音頻通信下的手機(jī)外設(shè)方案設(shè)計(jì)

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摘要：本文主要針對(duì)手機(jī)音頻外設(shè)的兼容性方案進(jìn)行優(yōu)化分析。當(dāng)前主流的手機(jī)外設(shè)主要通過(guò)數(shù)據(jù)口（microUSB、Type-C、Lightning）、藍(lán)牙、音頻口與手機(jī)連接并完成數(shù)據(jù)通信，但是數(shù)據(jù)接口方面安卓及蘋果接口標(biāo)準(zhǔn)不一，藍(lán)牙通信功耗較高并且操作流程復(fù)雜，而音頻接口標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)統(tǒng)一并且功耗低，預(yù)計(jì)未來(lái)基于音頻口的手機(jī)外設(shè)具有巨大的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；音頻通信；低功耗設(shè)計(jì)；UART編碼；曼徹斯特編碼；FSK編碼；數(shù)字濾波算法

1音頻通信外設(shè)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1電源電路設(shè)計(jì)

基于音頻通信的手機(jī)外設(shè)一般要求體積小，重量輕便，外觀可設(shè)計(jì)成時(shí)尚的鑰匙扣形狀。由于外設(shè)體積及重量的限制一般使用鋰電池不使用大電池，因此對(duì)于功耗的控制要求非常高。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我們的方案設(shè)計(jì)是在外設(shè)插入到手機(jī)音頻口之后，并且接收到音頻口輸出的特定脈沖波形以后打開(kāi)外設(shè)電源，在外設(shè)拔出以后關(guān)閉電源，這樣可以大大的降低系統(tǒng)功耗，提高鋰電池的使用壽命。如圖1所示，當(dāng)外設(shè)插入手機(jī)音頻口后，外設(shè)電路通過(guò)電容C149濾除左聲道SPK_L管腳的偏置電壓，再通過(guò)二極管D16濾除負(fù)半周期波形，最后通過(guò)接地電容C150實(shí)現(xiàn)電平的穩(wěn)定輸入，從而實(shí)現(xiàn)在外設(shè)接入手機(jī)音頻口后同時(shí)左聲道有穩(wěn)定脈沖信號(hào)輸入時(shí)V_SW管腳與地導(dǎo)通，觸發(fā)打開(kāi)外設(shè)電源。當(dāng)外設(shè)插入手機(jī)音頻口后，TX（MIC）管腳對(duì)地存在偏置電壓，因此在外設(shè)上電后可通過(guò)拉高POWER_ON管腳接管電源維持電路，維持系統(tǒng)上電狀態(tài)，無(wú)需通過(guò)SPK_L管腳持續(xù)提供脈沖波形來(lái)維持上電狀態(tài)，從而提高整體系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖2所示。當(dāng)外設(shè)從手機(jī)音頻口拔出后，TX（MIC）管腳對(duì)地?zé)o偏置，系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)POWER_ON管腳繼續(xù)維持上電狀態(tài)，同時(shí)外設(shè)從音頻口拔出后SPK_L管腳同樣無(wú)輸出，V_SW管腳與地不導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)外設(shè)從手機(jī)音頻口拔出后硬件下電關(guān)機(jī)。

