手機(jī)與設(shè)備音頻接口通信原理講解2

1、關(guān)于 音頻通信原理如何從 音頻口獲得電能發(fā)布時(shí)間：2021-5-16如何從 音頻口獲得電能時(shí)下 音頻耳塞口的外設(shè)配件已不是什么新鮮事了。目前應(yīng)用最廣的就是支付領(lǐng)域了，似乎Square公司在2021年就展開了移動支，推出的刷卡支付方式受到的廣泛的使用和好評，在短短的一年時(shí)間做出了現(xiàn)在國也有很多廠商模仿退出類似產(chǎn)品和效勞。1$15.33 他Square的產(chǎn)品國的類似產(chǎn)品從圖上可以看出，這些個(gè)玩意兒只是利用了 的耳塞插口，所以電源、 通信都在一個(gè)耳塞插口。這個(gè)工程Hijack /prabal/projects/hijack/是另外一個(gè)更好的應(yīng)用耳塞插口的例子。Hi

2、jackiOS設(shè)Hijack是一個(gè)硬件和軟件平臺，用來在小型、低耗電周邊設(shè)備和備之間建立通信。該系統(tǒng)采用22kHz音頻信號，將其轉(zhuǎn)換為 7.4mW電能轉(zhuǎn)化效率47%,可以帶動一個(gè)TI MSP430微控制器和其它電子元件， 允許Hijack 和iOS應(yīng)用進(jìn)行通信。所有的資料都能在上面給的找到，有興趣的可以自己 動手做一個(gè)。本文就單獨(dú)對如何從 音頻口獲得電能做一個(gè)介紹。F面是我的實(shí)驗(yàn)過程 耳塞插孔線都是由四根線組成，也就是插頭前面分成四局部，1和2是兩路音頻輸出，這個(gè)對所有耳機(jī)插孔都是兼容的，極個(gè)別廠商也許會有例 外？至少我沒見過。因?yàn)槠胀ǖ?根線的耳塞在那款設(shè)備上都可以用，普通耳塞的3、4兩根線

3、其實(shí)只有一根的，也就是上圖中的3、4中間是沒有隔開的，就是一跟底線 GND而 的耳塞插孔 3、4有一根是GND還有一根那么 是麥克風(fēng)MIC輸入。這兩根線好多廠商都不一樣，比方iphone就是3對應(yīng)GND 4是MIC；而我手頭的索愛 E15i和諾基亞E63那么是3對應(yīng)MIC, 4對應(yīng) GND 華為 C8812 那么跟 iphone 樣。2.電路這是電路和對應(yīng)的元器件型號表價(jià)目都列出來了：KefDcsc、【址1Pu ItCost (ciuJIPlugKobiconn171-7435-EX50.92T1XFMRCoilcraftLPR6235W.40Q1,Q2N-FETZ<?tcxZXM61N

4、03Q3.Q4P-FETZe lexZXM61P03$0,14DIDiodeDiodesDFLS120L$0.16C1.C2C叩TDKY5V1A225Z$0.02FabPCS4pcb HIJACK-A$0.26J1接耳塞一路輸出另外一路還可以留作他用。之后是一個(gè)升壓變壓器T1,因?yàn)檩敵龅囊纛l電壓很低，甚至不能觸發(fā)后面的FET導(dǎo)通，所以需要先升壓。升壓完了之后經(jīng)過 FET組成的橋整流電路， 再經(jīng)D1調(diào)整以后就得到 直流輸出。實(shí)際做電路的時(shí)候發(fā)現(xiàn)T1很難買，價(jià)格比起這個(gè)指導(dǎo)價(jià)巨貴，這個(gè)指導(dǎo)價(jià)是一萬片的價(jià)格，另外Q1-Q4也不好買，就用了 A3401和A3402代替。做好以后像下面這樣，ugly b

