手機與設備音頻接口通信原理講解2

關于手機音頻通信原理關于手機音頻通信原理 如何從手機音頻口獲得電能如何從手機音頻口獲得電能 發(fā)布時間 2013 5 16 如何從手機音頻口獲得電能 時下手機音頻 耳塞 口的外設配件已不是什么新鮮事了 目前應用最廣的就是支付領域了 似乎 Square 公司在 2011 年就展開了移動支 付業(yè)務 推出的刷卡支付方式受到的廣泛的使用和好評 在短短的一年時間做出了 驚人的成績 現(xiàn)在國內也有很多廠商模仿退出類似產品和服務 Square 的產品 國內的類似產品 從圖上可以看出 這些個玩意兒只是利用了手機的耳塞插口 所以電源 通信都在一個耳塞插口 這個項目 Hijack http web eecs umich edu prabal projects hijack 是另外一 個更好的應用耳塞插口的例子 Hijack HiJack 是一個硬件和軟件平臺 用來在小型 低耗電周邊設備和 iOS 設 備之間建立通信 該系統(tǒng)采用 22kHz 音頻信號 將其轉換為 7 4mW 電能 轉 化效率 47 可以帶動一個 TI MSP430 微控制器和其它電子元件 允許 HiJack 和 iOS 應用進行通信 所有的資料都能在上面給的鏈接找到 有興 趣的可以自己動手做一個 本文就單獨對如何從手機音頻口獲得電能做一個介紹 下面是我的實驗過程 1 手機的耳塞插孔簡介 手機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 這個對所有耳機插孔都是兼容的 極個別廠商也許會有 例外 至少我沒見過 因為普通的 3 根線的耳塞在那款設備上都可以用 普 通耳塞的 3 4 兩根線其實只有一根的 也就是上圖中的 3 4 中間是沒有隔 開的 就是一跟底線 GND 而手機的耳塞插孔 3 4 有一根是 GND 還有一根 則是麥克風 MIC 輸入 這兩根線好多廠商都不一樣 比如 iphone 就是 3 對 應 GND 4 是 MIC 而我手頭的索愛 E15i 和諾基亞 E63 則是 3 對應 MIC 4 對應 GND 華為 C8812 則跟 iphone 一樣 2 電路 這是電路和對應的元器件型號表 價目都列出來了 J1 接耳塞一路輸出 另外一路還可以留作他用 之后是一個升壓變壓 器 T1 因為輸出的音頻電壓很低 甚至不能觸發(fā)后面的 FET 導通 所以需 要先升壓 升壓完了之后經過 FET 組成的橋整流電路 再經 D1 調整以后就 得到直流輸出 實際做電路的時候發(fā)現(xiàn) T1 很難買 價格比起這個指導價巨 貴 這個指導價是一萬片的價格 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 實驗 音頻輸出找了個 Android simple frequency generator 的軟件 它可 以調整輸出頻率和波形 結果發(fā)現(xiàn)輸出 16448HZ 的方波的時候輸出電壓最大 其實是可以通過最佳匹配輸入阻抗來計算這個頻率值的 但是不清楚廠商的 技術指標 所以直接試也是不錯的辦法 而且很方便 華為手機能得到 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 charge pump 來調整到 3 3V 只要最后功率能達 到驅動應用電路就可以了 利用音頻線與利用音頻線與 arduinoarduino 進行通信進行通信 音頻信號頻率計音頻信號頻率計 發(fā)布時間 2013 5 16 前言部分 在多媒體電子設備中 音頻設備是不可缺少的 音頻就是指我們人耳正常能聽 到的機械振動所對應的頻率范圍 一般在 20Hz 到 20kHz 之間 一般來說 機械振 動發(fā)聲 比如人的喉嚨內的空氣振動 通過介質傳遞到聲音采集器中 然后使采集 器產生相應的模擬信號 這些信號通過音頻接口接入一個高質量的數(shù)模轉換器 就 電腦而言是是聲卡 轉成計算機或其它多媒體設備可以處理數(shù)字信號 