1.2音頻通信電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，目前手機(jī)與音頻外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)上下行通信主要有兩種方式，一種是通過(guò)音頻接口與音頻外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，一種是通過(guò)空中音頻傳輸?？罩幸纛l傳輸方式：主流手機(jī)的音頻采樣率在44.1kHz，按一個(gè)信號(hào)周期2個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算，手機(jī)能支持的最高音頻信號(hào)頻率在20kHz左右。人耳能聽(tīng)見(jiàn)的聲音頻率范圍在20Hz~20kHz，因此空中音頻靜默通信成為可能，但是由于空中噪聲干擾相對(duì)較大，目前暫不建議使用該方案。音頻口通信方式：手機(jī)與音頻外設(shè)通過(guò)4段式的耳機(jī)接口進(jìn)行有線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上下行通信。目前國(guó)際通用的耳機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)，一個(gè)是OMTP標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)標(biāo)），一個(gè)是CTIA標(biāo)準(zhǔn)（美標(biāo)），兩個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別主要在于麥克管腳與地管腳的順序不同，外設(shè)硬件可以通過(guò)自適應(yīng)電路方案實(shí)現(xiàn)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的兼容。如圖4所示。無(wú)論手機(jī)是歐標(biāo)接口還是美標(biāo)接口GND與MIC之前存在壓差，利用兩個(gè)MOS管實(shí)現(xiàn)歐標(biāo)與美標(biāo)的兼容。當(dāng)輸入端M2為GND、M1為MIC時(shí)，MOS管1導(dǎo)通，MOS管2截止，M2與地導(dǎo)通，M1與TX導(dǎo)通。當(dāng)輸入端M2為MIC、M1為GND時(shí)，MOS管2導(dǎo)通，MOS管1截止，M1與地導(dǎo)通，M2與TX導(dǎo)通。綜合顯示，音頻通信硬件電路選擇音頻口與手機(jī)進(jìn)行連接，并通過(guò)自適應(yīng)電路實(shí)現(xiàn)國(guó)際與美標(biāo)的兼容，成本低同時(shí)具有較廣的適應(yīng)性。

1.3安全加密電路設(shè)計(jì)

由于音頻通信數(shù)據(jù)內(nèi)容容易被外部通過(guò)有線或者無(wú)線監(jiān)聽(tīng)探測(cè)后破解，本方案的重點(diǎn)，在系統(tǒng)內(nèi)部集成ESAM安全加密芯片，并在設(shè)備出廠時(shí)對(duì)ESAM芯片進(jìn)行初始化，灌裝一機(jī)一密的加密秘鑰，同時(shí)外設(shè)上下殼采用超聲處理確保秘鑰安全。傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容在發(fā)送之前需要先通過(guò)ESAM芯片進(jìn)行加密處理（AES、DES、RSA算法），再通過(guò)音頻信號(hào)進(jìn)行傳輸，從而確保數(shù)據(jù)傳輸安全。

2音頻通信波形設(shè)計(jì)

手機(jī)音頻通信主要是通過(guò)手機(jī)發(fā)出的音頻聲波信號(hào)來(lái)傳輸“0”、“1”數(shù)據(jù)，需要在外設(shè)端對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行波形編碼，手機(jī)端通過(guò)MIC接收到編碼波形后對(duì)波形進(jìn)行解碼還原出傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容，常用的波形編碼方式主要有URAT編碼、曼徹斯特編碼、FSK編碼。

2.1UART編碼

串行UART編碼波形由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位組成?？紤]部分外設(shè)需要通過(guò)音頻口輸出來(lái)供電，因此在使用串行UART編碼來(lái)作為通信編碼時(shí)，需要避免輸出波形出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的低電平。所以默認(rèn)設(shè)計(jì)輸出電平應(yīng)該設(shè)置為高電平，起始位則為低電平，停止位為高電平。同時(shí)由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容是隨機(jī)的，如果數(shù)據(jù)位出現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)“0”將出現(xiàn)連續(xù)低電平導(dǎo)致外設(shè)掉電（需要通過(guò)音頻輸出來(lái)維持電源供電的設(shè)備），同時(shí)連續(xù)相同數(shù)據(jù)將出現(xiàn)連續(xù)高電平或者低電平，傳輸過(guò)程容易出現(xiàn)脈寬畸變導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行曼切斯特編碼轉(zhuǎn)換（數(shù)據(jù)“0”轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)“01”，數(shù)據(jù)“1”轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)“10”），這樣可以保證輸出電平不受到傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容影響出現(xiàn)連續(xù)高低電平的情況。圖5是TTL電平下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)“0xC5”，在UART編碼模式下傳輸?shù)牟ㄐ涡盘?hào)?？梢钥闯鲞B續(xù)數(shù)據(jù)”0”會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的低電平信號(hào)。圖6是TTL電平下對(duì)一字節(jié)數(shù)據(jù)“0xC5”進(jìn)行曼徹斯特編碼轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)牟ㄐ涡盘?hào)。經(jīng)過(guò)曼徹斯特編碼轉(zhuǎn)換后的字節(jié)數(shù)據(jù)為“0xA5，0x66”，可以看出即使原始數(shù)據(jù)存在連續(xù)數(shù)據(jù)“0”傳輸波形最長(zhǎng)只會(huì)出現(xiàn)連續(xù)2個(gè)周期的低電平，有效的避免了通信波形出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的高低電平的情況。市面上主流的智能手機(jī)音頻輸出的打點(diǎn)頻率上限為48000Hz、44100Hz等，串口通信頻率一般為115200Hz、19200Hz、9600Hz。根據(jù)整除關(guān)系及理想的打點(diǎn)個(gè)數(shù)，手機(jī)端擇優(yōu)選擇48000Hz打點(diǎn)頻率，單周期打點(diǎn)10個(gè)點(diǎn)，則外設(shè)接收端串口波特率為9600Hz。