5、ut works:cooQ02F oooooor COOOOQ n 00000?覘 Dooocn Qoooor :rI £002 o c ooooo I;> oooon ? Qoodm3.實(shí)驗(yàn)的軟件，它可以音頻輸出找了個(gè) An droid simple freque ncy gen erator調(diào)整輸出頻率和波形，結(jié)果發(fā)現(xiàn)輸出16448HZ的方波的時(shí)候輸出電壓最大。其實(shí)是可以通過最正確匹配輸入阻抗來計(jì)算這個(gè)頻率值的，但是不清楚廠商 的技術(shù)指標(biāo)，所以直接試也是不錯(cuò)的方法，而且很方便。華為 能得到2.2v的電壓，發(fā)光二接收亮了。Hijack的文檔上說它在iphone能得到3.5v電

6、壓，不曾考究過。如果電壓在2.2V-2.8V,可以加個(gè)charge pump來調(diào)整到3.3V。只要最后功率能到達(dá) 驅(qū)動應(yīng)用電路就可以了。利用音頻線與arduino進(jìn)行通信 音頻信號頻率計(jì)發(fā)布時(shí)間:2021-5-16前言局部在多媒體電子設(shè)備中，音頻設(shè)備是不可缺少的。音頻就是指我們?nèi)硕Ｄ苈牭降臋C(jī)械振動所對應(yīng)的頻率圍，一般在20Hz到20kHz之間。一般來說,機(jī)械振動發(fā)聲比方人的喉嚨的空氣振動通過介質(zhì)傳遞到聲音采集器中，然后使 采集器產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號，這些信號通過音頻接口接入一個(gè)高質(zhì)量的數(shù)模轉(zhuǎn)換器就電腦而言是是聲卡，轉(zhuǎn)成計(jì)算機(jī)或其它多媒體設(shè)備可以處理數(shù)字信號。而如 果這些設(shè)備想復(fù)原聲音，只需要

7、將信號再次返回給數(shù)模轉(zhuǎn)換器，重新轉(zhuǎn)換成模擬信 號，驅(qū)動音響等設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械振動，傳到耳朵里就是聲音了。說了這么多，聽起來很枯燥。不過我們換個(gè)思路去思考，在這個(gè)音頻的傳遞過程中，我 們假設(shè)把那些機(jī)械振動的采集和產(chǎn)生設(shè)備換成其他的我們想要的信號產(chǎn)生和承受裝 置，那么原那么上我們是可以實(shí)現(xiàn)這些裝置與電子設(shè)備的通信的，例如，電腦上的聲 卡可以幫助我們實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的拓展。我們將兩個(gè)電子設(shè)備通過這一系列裝置去連 接，進(jìn)而通信，這也是可能的。最簡單的例子便是兩個(gè) 上?會說話的tom貓?對著喊話，如果我們按照原理說，這兩部 不僅實(shí)現(xiàn)了通信，還是無線 通信。不過，這確實(shí)是個(gè)很糟糕的例子。做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)的人就發(fā)

8、現(xiàn)，每次成功的概 率不是很咼，語音反復(fù)重復(fù)的過程很中可能因?yàn)橹車捻懧暠换烊攵鴱氐缀鸵郧安?一樣。因?yàn)檫@里面的無線傳輸?shù)膶?shí)際是通過機(jī)械振動傳輸實(shí)現(xiàn)的，也就是聲音。聲 音有強(qiáng)弱的差異，也就是所謂的在模擬信號中電壓的大小，聲卡或者其他音頻處理 設(shè)備要負(fù)責(zé)將他們轉(zhuǎn)化和復(fù)原，并不是一件簡單的事情。做個(gè)類比，這樣傳遞過程 就好似一隊(duì)人從頭到尾傳一句話，即使話的含義不發(fā)生改變，說話的語氣和其他因 素也是難以復(fù)制的。不過我們?nèi)绻麚Q個(gè)方式，使用紙條的話，只要語義清晰，中間 有人傳下去，到最后隊(duì)尾收到的肯定是隊(duì)頭想要表達(dá)的容。而在電子設(shè)備的通信中， 我們正是通過這種“傳紙條的方式去做。這種紙條“，我們就叫做數(shù)字

