关于手机音频通信实际开发经验分享（2012年旧贴备份）

seewolf

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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
* Q0 d. [7 U! G/ J. f$ w1、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。
. K* y1 \+ H" l& n3 s: t( t2、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。
0 R$ X+ i5 j0 r9 C- f$ Y: u3、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。
9 T9 A4 q+ N  T& ~) l; e0 B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：
2 f# z, |) i$ C' Y* \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。
8 @4 X) [9 h: q" N+ K1、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。
5 G$ H, V: p- b6 R8 ?! Y2、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）
  I1 t3 A* Q' f, _- B/ V, R3、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）
4 I9 Z; b2 q) p: X+ S5 i/ ^  Yd) 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：
& J! E0 |+ D: D' {+ C( da) 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。
1 }, s4 _% K7 o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）
2 t/ \+ A1 Q1 O! x* M1、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。
: \  P: X' x8 P6 f9 _/ H1 g2 Q; Y* V, o3、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。
2 K& X; ]' `* ]! O3 T6 G& P5、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 j7 p7 z( c: y; j* s6 f; m
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. ***********************************************************************/
   2 ^6 ?# e% n( P8 |* I" a% M
5. static void VIC_VECT_Fucton_00(void)//发送编码数据中断函数
   
6. {
   + R) S0 k' l; b4 G% ]3 N
7.         TIMER0IS =0x0;
   
8.         if((send_time%2==0) && (send_start==1))
   
9.         {
     E5 f( A* @! \
10.                 switch(FSK_txState)
    
11.         {
    2 M9 B4 [, h6 Z* n% s; r2 b, E! z
12.           case STARTBIT:
    
13.                 if((GPIODATA&0x00000002)==0x00000000)//如果检测到数据发送管脚为零
    
14.                         send_time++;
    : I; U. t9 |& g- N
15.                         else
    
16.                         {
    5 a1 ]) \( ?( D2 Q% e& U) f0 i
17.                                 currentSym=0;
    
18.                                 FSK_txState = BYTE;
    . ~! m1 y, y% o- D
19.                         }
    
20.                         break;
    ( k8 Y3 T5 _$ J. L5 ?, h
21.           case BYTE:
    ' ^3 }0 |" l# n2 q" _, Q. L- ]! b- E
22.             if(txBit < 8)
    
23.             {
    7 i3 J4 Q2 C- U. n7 e
24.                     currentSym = (send_byte >> txBit) & 0x01;
    
25.                 txBit++;
    4 A, {0 r5 W0 V( F6 K6 P! q# i. u# J
26.                 txParity += currentSym;                  //奇偶校验位
    
27.             }
    
28.                         else if (txBit == 8)
    6 c" T& ^3 m% T+ Y/ ?
29.             {
    . k6 h! E: i! o5 I% O7 a/ I! @
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
    ; L) y8 `/ V3 \+ w/ Y$ e
36.                 currentSym = 1;                                  //发送停止位
    - x& b$ C/ i! E: G$ @- c8 d
37.                                 txBit++;
    % s. {0 i1 ?* c' J6 ?0 f9 z9 _
38.             }
    , g# n& |/ @  d7 p& i  X
39.                         else if(txBit == 12)
    * q, N! A5 s- s! \- ]/ u$ R* p: O5 |
40.                         FSK_txState = STOPBIT;        
    . Q$ c" G! n/ ?; J
41.             break;
    
42.           case STOPBIT :
    : U! t/ V4 @' h. E8 [
43.             txBit=0;
    + X9 g/ Z) l& y- ^
44.                         FSK_txState=IDLE;
    
45.                         send_start=0;
    
46.                         txParity=0;
    
47.                         send_byte=0;
    
48.                         break;
    
49.                }
    
50.                 if(lastSym!=currentSym)
    7 z, N% a1 ^' a( t2 e
51.                 {
    : A0 Q# C( R" M+ q
52.                         timer1_num++;
    
53.                         lastSym=currentSym;
    ; h9 r: P9 f* G% ?. x* o: a+ C
54.                 }
    
55.         }
    3 W% }9 H+ Y% g/ f, ?- Z' H2 S
56.         if(timer1_num%2==0)
    
57.         GPIODATA&=0xFFFFFFFD;//输出管脚复位
    . S$ J: |0 m- w8 |% h& C
58.         else
    % k. ?6 u6 w: o' @, w. e
59.         GPIODATA|=0x00000002;//输出管脚置位
    $ F6 S* b& J2 }/ k2 Q  U
60. 
    