2.2曼徹斯特編碼

曼徹斯特編碼是通過(guò)波形的相位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，每個(gè)碼元周期內(nèi)必定有一次電平跳變，波形周期內(nèi)電平從高到低表示數(shù)據(jù)“1”，電平從低到高表示數(shù)據(jù)“0”。圖7是曼徹斯特編碼方式下傳輸一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)“0xC5”的波形信號(hào)。對(duì)比UART編碼方式，曼徹斯特編碼每個(gè)字節(jié)沒(méi)有了起始位、校驗(yàn)位、停止位，編碼效率優(yōu)于串口編碼方式。其次由于編碼方式的優(yōu)勢(shì)，單周期內(nèi)必定存在電平跳變，不會(huì)因?yàn)楸痪幋a數(shù)據(jù)內(nèi)容存在連續(xù)數(shù)據(jù)“0”或者連續(xù)數(shù)據(jù)“1”，而出現(xiàn)長(zhǎng)周期的高電平或者低電平，可以有效降低由于波形脈寬畸變導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)內(nèi)容無(wú)需進(jìn)行曼徹斯特編碼二次轉(zhuǎn)換，編碼效率更高。同時(shí)UART編碼方式在外設(shè)接收端接的是RX、TX管腳，對(duì)于波形編碼畸變的容錯(cuò)性相對(duì)有限，曼徹斯特編碼接收端接的是CPU的ADC管腳，解碼效率及容錯(cuò)性更高。

2.3FSK編碼

FSK編碼是通過(guò)波形的脈寬對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，例如使用單周期3400Hz波形表示數(shù)據(jù)“1”，單周期2400Hz波形表示數(shù)據(jù)“0”。圖8是FSK編碼方式下傳輸一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)“0xC5”的波形信號(hào)。FSK編碼方式繼承了曼徹斯特編碼的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)楸痪幋a數(shù)據(jù)內(nèi)容出現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)“0”或者連續(xù)數(shù)據(jù)“1”，而出現(xiàn)長(zhǎng)周期的高電平或者低電平。同時(shí)對(duì)比曼徹斯特編碼波形脈寬變化相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)楸痪幋a數(shù)據(jù)內(nèi)容變化出現(xiàn)脈寬周期的不穩(wěn)定變化，波形信號(hào)相對(duì)更穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)波形畸變的情況。

3大數(shù)據(jù)通信優(yōu)化方案

手機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)給外設(shè)為下行，外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)給手機(jī)端為上行。通過(guò)上述波形分析在下行數(shù)據(jù)量較小的情況下一般采用FSK數(shù)據(jù)信號(hào)比較穩(wěn)定，通信優(yōu)化主要針對(duì)上行波形數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。在下行數(shù)據(jù)量較大的情況下還需要對(duì)下行數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包處理，提高下行數(shù)據(jù)傳輸成功率。

3.1通信握手協(xié)議

如圖9所示，外設(shè)上電以后，通過(guò)MIC上送曼徹斯特編碼及FSK編碼下不同幅值的上行波形數(shù)據(jù)，手機(jī)端接收到波形信號(hào)后對(duì)波形信號(hào)進(jìn)行濾波解碼并對(duì)波形質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，選擇最優(yōu)的上行波形信號(hào)并下發(fā)給外設(shè)進(jìn)行設(shè)置，外設(shè)收到設(shè)置指令后使用最優(yōu)波形信號(hào)進(jìn)行指令回復(fù)確認(rèn)。圖10中綠色信號(hào)為手機(jī)端左右聲道輸出給外設(shè)的握手信號(hào)，黃色信號(hào)為外設(shè)通過(guò)MIC返回給手機(jī)的編碼波形信號(hào)。

