! y# B) M* e  B
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
    2 \$ R1 y1 x& ^$ ?3 {( Y" u" c
80.     {
    
81.           case STARTBIT_FALL:
    9 G8 s$ |: z  {, d# a
82.             if ((SHORTINTERVAL<RX_diff) && (RX_diff<LONGINTERVAL))
    
83.         {
    , u; ?* L9 J- R: S
84.                 if(RX_ones<5)           //ones初始值为0
    
85.             {
    3 ^8 ^. k6 s0 c$ ]
86.                     RX_ones = 0;
    
87.             }
    
88.                         else
    
89.                         {
    4 V; z* m9 w# Q! d1 a" s% i
90.                                 RX_state = DECODE;        //将状态配置为解码
    
91.             }
    # Q  A, c0 y/ q
92.         }
    9 g8 f' P/ R! S9 v9 @' ~, |: \+ |1 H
93.         else if(RX_diff < SHORTINTERVAL)
    
94.         RX_ones++;
    . |& q/ R8 C% r' Z" |
95.                 else
    
96.                 RX_ones=0;
    
97.         break;
    
98.       case DECODE:
    
99.               /**************通过间隔长短来判定数据**************/
    ; |2 @! C' |9 X, n7 b) S
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;
     , F) ]! [- A& L( F
104.         }
     2 i$ q% y. A2 {! n: T- `8 N0 y. `7 i
105.         else if( RX_diff < SHORTINTERVAL)                                         
     
106.         {
     
107.                         currentbit=currentbit;
     # V1 J) d  A- O' Q% g
108.                         RX_times++;
     
109.                 }
     ! G' e; [* J4 x- T* U% O& ~
110.         else
     1 B4 L) [0 Q: ^  d
111.                 RX_state = DATAINIT;                           
     
112. 
     
113.                 /****************接受数据位，从低位接起****************/
     
114.                 if(RX_times%2==0)
     : v. z/ k4 p" i# D$ [3 P0 _, y: J+ R  ?
115.                 {
     4 u: i6 H- S+ Z0 x
116.                         if(RX_bitcounter<8)
     0 M% G& a( h1 ?' ^: r
117.                         {
     
118.                                 if (currentbit==1)
     
119.                             {
     
120.                                       uartByteRx = (uartByteRx >> 1) + (1<<7);
     
121.                                         rxParity++;                                                //奇偶校验位
     5 ^( z! r7 {9 y3 J9 s
122.                                         RX_bitcounter++;                                //接受数据位数
     
123.                             }
     ( Z, S1 F" f1 o- _/ S' i1 m8 \% _
124.                             else
     . p; W9 r! i/ w3 k, s6 Y  V
125.                             {
     * D+ F2 o# W! b9 C: O+ Z
126.                                         uartByteRx = (uartByteRx >> 1);
     + r- A/ q$ `# H4 C. t
127.                                         RX_bitcounter++;
     8 S2 t0 \+ Z4 I7 l" A& _
128.                             }
     " w7 q1 C" j) b- V9 `: L
129.                         }
     $ S: O3 _' `2 P
130.                         else
     0 A# d7 E- ~% e$ R6 |% v0 s
131.                         {
     
132.                                 rxParity&=0x01;                                                 //进行奇偶校验
     , d( {' v- i, o  t/ ^  Q8 r% ?" r
133.                                 if(rxParity==currentbit)
     # L' @& [; l- J( `) j( ]
134.                                 {
     
135.                                         RX_bitcounter++;
     : G& ]9 f0 L* E+ g, a1 O$ I; {
136.                                         RX_finish=1;
     
137.                                         RX_state=DATAINIT;
     , @) v- ~8 f/ S3 x, d
138.                                 }
     8 ]1 {$ ]2 v# s6 I! X
139.                                 else
     
140.                                 RX_state=DATAINIT;                                         //若奇偶校验错误则，重新检测
     ) C; _: Z8 y1 i9 u
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;
     * X  F9 g/ k7 W0 v" \
149.                 RX_state=STARTBIT_FALL;
     
150.                 RX_times=0;
     
151.                 break;
     
152.       default:
     
153.         break;
     8 c$ r) \# `1 {! [
154.     }
     
155. }

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shapeofyou888

这个好，都是经验之谈