手机与设备音频接口通信原理讲解2

关于手机音频通信原理关于手机音频通信原理 如何从手机音频口获得电能如何从手机音频口获得电能 发布时间 2013 5 16 如何从手机音频口获得电能 时下手机音频 耳塞 口的外设配件已不是什么新鲜事了 目前应用最广的就是支付领域了 似乎 Square 公司在 2011 年就展开了移动支 付业务 推出的刷卡支付方式受到的广泛的使用和好评 在短短的一年时间做出了 惊人的成绩 现在国内也有很多厂商模仿退出类似产品和服务 Square 的产品 国内的类似产品 从图上可以看出 这些个玩意儿只是利用了手机的耳塞插口 所以电源 通信都在一个耳塞插口 这个项目 Hijack http web eecs umich edu prabal projects hijack 是另外一 个更好的应用耳塞插口的例子 Hijack HiJack 是一个硬件和软件平台 用来在小型 低耗电周边设备和 iOS 设 备之间建立通信 该系统采用 22kHz 音频信号 将其转换为 7 4mW 电能 转 化效率 47 可以带动一个 TI MSP430 微控制器和其它电子元件 允许 HiJack 和 iOS 应用进行通信 所有的资料都能在上面给的链接找到 有兴 趣的可以自己动手做一个 本文就单独对如何从手机音频口获得电能做一个介绍 下面是我的实验过程 1 手机的耳塞插孔简介 手机耳塞插孔线都是由四根线组成 也就是插头前面分成四部分 1 和 2 是两路音频输出 这个对所有耳机插孔都是兼容的 极个别厂商也许会有 例外 至少我没见过 因为普通的 3 根线的耳塞在那款设备上都可以用 普 通耳塞的 3 4 两根线其实只有一根的 也就是上图中的 3 4 中间是没有隔 开的 就是一跟底线 GND 而手机的耳塞插孔 3 4 有一根是 GND 还有一根 则是麦克风 MIC 输入 这两根线好多厂商都不一样 比如 iphone 就是 3 对 应 GND 4 是 MIC 而我手头的索爱 E15i 和诺基亚 E63 则是 3 对应 MIC 4 对应 GND 华为 C8812 则跟 iphone 一样 2 电路 这是电路和对应的元器件型号表 价目都列出来了 J1 接耳塞一路输出 另外一路还可以留作他用 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 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 D1 调整以后就 得到直流输出 实际做电路的时候发现 T1 很难买 价格比起这个指导价巨 贵 这个指导价是一万片的价格 另外 Q1 Q4 也不好买 就用了 A3401 和 A3402 代替 做好以后像下面这样 ugly but works 3 实验 音频输出找了个 Android simple frequency generator 的软件 它可 以调整输出频率和波形 结果发现输出 16448HZ 的方波的时候输出电压最大 其实是可以通过最佳匹配输入阻抗来计算这个频率值的 但是不清楚厂商的 技术指标 所以直接试也是不错的办法 而且很方便 华为手机能得到 2 2v 的电压 发光二接管亮了 索爱的能得到 2 8V Hijack 的文档上说它在 iphone 能得到 3 5v 电压 不曾考究过 如果电 压在 2 2V 2 8V 可以加个 charge pump 来调整到 3 3V 只要最后功率能达 到驱动应用电路就可以了 利用音频线与利用音频线与 arduinoarduino 进行通信进行通信 音频信号频率计音频信号频率计 发布时间 2013 5 16 前言部分 在多媒体电子设备中 音频设备是不可缺少的 音频就是指我们人耳正常能听 到的机械振动所对应的频率范围 一般在 20Hz 到 20kHz 之间 一般来说 机械振 动发声 比如人的喉咙内的空气振动 通过介质传递到声音采集器中 然后使采集 器产生相应的模拟信号 这些信号通过音频接口接入一个高质量的数模转换器 就 电脑而言是是声卡 转成计算机或其它多媒体设备可以处理数字信号 而如果这 些设备想复原声音 只需要将信号再次返回给数模转换器 重新转换成模拟信号 驱动音响等设备产生相应的机械振动 传到耳朵里就是声音了 说了这么多 听起来很枯燥 不过我们换个思路去思考 在这个音频的传递过 程中 我们若把那些机械振动的采集和产生设备换成其他的我们想要的信号产生和 接受装置 那么原则上我们是可以实现这些装置与电子设备的通信的 例如 电脑 上的声卡可以帮助我们实现外部设备的拓展 我们将两个电子设备通过这一系列装 置去连接 进而通信 这也是可能的 最简单的例子便是两个手机上 会说话的 tom 猫 对着喊话 如果我们按照原 理说 这两部手机不仅实现了通信 还是无线通信 不过 这的确是个很糟糕的例 子 做过这个实验的人就发现 每次成功的概率不是很高 语音反复重复的过程很 中可能因为周围的响声被混入而彻底和以前不一样 因为这里面的无线传输的实际 是通过机械振动传输实现的 也就是声音 声音有强弱的差异 也就是所谓的在模 拟信号中电压的大小 