9、信號。 那也許有人問，那聲卡采集和產(chǎn)生的不是模擬信號嗎？確實(shí)如此，不過模擬信號也可以看做數(shù)字信號，數(shù)字信號本身也可以看成一種簡化了的模擬信號，本來連續(xù)的 電壓值被離散的限定在0和1兩個(gè)數(shù)字里。正是因?yàn)槲覀兒雎粤恕罢Z氣之類的我 們無法把握的信息，“紙條才方便傳遞，數(shù)字信號就是這個(gè)道 理。不過，模擬信號才是音頻設(shè)備的重頭戲，不信看看森海塞爾耳機(jī)和高保真功放的價(jià)格。我們選擇數(shù)字信號傳播主要原因也是要避開這些不必要 的本錢。那么，有什么現(xiàn)成的例子可以證明這個(gè)在音頻設(shè)備間使用數(shù)字信號的想 法是可行的呢？。在撥號時(shí)發(fā)出不同音高的聲音不是偶然的，每個(gè)數(shù)字對應(yīng)一個(gè)頻 率，這些固定頻率的聲音被轉(zhuǎn)化成電流再通過線

10、傳遞給控制端，控制端再根據(jù)頻率 的順序得到數(shù)字的順序，也就是，再按照既定的程序接通對應(yīng)用戶的。這樣我們就 用按鍵完成了一段指令的輸入，又經(jīng)過一系列的信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，完成了對遠(yuǎn)程 終端的控制。而如果我們把這種做法更復(fù)雜化點(diǎn)，就是所謂撥號上網(wǎng)。不過，這個(gè) 信號的傳遞所使用的頻率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了音頻的所謂20-20kHz定義，但是我們看到，原理還是一樣的。不過，原來的聲卡被換了個(gè)名字，叫調(diào)制解調(diào)器。而原來聲卡中 最重要的數(shù)模轉(zhuǎn)換器也被盡量的簡化掉了，因?yàn)槲覀冎恍枰?或1,或者多幾個(gè)數(shù)字而已?，F(xiàn)在回頭討論下，為什么要利用上網(wǎng)。原因很簡單，是最普與的音頻設(shè)備， 甚至說是最普與和最簡單的遠(yuǎn)程通信裝置，即使在

11、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代也是這樣。線的覆蓋圍 根本是100%而移動通信的信號那就不必說了。這樣在線上載入網(wǎng)絡(luò)通信，就防止 了重新布線入戶的本錢。而從我們的角度看， ，mp3電腦，這些最常見的電子設(shè)備，都有一個(gè)共同音頻端口，我們甚至沒有必要為這個(gè)端口做特別的修改，就能 做很多事情，比方 與單片機(jī)通信。有人說，ADK就好了？不過ADK需要新的成本，以與復(fù)雜的配置，這些配置對于一般用戶來說太難以解釋了，就是極客也很難 上手。而音頻端口，只要一根線，一個(gè)簡單的放大器電路，一個(gè)寫好的通信協(xié)議， 也能完成類似的事情。事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)流傳了an droid利用音頻線與串口通信的程序，請去電子市場搜索和下載 AudioSe

12、rialOut程序，一目了然。他們的官方也 提供了一致的思路，筆者講在下文中講解。另外，iphone用戶也不必發(fā)愁，雖然蘋果能鎖死usb，但是在國外，偉大的極客們早就悟出誰也無法鎖死音頻端口 的事實(shí)。不信，看看這個(gè)iphone蓋革管計(jì)數(shù)器。注意連接方式。首先是簡單的電路局部。我們要做到單片機(jī)對音頻信號的讀取，就需要一個(gè)簡單的放大 毫伏，而arduino使用的avr單片機(jī)數(shù)字信號對應(yīng)的高電平那么是5v。幸運(yùn)的是，因?yàn)槲倚盘柕姆糯?，模擬電路里所謂的失真之類的問題就可以不必考慮了。這里我們使用Im358作為放大器。電路原理圖如下那個(gè)就是做Audioserial軟件的那個(gè)用的是Im324,是4個(gè)放大器

