CN103412630B - 利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的方法，其特征在于：将音频接口输出的经恒定包络调制技术调制的信号经一交流‑直流整流器及一信息检测器实现为外部接入设备的能量供应及信息交互。可实现从音频接口的两个声道中采集双倍的能量并进行信息传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种从电子设备的音频接口采集或提取能量为外部接入设备供电同时使用该音频接口在电子设备和外部接入设备之间传输模拟或数字信息。
背景技术
电子设备的音频接口是一个开放的接口，可用于采集或提取能量用于外部接入设备供电并用于电子设备和外部接入设备之间传输模拟或数字信息。以3.5mm的音频插接口为例，如图1所示，音频插接口有四个连接点：1为左声道（芯端），2为右声道（环），3为公共端/地（环），以及4为麦克风通道（套筒）。
现有使用电子设备的音频接口来采集或提取能量并进行通信的方法和装置总结如下：
1. 外部接入设备自带电源，没有从音频接口采集或提取能量。外部接入设备仅使用音频接口来进行通信。从外部接入设备到电子设备的信息传输使用麦克风，而从电子设备到外部接入设备的传输使用音频接口声道。典型的应用如美国Progical Solutions有限责任公司的homemade for integration （H4I）。（http://www.progical.com/）
2. 外部接入设备是模拟设备，只需要极少的电能或不需要电能，麦克风的直流偏置电路可以满足其电能需求。从外部接入设备到电子设备的模拟信息传输通过麦克风通道，而从电子设备到外部接入设备的传输则通过音频接口声道。典型的应用如美国Square有限公司（www.squareup.com）的储蓄卡/信用卡读卡器和密歇根大学设计的AudioDAQ。
3. 外部接入设备没有自带电源，并且外部接入设备的电能需求超过麦克风的直流偏置电路所能提供的电量。在此情况下，如图2所示，电能从一个音频接口声道采集或提取。同时，从电子设备到外部接入设备的信息由另一个音频接口声道传输，外设到电子设备的信息由麦克风通道传输。典型的应用如密歇根大学设计的Hijack [2]。
由文献[2]可知，Hijack可以从iPhone3GS的音频接口中获得最大7.4mW的电能，此功率仅能支撑一些经过严格低功耗设计的简单数字系统。在实际应用中，从其他电子设备采集或提取的电量也许会更低。因此，除了从电子设备采集或提取电能以外，外设通常使用一个后备电池来使系统稳定工作。然而，后备电池的使用增加了系统成本、设备的体积以及用户的负担和不便。因此，如果我们可以从音频接口采集或提取更多的电能，不仅可以省去后备电池，还可以通过音频接口支持具有更高功耗的外设。我们的发明着力于从音频接口采集和提取更多的能量，同时保持电子设备和外设之间双向的通信。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的方法，可实现从音频接口两个声道中采集或提取双倍的能量并进行信息传输。
本发明采用以下方案实现：一种利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的方法，其特征在于：将音频接口两个声道输出的经恒定包络调制技术调制的信号经一交流-直流整流器及一信息检测器实现为外部接入设备的能量供应及信息交互。
在本发明一实施例中，所述音频接口两个声道的输出信号为相干信号，即相同或相反的信号。
在本发明一实施例中，所述的交流-直流整流器包括一初级端带有中心抽头的变压器，将所述音频接口的左声道与变压器的第一输入端连接，右声道与变压器的第二输入端连接，所述中心抽头接地；所述变压器输出的高压信号依次通过三极管组成的逆变电路和一个肖特基二极管被整流成直流信号。
在本发明一实施例中，所述音频接口两个声道的输出信号为并行信号，即不同的信号。
在本发明一实施例中，所述交流-直流整流器包括第一变压器和第二变压器，所述音频接口的左声道与第一变压器的初级侧输入端连接；所述音频接口的右声道与第二变压器的初级侧输入端连接；所述第一、二变压器输出的高压信号分别依次通过三极管组成的逆变电路和一个肖特基二极管被整流成直流信号并合并。
在本发明一实施例中，提供一麦克风的直流偏置电路，当所述外部接入设备处于待机模式时，关闭所述能量供应，并将供电切换到所述直流偏置电路供应能量。
本发明的另一目的是提供一种利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的装置。
本发明采用以下方案实现：一种利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的装置，其特征在于：包括音频接口、交流-直流整流器以及信息检测单元；所述的音频接口输出的经恒定包络调制技术调制的信号经所述流-直流整流器及信息检测单元实现为外部接入设备的能量供应及信息交互。
优选的，所述音频接口两个声道的输出信号为相干信号，即相同或相反的信号；所述的交流-直流整流器包括一初级端带有中心抽头的变压器，将所述音频接口的左声道与变压器的第一输入端连接，右声道与变压器的第二输入端连接，所述中心抽头接地；所述变压器输出的高压信号依次通过三极管组成的逆变电路和一个肖特基二极管被整流成直流信号。