声卡或者其他音频处理设备要负责将他们转化和还原 并不 是一件简单的事情 做个类比 这样传递过程就好像一队人从头到尾传一句话 即 使话的含义不发生改变 说话的语气和其他因素也是难以复制的 不过我们如果换 个方式 使用纸条的话 只要语义清晰 中间有人传下去 到最后队尾收到的肯定 是队头想要表达的内容 而在电子设备的通信中 我们正是通过这种 传纸条 的方 式去做 这种 纸条 我们就叫做数字信号 那也许有人问 那声卡采集和产生的 不是模拟信号吗 的确如此 不过模拟信号也可以看做数字信号 数字信号本身也 可以看成一种简化了的模拟信号 本来连续的电压值被离散的限定在 0 和 1 两个数 字里 正是因为我们忽略了 语气 之类的我们无法把握的信息 纸条 才方便传递 数字信号就是这个道理 不过 模拟信号才是音频设备的重头戏 不信看看森海塞尔耳机和高保真 功放的价格 我们选择数字信号传播主要原因也是要避开这些不必要的成本 那么 有什么现成的例子可以证明这个在音频设备间使用数字信号的想法是可行的 呢 电话 电话在拨号时发出不同音高的声音不是偶然的 每个数字对应一个频率 这些固定频率的声音被转化成电流再通过电话线传递给控制端 控制端再根据频率 的顺序得到数字的顺序 也就是电话号码 再按照既定的程序接通对应用户的电话 这样我们就用按键完成了一段指令的输入 又经过一系列的信号的传递和转换 完 成了对远程终端的控制 而如果我们把这种做法更复杂化点 就是所谓拨号上网 不过 这个信号的传递所使用的频率 远远超过了音频的所谓 20 20kHz 定义 但 是我们看到 原理还是一样的 不过 原来的声卡被换了个名字 叫调制解调器 而原来声卡中最重要的数模转换器也被尽量的简化掉了 因为我们只需要 0 或 1 或者多几个数字而已 现在回头讨论下 为什么要利用电话上网 原因很简单 电话是最普及的音频设备 甚至说是最普及和最简单的远程通信装置 即使在网络时代也是这样 电话线的覆 盖范围基本是 100 而移动通信的信号那就不必说了 这样在电话线上载入网络 通信 就避免了重新布线入户的成本 而从我们的角度看 手机 mp3 电脑 这 些最常见的电子设备 都有一个共同音频端口 我们甚至没有必要为这个端口做特 别的修改 就能做很多事情 比如手机与单片机通信 有人说 ADK 就好了 不 过 ADK 需要新的成本 以及复杂的配置 这些配置对于一般用户来说太难以解释 了 就是极客也很难上手 而音频端口 只要一根线 一个简单的放大器电路 一个写好的通信协议 也能完成类似的事情 事实上 网络上已经流传了 android 利用音频线与串口通信的程序 请去电子市场搜索和下载 AudioSerialOut 程序 一 目了然 他们的官方网站也提供了一致的思路 笔者讲在下文中讲解 另外 iphone 用户也不必发愁 虽然苹果能锁死 usb 但是在国外 伟大的极 客们早就悟出谁也无法锁死音频端口的事实 不信 看看这个 iphone 盖革管计数 器 注意连接方式 首先是简单的电路部分 我们要做到单片机对音频信号的读取 就需要一个简单的放大电路 因为电脑音频输出大概只有几十 毫伏 而 arduino 使用的 avr 单片机数字信号对应的高电平则是 5v 幸运的是 因为我们需求的是简单的只有高低电平的数字 信号的放大 模拟电路里所谓的失真之类的问题就可以不必考虑了 这里我们使用 lm358 作为放大器 电路原理图如下 注意这里 lm358 的放大倍数远远超过了本身 5v 的电源电压的能力 这我们不必考虑太多 关键是在 R1 放上一个大电阻让 放大倍数足够使 arduino 识别高低电平就可以了 另外记住 lm358 输出的信号和原来的信号是反向的 高低电平会调置 国 外那个网站 就是做 Audioserial 软件的那个用的是 lm324 是 4 个放大器在一起 原理一致不做解释 所使用的我继续花了 个接线图 注意这个图是为了省空间在元件下面走线了 一般电脑是两个声道 充分利用了 lm358 的两个放大器 而放大器 5v 的电源寄生在 arduino 上也就可以了 输入端和音频插 头连接 接线上 最靠近内侧的是地 输出端自然要连在 arduino 的数字端口上 这不用解释 看看我自己悲催用耳机改的插头吧 建议用铜丝拧成圈固定这个插头 焊锡是不沾的 所以固定不住 不过固定好还是要涂焊锡 只有面接触 才能保证信号质量 否则 杂波很夸张 这是我在面包板上做的 lm358 电路 只用了一个声道 如果这些都做好 并且 没有啥故障的话 那么就可以进入软件方面的设计和调试了 音频信号频率计 为了验证单片机可以顺利的读取高低电平信号并研究这个信号频率上的范围和精度 也为了研究 arduino 时钟的设置 我制作 了一个音频信号频率计 arduino 读取声卡模拟出的占空比为 0 5 的方波 就是均匀交替的高低电平信号 通过计时器 得 到方波每个波谷的长度 因为是 lm358 反置 进而计算出这个方波的频率 首先我们要讨论的是 计时器 为了了解单片机上计时器的原理 我们先从最原始的计时工具 日晷和日历说起 