手機(jī)與設(shè)備音頻接口通信原理講解2

關(guān)于手機(jī)音頻通信原理關(guān)于手機(jī)音頻通信原理 如何從手機(jī)音頻口獲得電能如何從手機(jī)音頻口獲得電能 發(fā)布時(shí)間 2013 5 16 如何從手機(jī)音頻口獲得電能 時(shí)下手機(jī)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 2011 年就展開了移動(dòng)支 付業(yè)務(wù) 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 驚人的成績 現(xiàn)在國內(nèi)也有很多廠商模仿退出類似產(chǎn)品和服務(wù) Square 的產(chǎn)品 國內(nèi)的類似產(chǎn)品 從圖上可以看出 這些個(gè)玩意兒只是利用了手機(jī)的耳塞插口 所以電源 通信都在一個(gè)耳塞插口 這個(gè)項(xiàng)目 Hijack http web eecs umich edu prabal projects hijack 是另外一 個(gè)更好的應(yīng)用耳塞插口的例子 Hijack HiJack 是一個(gè)硬件和軟件平臺(tái) 用來在小型 低耗電周邊設(shè)備和 iOS 設(shè) 備之間建立通信 該系統(tǒng)采用 22kHz 音頻信號(hào) 將其轉(zhuǎn)換為 7 4mW 電能 轉(zhuǎn) 化效率 47 可以帶動(dòng)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鏈接找到 有興 趣的可以自己動(dòng)手做一個(gè) 本文就單獨(dú)對如何從手機(jī)音頻口獲得電能做一個(gè)介紹 下面是我的實(shí)驗(yàn)過程 1 手機(jī)的耳塞插孔簡介 手機(jī)耳塞插孔線都是由四根線組成 也就是插頭前面分成四部分 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(huì)有 例外 至少我沒見過 因?yàn)槠胀ǖ?3 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 而手機(jī)的耳塞插孔 3 4 有一根是 GND 還有一根 則是麥克風(fēng) MIC 輸入 這兩根線好多廠商都不一樣 比如 iphone 就是 3 對 應(yīng) GND 4 是 MIC 而我手頭的索愛 E15i 和諾基亞 E63 則是 3 對應(yīng) MIC 4 對應(yīng) GND 華為 C8812 則跟 iphone 一樣 2 電路 這是電路和對應(yīng)的元器件型號(hào)表 價(jià)目都列出來了 J1 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 but works 3 實(shí)驗(yàn) 音頻輸出找了個(gè) Android simple frequency generator 的軟件 它可 以調(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)是可以通過最佳匹配輸入阻抗來計(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)的辦法 而且很方便 華為手機(jī)能得到 2 2v 的電壓 發(fā)光二接管亮了 索愛的能得到 2 8V Hijack 的文檔上說它在 iphone 能得到 3 5v 電壓 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 只要最后功率能達(dá) 到驅(qū)動(dòng)應(yīng)用電路就可以了 利用音頻線與利用音頻線與 arduinoarduino 進(jìn)行通信進(jìn)行通信 音頻信號(hào)頻率計(jì)音頻信號(hào)頻率計(jì) 發(fā)布時(shí)間 2013 5 16 前言部分 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?到的機(jī)械振動(dòng)所對應(yīng)的頻率范圍 一般在 20Hz 到 20kHz 之間 一般來說 機(jī)械振 動(dòng)發(fā)聲 比如人的喉嚨內(nèi)的空氣振動(dòng) 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(hào) 這些信號(hào)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(hào) 而如果這 些設(shè)備想復(fù)原聲音 只需要將信號(hào)再次返回給數(shù)模轉(zhuǎn)換器 重新轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào) 驅(qū)動(dòng)音響等設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng) 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?nèi)舭涯切C(jī)械振動(dòng)的采集和產(chǎn)生設(shè)備換成其他的我們想要的信號(hào)產(chǎn)生和 接受裝置 那么原則上我們是可以實(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)手機(jī)上 會(huì)說話的 tom 貓 對著喊話 如果我們按照原 理說 這兩部手機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)了通信 還是無線通信 不過 這的確是個(gè)很糟糕的例 子 做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)的人就發(fā)現(xiàn) 每次成功的概率不是很高 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灰粯?