3.2手機(jī)端濾波算法

手機(jī)端在接收到外設(shè)從MIC傳送回來(lái)的曼徹斯特編碼或者FSK編碼波形數(shù)據(jù)的時(shí)候，錄制的音頻波形可能存在數(shù)據(jù)跳變的情況，我們需要通過(guò)手機(jī)端的濾波算法對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波優(yōu)化，之后再根據(jù)編碼規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)容解析及數(shù)據(jù)校驗(yàn)，提高音頻通信的成功率。濾波算法思路，正常連續(xù)點(diǎn)之間應(yīng)該是平滑變化的不應(yīng)該出現(xiàn)波形跳變，如果出現(xiàn)跳變則認(rèn)為是異常跳變需要進(jìn)行平滑處理。連續(xù)的3個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)第一個(gè)點(diǎn)與第三個(gè)點(diǎn)大于0，第二個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)小于0的情況或者第一個(gè)點(diǎn)與第三個(gè)點(diǎn)小于0，第二個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)大于0的情況，則認(rèn)為第二個(gè)點(diǎn)為跳變點(diǎn)，將第二個(gè)點(diǎn)的值賦值成第一與第三個(gè)點(diǎn)的均值處理。連續(xù)的4個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)第一個(gè)點(diǎn)與第四個(gè)點(diǎn)大于0，第二個(gè)點(diǎn)與第三個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)小于0的情況或者第一個(gè)點(diǎn)與第四個(gè)點(diǎn)小于0，第二個(gè)點(diǎn)與第三個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)大于0的情況，則認(rèn)為第二與第三個(gè)點(diǎn)為跳變點(diǎn)，將第二與第三個(gè)點(diǎn)的值賦值成第一與第四個(gè)點(diǎn)的均值處理。

3.3大數(shù)據(jù)拆包協(xié)議

在需要下發(fā)大數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要對(duì)下行數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包處理，從而提高指令成功率。目前設(shè)計(jì)是一包數(shù)據(jù)大小為200字節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過(guò)200字節(jié)時(shí)需要對(duì)下行數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包處理。手機(jī)端下發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)標(biāo)識(shí)該包是否為拆包數(shù)據(jù)是否有后續(xù)包存在，在下發(fā)完拆包數(shù)據(jù)后手機(jī)端進(jìn)入等待ACK狀態(tài)，外設(shè)端收到拆包數(shù)據(jù)后返回ACK包表示已接收到拆包數(shù)據(jù)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)手機(jī)端未收到設(shè)備端的ACK響應(yīng)則進(jìn)行當(dāng)前包的重發(fā)處理，直到外設(shè)端返回ACK響應(yīng)。外設(shè)端在接收到最后一個(gè)標(biāo)識(shí)為無(wú)后續(xù)包的拆包數(shù)據(jù)時(shí)，表明已完整接收當(dāng)前大數(shù)據(jù)包指令，進(jìn)入后續(xù)指令處理流程。

4結(jié)論

基于音頻通信的手機(jī)外設(shè)方案設(shè)計(jì)，對(duì)于這個(gè)方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化考慮是基于市場(chǎng)實(shí)際客戶檢驗(yàn)得來(lái)的，從目前來(lái)看，我們對(duì)于外設(shè)電源的功耗控制、音頻口兼容性的電路設(shè)計(jì)和音頻通信兼容性方案的優(yōu)化方案已經(jīng)過(guò)將近百萬(wàn)級(jí)客戶的檢驗(yàn)，目前可以滿足客戶對(duì)于音頻外設(shè)的通信性能及待機(jī)時(shí)長(zhǎng)需求，并且安全方面設(shè)備也通過(guò)了銀行卡檢測(cè)中心(BCTC)的安全性測(cè)試。

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作者：蔡巍 單位：福建新大陸支付技術(shù)有限公司