61.         timer1_num++;//用来控制IO口的电平翻转
    / F- E- p" D, M4 I6 j
62.         send_time++;//用来控制发送的字节的每一位
    / a" d. F0 q2 w0 w3 i& g
63.         Delay++;//Delay就是延时函数
    5 L; K- ^8 y7 N' T
64. }
    - P8 g* e9 `+ N" E: v8 o0 U5 }
65. /**********************************************************************
    $ y+ T$ k: @4 t; @% 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），
    
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。
    1 t, z4 ?, L( M# f% j3 [
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;
    ( H% b% S9 N8 ~% Y1 L7 x
74.         if(RX_lasttime>=RX_time)
    
75.         RX_diff=RX_lasttime-RX_time;                  //lasttime初始值为0
    
76.         else
    ! g5 y; R8 t4 ?/ F  j6 [2 y
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
    # A' j2 s8 S2 B# r" k7 C" |
80.     {
    
81.           case STARTBIT_FALL:
    - i9 C+ x1 B0 x" v  ^! ^3 }8 }
82.             if ((SHORTINTERVAL<RX_diff) && (RX_diff<LONGINTERVAL))
    
83.         {
    , F' u: y4 o. w
84.                 if(RX_ones<5)           //ones初始值为0
    
85.             {
    
86.                     RX_ones = 0;
    % e, u3 k& V( r
87.             }
    
88.                         else
    . p4 l: R, M: Q% s, P! t, f  z- _
89.                         {
    ; K$ ]2 \. s3 {) K. o8 E; K
90.                                 RX_state = DECODE;        //将状态配置为解码
    * i2 b2 x% _) j: {: g5 I
91.             }
    ' b) P. n; A) d( q) z
92.         }
    
93.         else if(RX_diff < SHORTINTERVAL)
    1 @2 v0 E% {- ~
94.         RX_ones++;
    7 j4 `  D3 k& F! _0 [5 ^
95.                 else
    6 b- n4 c0 I7 E* E* M
96.                 RX_ones=0;
    
97.         break;
    
98.       case DECODE:
    - u7 B" Y  B9 {+ l! Q" i4 |
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
     1 y5 U9 G8 W4 p% K- ]/ p
101.         {                                                
     
102.                         currentbit=(currentbit+1)&0x01;
     
103.                         RX_times+=2;
     
104.         }
     
105.         else if( RX_diff < SHORTINTERVAL)                                         
     
106.         {
     $ I+ D2 y/ M* n0 ]/ _# \1 S
107.                         currentbit=currentbit;
     
108.                         RX_times++;
     
109.                 }
     7 R* f  ]; l% \$ Q. |& t4 o
110.         else
     7 Y( w0 i5 ?' m8 n' u
111.                 RX_state = DATAINIT;                           
     
112. 
     
113.                 /****************接受数据位，从低位接起****************/
     
114.                 if(RX_times%2==0)
     ) C/ j/ f- M  ^" h
115.                 {
     
116.                         if(RX_bitcounter<8)
     
117.                         {
     & q3 Y, q0 y# u6 E# P! y
118.                                 if (currentbit==1)
     
119.                             {
     
120.                                       uartByteRx = (uartByteRx >> 1) + (1<<7);
     9 b: x" ?6 K3 m8 t4 G1 Z
121.                                         rxParity++;                                                //奇偶校验位
     
122.                                         RX_bitcounter++;                                //接受数据位数
     
123.                             }
     # ]+ f# A0 C6 ~3 U+ K0 D
124.                             else
     
125.                             {
     / V$ C; Z4 t4 V) _
126.                                         uartByteRx = (uartByteRx >> 1);
     % {3 V: j4 b# f0 m+ C
127.                                         RX_bitcounter++;
     
128.                             }
     ' {0 m( f  E; \  z9 }" t
129.                         }
     * n+ D2 c- O& X4 u  s
130.                         else
     ) \% q2 l9 y8 S, c  ^0 m/ {
131.                         {
     : |1 h  N( `8 f
132.                                 rxParity&=0x01;                                                 //进行奇偶校验
     8 N* G4 n3 s3 y* Q4 M% A
133.                                 if(rxParity==currentbit)
     
134.                                 {
     
135.                                         RX_bitcounter++;
     
136.                                         RX_finish=1;
     1 E9 I! }5 c6 U8 Z7 z
137.                                         RX_state=DATAINIT;
     , y% K  y4 N3 k. I; s% o+ D
138.                                 }
     
139.                                 else
     
140.                                 RX_state=DATAINIT;                                         //若奇偶校验错误则，重新检测
       L( B: n! H7 O- b& N/ V# k- t
141.                         }
     
142.                 }
     8 [/ [+ ^% ~8 _' \
143.                 break;
     9 a/ t7 ]8 N- m) E3 p
144.       case DATAINIT :                                                                 //初始化参数状态
     ! G) d7 w: O" t( _" C' c: O
145.                 RX_bitcounter=0;
     
146.                 RX_ones=0;
     
147.                 rxParity=0;
     
148.                 currentbit=0;
     5 D& p# r" Q8 y$ D
149.                 RX_state=STARTBIT_FALL;
     
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151.                 break;
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shapeofyou888

这个好，都是经验之谈