而如果這 些設備想復原聲音 只需要將信號再次返回給數(shù)模轉換器 重新轉換成模擬信號 驅動音響等設備產生相應的機械振動 傳到耳朵里就是聲音了 說了這么多 聽起來很枯燥 不過我們換個思路去思考 在這個音頻的傳遞過 程中 我們若把那些機械振動的采集和產生設備換成其他的我們想要的信號產生和 接受裝置 那么原則上我們是可以實現(xiàn)這些裝置與電子設備的通信的 例如 電腦 上的聲卡可以幫助我們實現(xiàn)外部設備的拓展 我們將兩個電子設備通過這一系列裝 置去連接 進而通信 這也是可能的 最簡單的例子便是兩個手機上 會說話的 tom 貓 對著喊話 如果我們按照原 理說 這兩部手機不僅實現(xiàn)了通信 還是無線通信 不過 這的確是個很糟糕的例 子 做過這個實驗的人就發(fā)現(xiàn) 每次成功的概率不是很高 語音反復重復的過程很 中可能因為周圍的響聲被混入而徹底和以前不一樣 因為這里面的無線傳輸?shù)膶嶋H 是通過機械振動傳輸實現(xiàn)的 也就是聲音 聲音有強弱的差異 也就是所謂的在模 擬信號中電壓的大小 聲卡或者其他音頻處理設備要負責將他們轉化和還原 并不 是一件簡單的事情 做個類比 這樣傳遞過程就好像一隊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制的 不過我們如果換 個方式 使用紙條的話 只要語義清晰 中間有人傳下去 到最后隊尾收到的肯定 是隊頭想要表達的內容 而在電子設備的通信中 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 那也許有人問 那聲卡采集和產生的 不是模擬信號嗎 的確如此 不過模擬信號也可以看做數(shù)字信號 數(shù)字信號本身也 可以看成一種簡化了的模擬信號 本來連續(xù)的電壓值被離散的限定在 0 和 1 兩個數(shù) 字里 正是因為我們忽略了 語氣 之類的我們無法把握的信息 紙條 才方便傳遞 數(shù)字信號就是這個道理 不過 模擬信號才是音頻設備的重頭戲 不信看看森海塞爾耳機和高保真 功放的價格 我們選擇數(shù)字信號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在音頻設備間使用數(shù)字信號的想法是可行的 呢 電話 電話在撥號時發(fā)出不同音高的聲音不是偶然的 每個數(shù)字對應一個頻率 這些固定頻率的聲音被轉化成電流再通過電話線傳遞給控制端 控制端再根據頻率 的順序得到數(shù)字的順序 也就是電話號碼 再按照既定的程序接通對應用戶的電話 這樣我們就用按鍵完成了一段指令的輸入 又經過一系列的信號的傳遞和轉換 完 成了對遠程終端的控制 而如果我們把這種做法更復雜化點 就是所謂撥號上網 不過 這個信號的傳遞所使用的頻率 遠遠超過了音頻的所謂 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名字 叫調制解調器 而原來聲卡中最重要的數(shù)模轉換器也被盡量的簡化掉了 因為我們只需要 0 或 1 或者多幾個數(shù)字而已 現(xiàn)在回頭討論下 為什么要利用電話上網 原因很簡單 電話是最普及的音頻設備 甚至說是最普及和最簡單的遠程通信裝置 即使在網絡時代也是這樣 電話線的覆 蓋范圍基本是 100 而移動通信的信號那就不必說了 這樣在電話線上載入網絡 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 mp3 電腦 這 些最常見的電子設備 都有一個共同音頻端口 我們甚至沒有必要為這個端口做特 別的修改 就能做很多事情 比如手機與單片機通信 有人說 ADK 就好了 不 過 ADK 需要新的成本 以及復雜的配置 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 一個簡單的放大器電路 一個寫好的通信協(xié)議 也能完成類似的事情 事實上 