古人通过观察日月星辰的变化规律 了解 到 太阳做周期的往复运动 拉卡拉手机刷卡器音频通讯技术原理初步分析拉卡拉手机刷卡器音频通讯技术原理初步分析 发布时间 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 为什么说更强大呢 因为在手机应用 app 的这一层 拉卡拉可以做很多很多方便的功能 这样借助于类似传统的刷卡服务 提 供一系列现在支付宝也正在大力发展的生活服务等功能 而这个是银联的 POS 所严重 缺乏的 目前来说 移动支付里 最方便的肯定是支付宝的快捷支付 但考虑国内目 前的安全环境 用户把银行卡和密码托管给一个网站来管理 明显不如用的时候输入 一下的方式更能被接受 相对于更安全的支付宝加网银的方式 拉卡拉做到了与发卡 行无关 这样也不需要手机上安装各种不同的银行的网银客户端 所以 显然拉卡拉 在某些应用场景比一些其他的移动支付方式更有优势 下面我们就来看看拉卡拉的技 术原理是怎么回事 2 内部结构内部结构 上面左右是一个常见的拉卡拉设备 挺好看的 如果我们把它拆开来看 就如右图 所示 当然除了这个东西 下面还有个耳机插头 侧面还有一个刷卡的槽 总体来说 这个电路板很简单 2 1 一个电池就占了绝大部分地方 导致整个拉卡拉个头偏大 可供刷卡万次以上 见参考资料 1 2 2 左边的四根引线 对应于耳机插头上的 4 个区域 分别是左声道 Left 右 声道 Right 麦克风 Mic 和接地线 Gnd 其中 L 和 R 是接收手机往外输出 信号的接口 M 是输出信号到手机的接口 需要注意的是并不是所有的顺序都想右图 所示 因为存在两个不一样的标准 国际标准和国家标准 像联想 中兴等大部分国 产手机都是国家标准 跟右侧的图一样的顺序 而 iphone htc 三星 小米等手机 都是国际标准 M 和 Gnd 的顺序是反向的 拉卡拉的某些版本可以自动识别 M 和 G 的正反向 见参考资料 2 2 3 电路板最右面的芯片处理输入信号和转换刷卡数据的 A D 音频 数字 处理模 块 它是整个系统的核心 在手机应用里点击刷卡时 音频信号通过 L 或 R 从手机发 送到电路板 通过 A D 模块转换成数据信号 刷卡时电路板拿到银行卡信息 再通过 A D 模块转换成音频传输给手机 当然手机 APP 应用里在信号出入的时候 也需要做 相应的 A D 编解码工作 这个也是手机 APP 里最重要的工作 3 刷卡支付流程刷卡支付流程 手机与拉卡拉音频通讯示意图 手机与拉卡拉的音频通讯大概结构见上图 大概的流程是 3 1 先在手机上打开拉卡拉的应用 点击刷卡 3 2 手机应用会调用 android api 的 AudioTrack 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 3 3 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 3 4 在刷卡槽刷卡后 卡的信息传递给芯片 3 5 芯片拿到卡的信息 编码成音频信号 同 M 线路发送给手机 3 6 手机 APP 通过 AudioRecord 对音频信号进行采样 拿到数字信号 3 7 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 3 8 如果刷卡失败 则手机 APP 拿到的是一段失败提示信息 3 9 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 其中的技术关键点是 细节本文暂不讨论 a 传输上使用什么样的调制方式 采用什么样的波特率 频率 b 通讯上如何制定合适的协议 包括如何判断信号开始 如何握手建立连接 c 编码上如何编码表示数据 如何校验和纠错 如何滤波和解码数据 4 相关的一些技术问题相关的一些技术问题 4 1 A D 转换的问题转换的问题 耳机线传输一般是 1250HZ 9600HZ 之间的交流音频信号 信号的调制解调有 3 种 方式 调幅 AM 调频 FM 和调相 PM 三种 根据对拉卡拉的输入输出信号 的分析 我们发现拉卡拉使用的是调幅方式调幅方式 频率为 9600HZ 和 4800HZ 的音频信 号 4 2 耳机接口标准的问题耳机接口标准的问题 两种标准见 2 2 中所描述的 4 3 不同不同 android 手机的问题手机的问题 a 我们发现 在个别手机上 接收到的音频波形跟其他手机相比 是反相的 即高电平的波峰变成了低电平的波谷 这个问题可以在解码的时候 根据特定的前导 码来判断 b 手机 Mic 采样到的音频信号电平可能会不一样 例如同一段音频信号 使用 A 手机 AudioRecord 采样出来 波峰的值大概是 32000 另外找一个手机可能是 3200 根据我们的多种不同手机测试 发现可以相差 10 倍 处理方法是 可以额外 的进行一次处理 先归一化 或者是滤波的时候 动态的根据峰值来调整阈值 c 有些手机的 Mic 不认非标准的采样率 比如三星的 I9308 如果使用 9600