关于手机音频通信实际开发经验分享（2012年旧贴备份）

seewolf

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。
  v- G5 {* u6 O1 ~一、手机音频通信的特点
" i; P2 d$ g8 g9 y: x1、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。
* ?, x6 K$ @& |+ o! G, z& m, S二、手机音频通信分类
, Z) T! ?* y3 ?! {* |8 b1、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：
, q2 K' @) j8 r" Ea) 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
0 R( J3 n) A) E& sc)  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。
! y* `9 K& e& v! e! B1、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
# ?5 h3 H, W; ]6 R0 K% J4 c' |+ Pa) 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。
7 e( c8 y" P4 Y9 L四、各个通信方案对比分析
- C7 G9 ^1 M. ]4 S% O" I1、设备→手机：
* B, U! l5 x5 R. E+ qa) 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）
9 N% Z3 `) S4 Vb) 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）
% \$ e( `9 T6 u& [7 E6 |+ W$ jc) 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）
% R$ ^: J$ O6 ^/ i2 ~0 sd) 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 M7 E) w  r. S3 E& E2、手机→设备：
/ z7 L7 q; ^, Z2 U" Sa) 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）
; P. K9 |' s8 L6 p* k1、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。
! ]# m' J3 c3 Z$ 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。
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）
8 D5 b6 D2 k: o: g0 p$ p5 H9 i) R6、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 M1 X& h* {) e8 e
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。
   5 E. Q. ^% M- t2 p# P
4. ***********************************************************************/
   
5. static void VIC_VECT_Fucton_00(void)//发送编码数据中断函数
   
6. {
   6 y/ R, a# T2 m6 c/ ^! m
7.         TIMER0IS =0x0;
   : i3 P2 D# v2 \! {7 ~. o4 V% Z" w
8.         if((send_time%2==0) && (send_start==1))
   * s8 q5 X2 E1 H+ Q+ G' Q4 j
9.         {
   
10.                 switch(FSK_txState)
    ( e' C& V0 f3 Z, z, V6 Y% }2 m
11.         {
    7 D7 p! X+ R4 N$ H
12.           case STARTBIT:
    
13.                 if((GPIODATA&0x00000002)==0x00000000)//如果检测到数据发送管脚为零
    / u8 Q* Z2 Q( a
14.                         send_time++;
    
15.                         else
    
16.                         {
    $ [+ y+ X( u3 g0 @0 b
17.                                 currentSym=0;
    6 t( r1 A. S; D! ~* i
18.                                 FSK_txState = BYTE;
    " ?8 |' v9 Z$ c1 ~1 w9 @
19.                         }
    
20.                         break;
    9 e+ J" y9 C& M3 q) L8 ~% s- u
21.           case BYTE:
    9 n) b9 G8 y% X; K- q
22.             if(txBit < 8)
    
23.             {
    
24.                     currentSym = (send_byte >> txBit) & 0x01;
    
25.                 txBit++;
    $ H3 |! _3 p# @0 P' E
26.                 txParity += currentSym;                  //奇偶校验位
    3 q9 W  `% M# W' j2 _
27.             }
    
28.                         else if (txBit == 8)
    ( y2 o' k' C  S( v8 E' y
29.             {
    
30.                     currentSym = txParity & 0x01; //发送奇偶校验位
    
31.                 txBit++;
    
32.             }
    9 M+ S) M/ c- Z7 q; u; k
33.                         else if(txBit>8 && txBit<12)
    
34.             {
    2 U1 F/ h) F4 U) `9 g$ H# P
35.                     // next bit is the stop bit
    4 N$ [! o3 H6 r, X* h( f* R
36.                 currentSym = 1;                                  //发送停止位
    
37.                                 txBit++;
    
38.             }
    ! B+ }9 c2 h! z( e
39.                         else if(txBit == 12)
      V4 t# ~" C- m: d
40.                         FSK_txState = STOPBIT;        
    
41.             break;
    6 @: d1 A4 n) C! U- Q: F
42.           case STOPBIT :
    ' t& l$ S4 b( I; K) i
43.             txBit=0;
    
44.                         FSK_txState=IDLE;
    ' X; l  f! F- q- ^! [" A
45.                         send_start=0;
    
46.                         txParity=0;
    
47.                         send_byte=0;
    - y6 p9 c5 O* ^! h
48.                         break;
    $ k/ G4 p/ t2 Z' B7 e) F
49.                }
    9 `4 ^1 }, R4 O, N9 c- G
50.                 if(lastSym!=currentSym)
    
51.                 {
    5 h0 `6 K* M/ h
52.                         timer1_num++;
    / B5 O3 [$ _8 Z( c9 d
53.                         lastSym=currentSym;
    2 t/ o$ g  s8 `
54.                 }
    ) {. L0 x. A# m$ Z/ ~
55.         }
    7 U- q# C* y! c
56.         if(timer1_num%2==0)
    ) Y" w' V' W7 Q* ^9 v
57.         GPIODATA&=0xFFFFFFFD;//输出管脚复位
    8 Z- J0 `/ e3 A- F  l. |: G
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. }
    & M9 ^' n2 S& `, v; R
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），
    ! X6 @8 u  H  X. K! z
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
    2 N+ \  B. g. V( h4 R( H4 ]( \+ ]
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. ***********************************************************************/
    ! a+ m3 y  \3 a$ ?1 c, z
70. static void VIC_VECT_Fucton_04(void)//接受解码数据中断函数
    * o1 p! D3 G4 u  k7 `2 o. s
71. {
    
