音頻通信下的手機外設(shè)方案設(shè)計

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摘要：本文主要針對手機音頻外設(shè)的兼容性方案進行優(yōu)化分析。當前主流的手機外設(shè)主要通過數(shù)據(jù)口（microUSB、Type-C、Lightning）、藍牙、音頻口與手機連接并完成數(shù)據(jù)通信，但是數(shù)據(jù)接口方面安卓及蘋果接口標準不一，藍牙通信功耗較高并且操作流程復雜，而音頻接口標準相對統(tǒng)一并且功耗低，預計未來基于音頻口的手機外設(shè)具有巨大的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：智能手機；音頻通信；低功耗設(shè)計；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

1.1電源電路設(shè)計

基于音頻通信的手機外設(shè)一般要求體積小，重量輕便，外觀可設(shè)計成時尚的鑰匙扣形狀。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，因此對于功耗的控制要求非常高。對于這個問題，我們的方案設(shè)計是在外設(shè)插入到手機音頻口之后，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，當外設(shè)插入手機音頻口后，外設(shè)電路通過電容C149濾除左聲道SPK_L管腳的偏置電壓，再通過二極管D16濾除負半周期波形，最后通過接地電容C150實現(xiàn)電平的穩(wěn)定輸入，從而實現(xiàn)在外設(shè)接入手機音頻口后同時左聲道有穩(wěn)定脈沖信號輸入時V_SW管腳與地導通，觸發(fā)打開外設(shè)電源。當外設(shè)插入手機音頻口后，TX（MIC）管腳對地存在偏置電壓，因此在外設(shè)上電后可通過拉高POWER_ON管腳接管電源維持電路，維持系統(tǒng)上電狀態(tài)，無需通過SPK_L管腳持續(xù)提供脈沖波形來維持上電狀態(tài)，從而提高整體系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖2所示。當外設(shè)從手機音頻口拔出后，TX（MIC）管腳對地無偏置，系統(tǒng)無法通過POWER_ON管腳繼續(xù)維持上電狀態(tài)，同時外設(shè)從音頻口拔出后SPK_L管腳同樣無輸出，V_SW管腳與地不導通，從而實現(xiàn)外設(shè)從手機音頻口拔出后硬件下電關(guān)機。

1.2音頻通信電路設(shè)計

如圖3所示，目前手機與音頻外設(shè)進行數(shù)據(jù)上下行通信主要有兩種方式，一種是通過音頻接口與音頻外設(shè)進行數(shù)據(jù)通信，一種是通過空中音頻傳輸?？罩幸纛l傳輸方式：主流手機的音頻采樣率在44.1kHz，按一個信號周期2個采樣點計算，手機能支持的最高音頻信號頻率在20kHz左右。人耳能聽見的聲音頻率范圍在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較大，目前暫不建議使用該方案。音頻口通信方式：手機與音頻外設(shè)通過4段式的耳機接口進行有線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上下行通信。目前國際通用的耳機接口標準主要有兩個，一個是OMTP標準（國標），一個是CTIA標準（美標），兩個國際標準的區(qū)別主要在于麥克管腳與地管腳的順序不同，外設(shè)硬件可以通過自適應電路方案實現(xiàn)兩個標準的兼容。如圖4所示。無論手機是歐標接口還是美標接口GND與MIC之前存在壓差，利用兩個MOS管實現(xiàn)歐標與美標的兼容。當輸入端M2為GND、M1為MIC時，MOS管1導通，MOS管2截止，M2與地導通，M1與TX導通。當輸入端M2為MIC、M1為GND時，MOS管2導通，MOS管1截止，M1與地導通，M2與TX導通。綜合顯示，音頻通信硬件電路選擇音頻口與手機進行連接，并通過自適應電路實現(xiàn)國際與美標的兼容，成本低同時具有較廣的適應性。

1.3安全加密電路設(shè)計

由于音頻通信數(shù)據(jù)內(nèi)容容易被外部通過有線或者無線監(jiān)聽探測后破解，本方案的重點，在系統(tǒng)內(nèi)部集成ESAM安全加密芯片，并在設(shè)備出廠時對ESAM芯片進行初始化，灌裝一機一密的加密秘鑰，同時外設(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ESAM芯片進行加密處理（AES、DES、RSA算法），再通過音頻信號進行傳輸，從而確保數(shù)據(jù)傳輸安全。

