一文读懂Android/iOS手机如何通过音频接口与外设通信
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图1 红外遥控器
图3 手机刷卡器
1 音频口通信特点
1.1 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的音频接口通用性最强，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，音频接口成为首选。
1.2 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。
我们都知道如果是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。
1.3 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。
2 手机音频口通信原理
2.1 音频接口
图5典型的 音频通信系统模型
可以看出由设备→手机是用MIC，手机→设备用左、右声道中的任意一个。实际产品中，最终手机解析信号是需要的是频率和幅值。另外说明实际应用中两个声道一般只用一个，剩下的一个通常被用来帮助设备进行上电识别或者供电。
2.2.2音频通信使用的信号：
1、方波：方波通常使用的是曼彻斯特编码方式，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。
3 手机音频口全双工通信方案
要实现手机音频口的全双工通信，必须满足2个条件：
- 1.信号必须在音频频率之内
- 2.需要是低功耗的
第一个条件限制了信号带宽，第二个条件限制了成本和功率。在这2种限制条件下，目前主要有2种方式实现这种同时的双向通信：FSK调制和基于曼彻斯特编码的直接数字通信。
3.1设备→手机
1、曼彻斯特编码（Manchester Encoding）：是一个同步时钟编码技术；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。
曼彻斯特编码可以直接进行数字传输，编码将1变成01，而将0变成10，在每位编码中有一跳变，同时将时钟同步信息一起传输到对方。虽然这种编码方式将传输速率降低了一半，但是在编码后0和1的数量完全相等，不存在直流分量，因此具备自同步能力和良好的抗干扰能力。
图7 FSK调制后的信号
3、 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。
3.2 手机→设备
由于手机输出的音频信号很小，无法直接使用，因此现有方案是用运放发大到合适的范围，与用电压比较器转换成TTL方波。
1、 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，然后有锁相环或者通过FSK、DTMF芯片进行解析。
2、 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，再进行解析就容易了。
4. 案例分析（2FSK信号调制）
4.1 2FSK信号调制
2FSK按字面的英语全称是：2 (binary system) Frequency-shift keying（二进制频移键控），就是用二进制里的0、1来控制载波的频率，从而达到通信的目的。
例如：我们用1ms长、1KHz的正弦信号来代表二进制里的1；用1ms长、2KHz的正弦来代表二进制里的0；那一连串的1KHz、2KHz的信号解调出来就是一连串的0和1。
图9经过调制后的信号输出波形图
然后设计Android程序，步骤如下：
? 获取对应音频采样率下的最小缓冲区的大小
? 新建Audio Track(音频数据输出Class)
? 将缓冲区中的音频数据写入音频播放线程并设置左右声道音量等
注：若需要其中一个声道对外部扩展头供电，可以设置该声道为循环播放。
4.2 2FSK信号解调
4.2.1解调电路
解调端使用MSP430的单片机，主要是因为TI的单片机功耗较低，休眠状态下，电流可达到uA级，正常工作下电流也可以保持在几个mA级左右，适合手机音频口通信。
图11 比较器的输出特性
调制信号经过比较器之后的输出波形图如下：
图13 解调过程方框图
5 音频口通信关键技术与问题分析
5.1 从手机获取电能
如果外设没有电池供电，要实现音频口通信，首先就需要从音频口获取电能来驱动单片机或者传感器等设备，然后才能将数据转换成音频数据通过音频口传输出去，或者将传感器收集到的数据通过单片机转换成音频数据后通过mic口传入手机。
一般的音频口取电电路都是一个通用的升压电路，因此升压电能转换效率和是非常关键的。
5.2 不同手机音频口驱动能力
图16 Hijack音频口取电电路
取电电路分析：
Right接耳机右声道输出，之后是一个升压变压器T1，因为输出的音频电压很低，甚至不能触发后面的场效应晶体管FET导通，所以需要先升压。升压完了之后经过FET组成的桥整流电路，再经整流二极管D1调整以后就得到直流输出。
图18 音频口刷卡器框架图
拉卡拉就是一个手机刷卡器；拉卡卡、智能手机、拉卡拉软件、网络，构成了一个完整的、更强大的POS系统。
图20手机与拉卡拉音频通讯示意图
手机与拉卡拉的音频通讯过程大致如下：
? 先在手机上打开拉卡拉的应用。点击刷卡。
? 手机应用会调用Android Api的Audio Track，通过L和R线路给拉卡拉手机刷卡设备发送一段通知信号（L和R表达的信息是一样的，只是波形是反相的，L的高电平对应于R的低电平，还没搞清楚拉卡拉为什么这么设计）。
? 芯片上的通讯模块拿到音频信号，解码后发现是刷卡通知，就等待刷卡层传来刷卡信息。
? 在刷卡槽刷卡后，卡的信息传递给芯片。
? 芯片拿到卡的信息，编码成音频信号，同M线路发送给手机。
? 手机APP通过Audio Record对音频信号进行采样，拿到数字信号。
? 手机APP程序通过对数据信号进行解码，拿到实际的数据信息，即卡的信息。
? 如果刷卡失败，则手机APP拿到的是一段失败提示信息。
? 至此手机与刷卡器的通讯完成，手机APP再使用此卡的信息与拉卡拉的服务器端后台通讯，处理后续支付操作。
6.3 其他产品
图22 智能手机温湿度监控产品
图23 音频-串口转换模块
7 开发需要考虑的几点
- 1、 手机录音软件，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。
- 3、 录音笔，有时需要得到纯净的音频信号，方便更加准确的分析。
- 4、 音频转接板，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、 需要信号衰减电路，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
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http://blog.csdn.net/raoqin/article/details/9797131
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http://www.jianshu.com/p/649e2c341c00
[15].通过手机耳机口和外设之间传输数据
http://www.zhihu.com/question/26918431
[16].在安卓系统中使用音频接口用于数据传输
https://software.intel.com/zh-cn/android/articles/using-the-audio-jack-as-data-interface-on-android-systemsanguage=it
来源：HowieXue
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