網絡上已經流傳了 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 不信 看看這個 iphone 蓋革管計數(shù) 器 注意連接方式 首先是簡單的電路部分 我們要做到單片機對音頻信號的讀取 就需要一個簡單的放大電路 因為電腦音頻輸出大概只有幾十 毫伏 而 arduino 使用的 avr 單片機數(shù)字信號對應的高電平則是 5v 幸運的是 因為我們需求的是簡單的只有高低電平的數(shù)字 信號的放大 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)遠遠超過了本身 5v 的電源電壓的能力 這我們不必考慮太多 關鍵是在 R1 放上一個大電阻讓 放大倍數(shù)足夠使 arduino 識別高低電平就可以了 另外記住 lm358 輸出的信號和原來的信號是反向的 高低電平會調置 國 外那個網站 就是做 Audioserial 軟件的那個用的是 lm324 是 4 個放大器在一起 原理一致不做解釋 所使用的我繼續(xù)花了 個接線圖 注意這個圖是為了省空間在元件下面走線了 一般電腦是兩個聲道 充分利用了 lm358 的兩個放大器 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 最靠近內側的是地 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改的插頭吧 建議用銅絲擰成圈固定這個插頭 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 才能保證信號質量 否則 雜波很夸張 這是我在面包板上做的 lm358 電路 只用了一個聲道 如果這些都做好 并且 沒有啥故障的話 那么就可以進入軟件方面的設計和調試了 音頻信號頻率計 為了驗證單片機可以順利的讀取高低電平信號并研究這個信號頻率上的范圍和精度 也為了研究 arduino 時鐘的設置 我制作 了一個音頻信號頻率計 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 通過計時器 得 到方波每個波谷的長度 因為是 lm358 反置 進而計算出這個方波的頻率 首先我們要討論的是 計時器 為了了解單片機上計時器的原理 我們先從最原始的計時工具 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 太陽做周期的往復運動 拉卡拉手機刷卡器音頻通訊技術原理初步分析拉卡拉手機刷卡器音頻通訊技術原理初步分析 發(fā)布時間 2013 5 16 1 拉卡拉刷卡器拉卡拉刷卡器 大家都知道 拉卡拉就是一個手機刷卡器 拉卡卡 智能手機 拉卡拉軟件 網絡 構成了一個完整的 更強大的 POS 系統(tǒng) 為什么說更強大呢 因為在手機應用 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 提 供一系列現(xiàn)在支付寶也正在大力發(fā)展的生活服務等功能 而這個是銀聯(lián)的 POS 所嚴重 缺乏的 目前來說 移動支付里 最方便的肯定是支付寶的快捷支付 但考慮國內目 前的安全環(huán)境 用戶把銀行卡和密碼托管給一個網站來管理 明顯不如用的時候輸入 一下的方式更能被接受 相對于更安全的支付寶加網銀的方式 拉卡拉做到了與發(fā)卡 行無關 這樣也不需要手機上安裝各種不同的銀行的網銀客戶端 所以 顯然拉卡拉 在某些應用場景比一些其他的移動支付方式更有優(yōu)勢 下面我們就來看看拉卡拉的技 術原理是怎么回事 2 內部結構內部結構 上面左右是一個常見的拉卡拉設備 挺好看的 如果我們把它拆開來看 就如右圖 所示 當然除了這個東西 下面還有個耳機插頭 側面還有一個刷卡的槽 總體來說 這個電路板很簡單 2 1 一個電池就占了絕大部分地方 導致整個拉卡拉個頭偏大 可供刷卡萬次以上 見參考資料 1 2 