13、在一起，原理一致不做解釋所使圖，注意這個(gè)圖是為了省空間在元件下面走線了連接，接線上，最靠近側(cè)的是地。輸出端自然要連在arduino的數(shù)字端口上，這不用解釋。看看我自己悲催用耳機(jī)改的插頭吧。建議用銅絲擰成圈固定這個(gè)插頭，焊錫是不沾的，所以固定不住。不過固定好還是要涂焊錫，只有面接 否那么，雜波很夸。這是我在面包板上做的Im358電路，只用了一個(gè)聲道。如果這些都做好，并且，沒有啥故障的話，那么就可以進(jìn)入軟件方面的設(shè)計(jì)和調(diào)試了音頻信號頻率計(jì)為了驗(yàn)證單片機(jī)可以順利的讀取上下電平信號并研究這個(gè)信號頻率上的圍和精度，也為了研究arduin一個(gè)音頻信號頻率計(jì)，arduino讀取聲卡模擬出的占空比為 0.5的

14、方波就是均勻交替的上下電平信號 方波每個(gè)波谷的長度因?yàn)槭荌m358反置，進(jìn)而計(jì)算出這個(gè)方波的頻率。首先我們要討論的是，計(jì)時(shí)器。為了了解單片機(jī)上計(jì)時(shí)器的原理，我們先從最原始的計(jì)時(shí)工具一一日晷和日歷說起。古人通過觀察日 到，太陽做周期的往復(fù)運(yùn)動拉卡拉 刷卡器音頻通訊技術(shù)原理初步分析發(fā)布時(shí)間：2021-5-161.拉卡拉刷卡器大家都知道，拉卡拉就是一個(gè) 刷卡器。拉卡卡、智能 、拉卡拉軟件、網(wǎng)絡(luò)，構(gòu) 成了一個(gè)完整的、更強(qiáng)大的POS系統(tǒng)。為什么說更強(qiáng)大呢？因?yàn)樵?應(yīng)用app的這一層，拉卡拉可以做很多很多方便的功能，這樣借助于類似傳統(tǒng)的刷卡效勞，提供一系列 現(xiàn)在支付寶也正在大力開展的生活效勞等功能。而這個(gè)

15、是銀聯(lián)的POS所嚴(yán)重缺乏的。目前來說，移動支付里，最方便的肯定是支付寶的快捷支付；但考慮國目前的平安環(huán)境， 用戶把銀行卡和密碼托管給一個(gè)來管理，明顯不如用的時(shí)候輸入一下的方式更能被承 受。相對于更平安的支付寶加網(wǎng)銀的方式，拉卡拉做到了與發(fā)卡行無關(guān)，這樣也不需要 上安裝各種不同的銀行的網(wǎng)銀客戶端。所以，顯然拉卡拉在某些應(yīng)用場景比一些其他的移動支付方式更有優(yōu)勢。下面我們就來看看拉卡拉的技術(shù)原理是怎么回事。2. 部結(jié)構(gòu)上面左右是一個(gè)常見的拉卡拉設(shè)備，挺好看的。如果我們把它拆開來看，就如右圖所示，當(dāng)然除了這個(gè)東西，下面還有個(gè)耳機(jī)插頭、側(cè)面還有一個(gè)刷卡的槽?？傮w來說，這個(gè)電路板很簡單。2.1 一個(gè)電池就

16、占了絕大局部地方，導(dǎo)致整個(gè)拉卡拉個(gè)頭偏大，可供刷卡萬次 以上見參考資料1。2.2 左邊的四根引線，對應(yīng)于耳機(jī)插頭上的4個(gè)區(qū)域。分別是左聲道Left 、右聲道Right 、麥克風(fēng)Mic和接地線Gnd。其中L和R是接收 往外輸出 信號的接口， M是輸出信號到 的接口。需要注意的是并不是所有的順序都想右圖所示。因?yàn)榇嬖趦蓚€(gè)不一樣的標(biāo)準(zhǔn)，國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)。像聯(lián)想、中興等大局部國產(chǎn)手 機(jī)都是國家標(biāo)準(zhǔn)，跟右側(cè)的圖一樣的順序。而iphone、htc、三星、小米等 都是國際標(biāo)準(zhǔn)，M和Gnd的順序是反向的。拉卡拉的某些版本可以自動識別M和G的正反向。見參考資料22.3 電路板最右面的芯片處理輸入信號和轉(zhuǎn)換刷卡