2音頻通信波形設(shè)計

手機音頻通信主要是通過手機發(fā)出的音頻聲波信號來傳輸“0”、“1”數(shù)據(jù)，需要在外設(shè)端對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容進行波形編碼，手機端通過MIC接收到編碼波形后對波形進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、校驗位、停止位組成。考慮部分外設(shè)需要通過音頻口輸出來供電，因此在使用串行UART編碼來作為通信編碼時，需要避免輸出波形出現(xiàn)長時間的低電平。所以默認設(shè)計輸出電平應該設(shè)置為高電平，起始位則為低電平，停止位為高電平。同時由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容是隨機的，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)低電平導致外設(shè)掉電（需要通過音頻輸出來維持電源供電的設(shè)備），同時連續(xù)相同數(shù)據(jù)將出現(xiàn)連續(xù)高電平或者低電平，傳輸過程容易出現(xiàn)脈寬畸變導致數(shù)據(jù)傳輸錯誤，因此需要對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行曼切斯特編碼轉(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電平下一個字節(jié)數(shù)據(jù)“0xC5”，在UART編碼模式下傳輸?shù)牟ㄐ涡盘??？梢钥闯鲞B續(xù)數(shù)據(jù)”0”會出現(xiàn)連續(xù)的低電平信號。圖6是TTL電平下對一字節(jié)數(shù)據(jù)“0xC5”進行曼徹斯特編碼轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)牟ㄐ涡盘枴＝?jīng)過曼徹斯特編碼轉(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”傳輸波形最長只會出現(xiàn)連續(xù)2個周期的低電平，有效的避免了通信波形出現(xiàn)長時間的高低電平的情況。市面上主流的智能手機音頻輸出的打點頻率上限為48000Hz、44100Hz等，串口通信頻率一般為115200Hz、19200Hz、9600Hz。根據(jù)整除關(guān)系及理想的打點個數(shù)，手機端擇優(yōu)選擇48000Hz打點頻率，單周期打點10個點，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波形的相位對數(shù)據(jù)進行編碼，每個碼元周期內(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字節(jié)數(shù)據(jù)“0xC5”的波形信號。對比UART編碼方式，曼徹斯特編碼每個字節(jié)沒有了起始位、校驗位、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，單周期內(nèi)必定存在電平跳變，不會因為被編碼數(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致的數(shù)據(jù)傳輸錯誤，數(shù)據(jù)內(nèi)容無需進行曼徹斯特編碼二次轉(zhuǎn)換，編碼效率更高。同時UART編碼方式在外設(shè)接收端接的是RX、TX管腳，對于波形編碼畸變的容錯性相對有限，曼徹斯特編碼接收端接的是CPU的ADC管腳，解碼效率及容錯性更高。

2.3FSK編碼

FSK編碼是通過波形的脈寬對數(shù)據(jù)進行編碼，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字節(jié)數(shù)據(jù)“0xC5”的波形信號。FSK編碼方式繼承了曼徹斯特編碼的優(yōu)點，不會因為被編碼數(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)長周期的高電平或者低電平。同時對比曼徹斯特編碼波形脈寬變化相對穩(wěn)定，不會因為被編碼數(shù)據(jù)內(nèi)容變化出現(xiàn)脈寬周期的不穩(wěn)定變化，波形信號相對更穩(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)給手機端為上行。通過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)信號比較穩(wěn)定，通信優(yōu)化主要針對上行波形數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。在下行數(shù)據(jù)量較大的情況下還需要對下行數(shù)據(jù)進行拆包處理，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)，手機端接收到波形信號后對波形信號進行濾波解碼并對波形質(zhì)量進行評估，選擇最優(yōu)的上行波形信號并下發(fā)給外設(shè)進行設(shè)置，外設(shè)收到設(shè)置指令后使用最優(yōu)波形信號進行指令回復確認。圖10中綠色信號為手機端左右聲道輸出給外設(shè)的握手信號，黃色信號為外設(shè)通過MIC返回給手機的編碼波形信號。

3.2手機端濾波算法

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

3.3大數(shù)據(jù)拆包協(xié)議

在需要下發(fā)大數(shù)據(jù)的時候，需要對下行數(shù)據(jù)進行拆包處理，從而提高指令成功率。目前設(shè)計是一包數(shù)據(jù)大小為200字節(jié)，當數(shù)據(jù)量超過200字節(jié)時需要對下行數(shù)據(jù)進行拆包處理。手機端下發(fā)數(shù)據(jù)包時標識該包是否為拆包數(shù)據(jù)是否有后續(xù)包存在，在下發(fā)完拆包數(shù)據(jù)后手機端進入等待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)定時間內(nèi)手機端未收到設(shè)備端的ACK響應則進行當前包的重發(fā)處理，直到外設(shè)端返回ACK響應。外設(shè)端在接收到最后一個標識為無后續(xù)包的拆包數(shù)據(jù)時，表明已完整接收當前大數(shù)據(jù)包指令，進入后續(xù)指令處理流程。

4結(jié)論

基于音頻通信的手機外設(shè)方案設(shè)計，對于這個方案的設(shè)計優(yōu)化考慮是基于市場實際客戶檢驗得來的，從目前來看，我們對于外設(shè)電源的功耗控制、音頻口兼容性的電路設(shè)計和音頻通信兼容性方案的優(yōu)化方案已經(jīng)過將近百萬級客戶的檢驗，目前可以滿足客戶對于音頻外設(shè)的通信性能及待機時長需求，并且安全方面設(shè)備也通過了銀行卡檢測中心(BCTC)的安全性測試。

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作者：蔡巍 單位：福建新大陸支付技術(shù)有限公司