2 左邊的四根引線 對應于耳機插頭上的 4 個區(qū)域 分別是左聲道 Left 右 聲道 Right 麥克風 Mic 和接地線 Gnd 其中 L 和 R 是接收手機往外輸出 信號的接口 M 是輸出信號到手機的接口 需要注意的是并不是所有的順序都想右圖 所示 因為存在兩個不一樣的標準 國際標準和國家標準 像聯(lián)想 中興等大部分國 產手機都是國家標準 跟右側的圖一樣的順序 而 iphone htc 三星 小米等手機 都是國際標準 M 和 Gnd 的順序是反向的 拉卡拉的某些版本可以自動識別 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和轉換刷卡數(shù)據的 A D 音頻 數(shù)字 處理模 塊 它是整個系統(tǒng)的核心 在手機應用里點擊刷卡時 音頻信號通過 L 或 R 從手機發(fā) 送到電路板 通過 A D 模塊轉換成數(shù)據信號 刷卡時電路板拿到銀行卡信息 再通過 A D 模塊轉換成音頻傳輸給手機 當然手機 APP 應用里在信號出入的時候 也需要做 相應的 A D 編解碼工作 這個也是手機 APP 里最重要的工作 3 刷卡支付流程刷卡支付流程 手機與拉卡拉音頻通訊示意圖 手機與拉卡拉的音頻通訊大概結構見上圖 大概的流程是 3 1 先在手機上打開拉卡拉的應用 點擊刷卡 3 2 手機應用會調用 android api 的 AudioTrack 通過 L 和 R 線路給拉卡拉手機 刷卡設備發(fā)送一段通知信號 L 和 R 表達的信息是一樣的 只是波形是反相的 L 的 高電平對應于 R 的低電平 還沒搞清楚拉卡拉為什么這么設計 3 3 芯片上的通訊模塊拿到音頻信號 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 同 M 線路發(fā)送給手機 3 6 手機 APP 通過 AudioRecord 對音頻信號進行采樣 拿到數(shù)字信號 3 7 手機 APP 程序通過對數(shù)據信號進行解碼 拿到實際的數(shù)據信息 即卡的信息 3 8 如果刷卡失敗 則手機 APP 拿到的是一段失敗提示信息 3 9 至此手機與刷卡器的通訊完成 手機 APP 再使用此卡的信息與拉卡拉的服務器 端后臺通訊 處理后續(xù)支付操作 其中的技術關鍵點是 細節(jié)本文暫不討論 a 傳輸上使用什么樣的調制方式 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 包括如何判斷信號開始 如何握手建立連接 c 編碼上如何編碼表示數(shù)據 如何校驗和糾錯 如何濾波和解碼數(shù)據 4 相關的一些技術問題相關的一些技術問題 4 1 A D 轉換的問題轉換的問題 耳機線傳輸一般是 1250HZ 9600HZ 之間的交流音頻信號 信號的調制解調有 3 種 方式 調幅 AM 調頻 FM 和調相 PM 三種 根據對拉卡拉的輸入輸出信號 的分析 我們發(fā)現(xiàn)拉卡拉使用的是調幅方式調幅方式 頻率為 9600HZ 和 4800HZ 的音頻信 號 4 2 耳機接口標準的問題耳機接口標準的問題 兩種標準見 2 2 中所描述的 4 3 不同不同 android 手機的問題手機的問題 a 我們發(fā)現(xiàn) 在個別手機上 接收到的音頻波形跟其他手機相比 是反相的 即高電平的波峰變成了低電平的波谷 這個問題可以在解碼的時候 根據特定的前導 碼來判斷 b 手機 Mic 采樣到的音頻信號電平可能會不一樣 例如同一段音頻信號 使用 A 手機 AudioRecord 采樣出來 波峰的值大概是 32000 另外找一個手機可能是 3200 根據我們的多種不同手機測試 發(fā)現(xiàn)可以相差 10 倍 處理方法是 可以額外 的進行一次處理 先歸一化 或者是濾波的時候 動態(tài)的根據峰值來調整閾值 c 有些手機的 Mic 不認非標準的采樣率 比如三星的 I9308 如果使用 9600