因?yàn)檫@里面的無線傳輸?shù)膶?shí)際 是通過機(jī)械振動(dòng)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(hào)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)化和還原 并不 是一件簡單的事情 做個(gè)類比 這樣傳遞過程就好像一隊(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)的內(nèi)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)字信號(hào) 那也許有人問 那聲卡采集和產(chǎn)生的 不是模擬信號(hào)嗎 的確如此 不過模擬信號(hào)也可以看做數(shù)字信號(hào) 數(shù)字信號(hào)本身也 可以看成一種簡化了的模擬信號(hào) 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?語氣 之類的我們無法把握的信息 紙條 才方便傳遞 數(shù)字信號(hào)就是這個(gè)道理 不過 模擬信號(hào)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(hào)傳播主要原因也是要避開這些不必要的成本 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(hào)的想法是可行的 呢 電話 電話在撥號(hào)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)化成電流再通過電話線傳遞給控制端 控制端再根據(jù)頻率 的順序得到數(shù)字的順序 也就是電話號(hào)碼 再按照既定的程序接通對應(yīng)用戶的電話 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(hào)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(hào)上網(wǎng) 不過 這個(gè)信號(hào)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?0 或 1 或者多幾個(gè)數(shù)字而已 現(xiàn)在回頭討論下 為什么要利用電話上網(wǎng) 原因很簡單 電話是最普及的音頻設(shè)備 甚至說是最普及和最簡單的遠(yuǎn)程通信裝置 即使在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代也是這樣 電話線的覆 蓋范圍基本是 100 而移動(dòng)通信的信號(hào)那就不必說了 這樣在電話線上載入網(wǎng)絡(luò) 通信 就避免了重新布線入戶的成本 而從我們的角度看 手機(jī) 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 比如手機(jī)與單片機(jī)通信 有人說 ADK 就好了 不 過 ADK 需要新的成本 以及復(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 android 利用音頻線與串口通信的程序 請去電子市場搜索和下載 AudioSerialOut 程序 一 目了然 他們的官方網(wǎng)站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 首先是簡單的電路部分 我們要做到單片機(jī)對音頻信號(hào)的讀取 就需要一個(gè)簡單的放大電路 因?yàn)殡娔X音頻輸出大概只有幾十 毫伏 而 arduino 使用的 avr 單片機(jī)數(shù)字信號(hào)對應(yīng)的高電平則是 5v 幸運(yùn)的是 因?yàn)槲覀冃枨蟮氖呛唵蔚闹挥懈叩碗娖降臄?shù)字 信號(hào)的放大 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 lm358 作為放大器 電路原理圖如下 注意這里 lm358 的放大倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了本身 5v 的電源電壓的能力 這我們不必考慮太多 關(guān)鍵是在 R1 放上一個(gè)大電阻讓 放大倍數(shù)足夠使 arduino 識(shí)別高低電平就可以了 另外記住 lm358 輸出的信號(hào)和原來的信號(hào)是反向的 高低電平會(huì)調(diào)置 國 外那個(gè)網(wǎng)站 就是做 Audioserial 軟件的那個(gè)用的是 lm324 是 4 個(gè)放大器在一起 原理一致不做解釋 所使用的我繼續(xù)花了 個(gè)接線圖 注意這個(gè)圖是為了省空間在元件下面走線了 一般電腦是兩個(gè)聲道 充分利用了 lm358 的兩個(gè)放大器 而放大器 5v 的電源寄生在 arduino 上也就可以了 輸入端和音頻插 頭連接 接線上 最靠近內(nèi)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 只有面接觸 才能保證信號(hào)質(zhì)量 否則 雜波很夸張 這是我在面包板上做的 lm358 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(hào)頻率計(jì) 為了驗(yàn)證單片機(jī)可以順利的讀取高低電平信號(hào)并研究這個(gè)信號(hào)頻率上的范圍和精度 也為了研究 arduino 時(shí)鐘的設(shè)置 我制作 了一個(gè)音頻信號(hào)頻率計(jì) arduino 讀取聲卡模擬出的占空比為 0 5 的方波 就是均勻交替的高低電平信號(hào) 通過計(jì)時(shí)器 得 到方波每個(gè)波谷的長度 因?yàn)槭?lm358 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 日晷和日歷說起 古人通過觀察日月星辰的變化規(guī)律 了解 到 太陽做周期的往復(fù)運(yùn)動(dòng) 拉卡拉手機(jī)刷卡器音頻通訊技術(shù)原理初步分析拉卡拉手機(jī)刷卡器音頻通訊技術(shù)原理初步分析 發(fā)布時(shí)間 2013 5 16 1 拉卡拉刷卡器拉卡拉刷卡器 大家都知道 拉卡拉就是一個(gè)手機(jī)刷卡器 拉卡卡 智能手機(jī) 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)樵谑謾C(jī)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)的刷卡服務(wù) 