17、數(shù)據(jù)的AD 音頻 數(shù)字處理模塊，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。在 應(yīng)用里點(diǎn)擊刷卡時(shí)，音頻信號通過L或R從 發(fā)送到電路板，通過 AD模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號。刷卡時(shí)電路板拿到銀行卡信息，再通過 AD模塊轉(zhuǎn)換成音頻傳輸給 。當(dāng)然 APP應(yīng)用里在信號出入的時(shí)候，也需要做相應(yīng)的AD編解碼工作，這個(gè)也是 APP里最重要的工作。3. 刷卡支付流程刷卡層t通訊層 與拉卡拉音頻通訊示意圖 與拉卡拉的音頻通訊大概結(jié)構(gòu)見上圖，大概的流程是：3.1 先在 上翻開拉卡拉的應(yīng)用。點(diǎn)擊刷卡。3.2 應(yīng)用會調(diào)用 an droid api 的AudioTrack，通過L和R線路給拉卡拉手機(jī)刷卡設(shè)備發(fā)送一段通知信號L和R表達(dá)的信息是一樣的，只

18、是波形是反相的，L的高電平對應(yīng)于R的低電平，還沒搞清楚拉卡拉為什么這么設(shè)計(jì)。3.3 芯片上的通訊模塊拿到音頻信號，解碼后發(fā)現(xiàn)是刷卡通知，就等待刷卡層 傳來刷卡信息。3.4 在刷卡槽刷卡后，卡的信息傳遞給芯片。3.5 芯片拿到卡的信息，編碼成音頻信號，同M線路發(fā)送給 。3.6 APP通過AudioRecord對音頻信號進(jìn)行采樣，拿到數(shù)字信號。3.7 APP程序通過對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行解碼，拿到實(shí)際的數(shù)據(jù)信息，即卡的信息。3.8 如果刷卡失敗，那么 APP拿到的是一段失敗提示信息。3.9 至此 與刷卡器的通訊完成， APP再使用此卡的信息與拉卡拉的服務(wù)器端后臺通訊，處理后續(xù)支付操作。其中的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是細(xì)

19、節(jié)本文暫不討論：a傳輸上使用什么樣的調(diào)制方式，采用什么樣的波特率、頻率。b通訊上如何制定適宜的協(xié)議，包括如何判斷信號開始、如何握手建 立連接。c編碼上如何編碼表示數(shù)據(jù)，如何校驗(yàn)和糾錯(cuò)，如何濾波和解碼數(shù)據(jù)。4. 相關(guān)的一些技術(shù)問題4.1 A/D轉(zhuǎn)換的問題耳機(jī)線傳輸一般是1250HZ9600HZ之間的交流音頻信號。信號的調(diào)制解調(diào)有3種方式，調(diào)幅AM、調(diào)頻FM和調(diào)相PM三種。根據(jù)對拉卡拉的輸入輸出信號的分析，我 們發(fā)現(xiàn)拉卡拉使用的是 調(diào)幅方式，頻率為9600HZ和4800HZ的音頻信號。4.2 耳機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)的問題兩種標(biāo)準(zhǔn)見2.2中所描述的。4.3 不同an droid 的問題a我們發(fā)現(xiàn)，在個(gè)別 上，接收到的音頻波形跟其他 相比，是 反相的。即高電平的波峰變成了低電平的波谷。這個(gè)問題可以在解碼的時(shí)候，根據(jù)特定 的前導(dǎo)碼來判斷。b Mic采樣到的音頻信號電平可能會不一樣。 例如同一段音頻信號，使用A AudioRecord采樣出來，波峰的值大概是 32000；另外找一個(gè) 可能 是3200,根據(jù)我們的多種不同 測試，發(fā)現(xiàn)可以相差10倍。處理方法是，可以額外的進(jìn)行一次處理，先歸一化；或者是濾波的時(shí)候，動態(tài)的根據(jù)峰值來調(diào)整閾值。c有些 的Mic不認(rèn)非標(biāo)準(zhǔn)的采樣率。比方三星的19308