72.         GPIOIC|=0x00000001;//清楚上一次中断内容
    $ |/ z: x) V+ n
73.         RX_time=TIMER1VALUE;
    6 `  m( y# [* i' D
74.         if(RX_lasttime>=RX_time)
    ! |9 e  p: p1 l. e* ^, v0 _) _6 s' ~9 X
75.         RX_diff=RX_lasttime-RX_time;                  //lasttime初始值为0
      U' F) ?5 f; \+ y
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
    . ]0 `8 j& \5 [( [" t
80.     {
    
81.           case STARTBIT_FALL:
    * A0 z% L9 e) N# L+ y  ^
82.             if ((SHORTINTERVAL<RX_diff) && (RX_diff<LONGINTERVAL))
      A+ W$ B. l' J$ G6 a9 G& D
83.         {
    
84.                 if(RX_ones<5)           //ones初始值为0
    
85.             {
    
86.                     RX_ones = 0;
    
87.             }
    - f  N/ N: ^6 e6 s- e
88.                         else
    
89.                         {
    9 w, L2 U; d2 ~
90.                                 RX_state = DECODE;        //将状态配置为解码
    
91.             }
    9 _1 j$ f; C  |2 }
92.         }
    % e4 r+ x! z. B
93.         else if(RX_diff < SHORTINTERVAL)
    ; N' A" w; W$ I! K0 k; t  X" I
94.         RX_ones++;
    ; ?$ G9 X) @) ^5 ^4 b/ E: r
95.                 else
    ) a! P3 X; ]+ i- V
96.                 RX_ones=0;
    8 `; Q" X5 O, m2 R8 P0 J/ d% d
97.         break;
    ( |- [; f& Z: [0 O
98.       case DECODE:
    
99.               /**************通过间隔长短来判定数据**************/
    6 ?6 p, N- j* E/ U
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;
     $ b# M8 |+ M4 z3 y! r( w3 l
104.         }
     
105.         else if( RX_diff < SHORTINTERVAL)                                         
     
106.         {
     
107.                         currentbit=currentbit;
     
108.                         RX_times++;
     6 X- D5 Z; Y4 C) ]4 e3 \- [# D" p
109.                 }
     # V5 z/ f3 M. t
110.         else
     
111.                 RX_state = DATAINIT;                           
     
112. 
     
113.                 /****************接受数据位，从低位接起****************/
     ( k, B2 b# S" [, r, K4 [
114.                 if(RX_times%2==0)
     
115.                 {
     / I$ U. {* i5 m: Y) C% F/ Y
116.                         if(RX_bitcounter<8)
     2 {; O& N$ Z9 ?
117.                         {
     
118.                                 if (currentbit==1)
     ! ?. W9 U% |# q4 I2 r
119.                             {
     % h* F( V/ y6 i) @
120.                                       uartByteRx = (uartByteRx >> 1) + (1<<7);
     ) A7 y( }; n( T, W. V( r) E
121.                                         rxParity++;                                                //奇偶校验位
     
122.                                         RX_bitcounter++;                                //接受数据位数
     8 y7 c9 ?* L2 x. Q" O
123.                             }
     
124.                             else
     
125.                             {
     ! ]% D4 @; h% ?9 L  N# @
126.                                         uartByteRx = (uartByteRx >> 1);
     6 ^6 a* T( L! D* H8 M7 h& r" I
127.                                         RX_bitcounter++;
     
128.                             }
     
129.                         }
     & U3 L( p1 S8 w
130.                         else
     ( p2 P5 E+ j5 T+ X
131.                         {
     
132.                                 rxParity&=0x01;                                                 //进行奇偶校验
     
133.                                 if(rxParity==currentbit)
     
134.                                 {
     1 R" ^+ x( \) c: S6 V
135.                                         RX_bitcounter++;
       `5 X  f' l* k
136.                                         RX_finish=1;
     - V0 ?. V8 q& Y" M4 Z  \9 [
137.                                         RX_state=DATAINIT;
     
138.                                 }
     7 P2 H% V5 b# X& n) F
139.                                 else
     3 o* `' ~+ u5 \
140.                                 RX_state=DATAINIT;                                         //若奇偶校验错误则，重新检测
     
141.                         }
     
142.                 }
     
143.                 break;
     ' J$ j" N! R$ w+ U& o9 A
144.       case DATAINIT :                                                                 //初始化参数状态
     ) V9 A8 T; f) g, A
145.                 RX_bitcounter=0;
     
146.                 RX_ones=0;
     
147.                 rxParity=0;
     
148.                 currentbit=0;
     ! n5 X, _6 O, E4 ?
149.                 RX_state=STARTBIT_FALL;
     
150.                 RX_times=0;
     
151.                 break;
       @4 I1 z6 l9 S9 I' ~  H
152.       default:
     , k# ^- g% h" F, M* G" Z
153.         break;
     ' {- Q" p* m; ~: p! {( P
154.     }
     
155. }

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shapeofyou888

这个好，都是经验之谈