提 供一系列現(xiàn)在支付寶也正在大力發(fā)展的生活服務(wù)等功能 而這個(gè)是銀聯(lián)的 POS 所嚴(yán)重 缺乏的 目前來說 移動(dòng)支付里 最方便的肯定是支付寶的快捷支付 但考慮國內(nèi)目 前的安全環(huán)境 用戶把銀行卡和密碼托管給一個(gè)網(wǎng)站來管理 明顯不如用的時(shí)候輸入 一下的方式更能被接受 相對于更安全的支付寶加網(wǎng)銀的方式 拉卡拉做到了與發(fā)卡 行無關(guān) 這樣也不需要手機(jī)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(dòng)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 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)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 總體來說 這個(gè)電路板很簡單 2 1 一個(gè)電池就占了絕大部分地方 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 是接收手機(jī)往外輸出 信號(hào)的接口 M 是輸出信號(hào)到手機(jī)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 中興等大部分國 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 小米等手機(jī) 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(dòng)識(shí)別 M 和 G 的正反向 見參考資料 2 2 3 電路板最右面的芯片處理輸入信號(hào)和轉(zhuǎn)換刷卡數(shù)據(jù)的 A D 音頻 數(shù)字 處理模 塊 它是整個(gè)系統(tǒng)的核心 在手機(jī)應(yīng)用里點(diǎn)擊刷卡時(shí) 音頻信號(hào)通過 L 或 R 從手機(jī)發(fā) 送到電路板 通過 A D 模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào) 刷卡時(shí)電路板拿到銀行卡信息 再通過 A D 模塊轉(zhuǎn)換成音頻傳輸給手機(jī) 當(dāng)然手機(jī) APP 應(yīng)用里在信號(hào)出入的時(shí)候 也需要做 相應(yīng)的 A D 編解碼工作 這個(gè)也是手機(jī) APP 里最重要的工作 3 刷卡支付流程刷卡支付流程 手機(jī)與拉卡拉音頻通訊示意圖 手機(jī)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 先在手機(jī)上打開拉卡拉的應(yīng)用 點(diǎn)擊刷卡 3 2 手機(jī)應(yīng)用會(huì)調(diào)用 android 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(hào) L 和 R 表達(dá)的信息是一樣的 只是波形是反相的 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(hào) 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(hào) 同 M 線路發(fā)送給手機(jī) 3 6 手機(jī) APP 通過 AudioRecord 對音頻信號(hào)進(jìn)行采樣 拿到數(shù)字信號(hào) 3 7 手機(jī) APP 程序通過對數(shù)據(jù)信號(hào)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 則手機(jī) APP 拿到的是一段失敗提示信息 3 9 至此手機(jī)與刷卡器的通訊完成 手機(jī) APP 再使用此卡的信息與拉卡拉的服務(wù)器 端后臺(tái)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)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 通訊上如何制定合適的協(xié)議 包括如何判斷信號(hào)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)問題相關(guān)的一些技術(shù)問題 4 1 A D 轉(zhuǎn)換的問題轉(zhuǎn)換的問題 耳機(jī)線傳輸一般是 1250HZ 9600HZ 之間的交流音頻信號(hào) 信號(hào)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(hào) 的分析 我們發(fā)現(xiàn)拉卡拉使用的是調(diào)幅方式調(diào)幅方式 頻率為 9600HZ 和 4800HZ 的音頻信 號(hào) 4 2 耳機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)的問題耳機(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 不同不同 android 手機(jī)的問題手機(jī)的問題 a 我們發(fā)現(xiàn) 在個(gè)別手機(jī)上 接收到的音頻波形跟其他手機(jī)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 手機(jī) Mic 采樣到的音頻信號(hào)電平可能會(huì)不一樣 例如同一段音頻信號(hào) 使用 A 手機(jī) AudioRecord 采樣出來 波峰的值大概是 32000 另外找一個(gè)手機(jī)可能是 3200 根據(jù)我們的多種不同手機(jī)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(dòng)態(tài)的根據(jù)峰值來調(diào)整閾值 c 有些手機(jī)的 Mic 不認(rèn)非標(biāo)準(zhǔn)的采樣率 比如三星的 I9308 如果使用 9600