优选的，所述音频接口两个声道的输出信号为并行信号，即不同的信号；所述交流-直流整流器包括第一变压器和第二变压器，所述音频接口的左声道与第一变压器的初级侧输入端连接；所述音频接口的右声道与第二变压器的初级侧输入端连接；所述第一、二变压器输出的高压信号分别通过三极管组成的逆变电路和一个肖特基二极管被整流成直流信号。
优选的，该装置还包括一麦克风的直流偏置电路，当所述外部接入设备处于待机模式时，关闭所述能量供应，并将供电切换到所述直流偏置电路供应能量。
本发明方法容易实施，且电路结构简单，能实现从音频接口两个声道中采集或提取双倍的能量并进行信息传输。
附图说明
图1是3.5mm手机音频接口连接点
图2是传统通过音频接口实现能量采集和通信的框图。
图3是本发明电路原理框图。
图4是基于相干信号输入的能量采集器实现框图。
图5是连续输入方式中的反向波形。
图6是基于并行信号输入方式的能量采集器实现框图。
图7、图8是待机模式下，使用麦克风作为替代的能量采集器的电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施例提供一种利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的方法，其特征在于：将音频接口输出的经恒定包络调制技术调制的信号经一交流-直流整流器及一信息检测器实现为外部接入设备的能量供应及信息交互。本发明使用恒定包络调制技术，如模拟调频（FM），数字频移键控（FSK）和数字相移键控（PSK）技术来调制从电子设备传输到外部接入设备的模拟或数字信息。由于调制信号具有恒定包络，因此可以从信号中采集或提取能量。如图3所示，本发明可以从音频接口的两个声道中采集能量并进行信息传输。因此，从电子设备的音频接口采集的能量可以加倍。
请继续参见图3，本实施例还提供一种利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的装置，其特征在于：包括音频接口、交流-直流整流器以及信息检测单元；所述的音频接口的两个声道输出的经恒定包络调制技术调制的信号经所述流-直流整流器及信息检测单元实现为外部接入设备的能量供应及信息交互。
具体的，下面结合相关电路分别对两种类型的能量采集器做简单介绍，用以让一般技术人员更好的理解本发明上述的方法和装置。
上述的两种类型包括：第一种是基于相干信号输入，即相同或相反的信号；而第二种是基于并行信号输入，即不同的信号。如图4所示，在相干信号输入方案中，升压变压器的初级线圈有一个中心抽头。因此，通过将中心抽头连续接到公共端/地，音频接口两个声道的调制信号可以被送入一个升压变压器。变压器输出的高压信号通过三极管（图4中的Q1~Q4）和一个肖特基二极管（图4中的D1）被整流成直流信号（DC），此处也可使用其它类型的交流-直流整流器。整流后的直流信号接着由低通滤波器（图4中的C1，也可使用其他类型的低通滤波器）降低直流信号中的纹波。最后，如果有必要，可以使用一个直流-直流变换器来将滤波后的直流信号转换成具有某种电压输出的直流电压源。
此外，在相干输入方式中，根据变压器初级线圈的绕线方式的不同，音频接口声两个道中的调制信号被设计成具有完全相同的波形或完全相反的波形。图5所示即为波形完全相反的一个示例。因此，在相干输入能量采集器中，音频接口两个声道中的调制信号可以被相干地叠加到一起，从而输出到升压变压器的总电压可以加倍。在此情况下，为了达到相同的输出电压，升压变压器的绕线比例可以降低一半，而绕线比例的降低可以降低升压变压器的体积和成本。
在并行输入方式中，如图6所示，音频接口两个声道中的调制信号被并行地送入两套变压器/整流器电路。两路整流后的直流信号在送入低通滤波器（图6中的C1）之前被合并到一起。与上述对图4的介绍类似，可以采用不同类型的交流-直流整流器以及不同类型的低通滤波器，并且如有需要，可以采用直流-直流变换器。在并行输入方式中，音频接口两个声道中的调制信号可以具有相关的或不同的波形。当音频接口两个声道中的调制信号为相关波形，当两个调制信号具有固定90度相位偏差时具有最高的能量采集效率。当音频接口两个声道中的信号具有不同的波形时，并行输入方式可以传输两路不同的信息流，因此，可以使得从电子设备到外部接入设备的信息传输率增加一倍。
此外，还需说明，当外部接入设备从工作模式转入待机模式时，仅需很小的电量便能保持待机工作状态。在此情况下，使用能量采集器从电路从电子设备采集较多的电量变得没有必要，且会浪费电子设备的电量。当电子设备是由电池供电时，应尽量避免此种浪费电能的情况。为了避免外设在待机模式下设备的电能浪费，图7、图8给出了一种节能机制。图7以相干输入能量采集器为例给出了节能机制，同样的方法可以用在并行输入能量采集器上，如图8所示。当外设处于待机模式时，节能机制关闭能量采集器，并将供电切换到由麦克风的直流偏置电路供应；当外设恢复到工作模式时，节能机制打开能量采集器并将电能供应切换回来。因此，该发明允许外设在使用电池供电的电子设备上长时间的工作。
综上所述，本发明公开的方法和装置具有如下优点：
1. 通过相干输入或并行输入方式从音频接口的两个声道中采集或提取能量，并可用麦克风的直流偏置电路作为待机模式下的替代电源。
2. 使用相同的音频接口声道同时实现从电子设备到外部接入设备的信息传输和能量采集或提取。
3. 采用恒定包络调制方式，如模拟调频（FM），数字频移键控（FSK）和数字相移键控（PSK），调制从电子设备到外设之间传输的模拟或数字信息，并从调制信号中采集或提取电能。
4. 在相干输入方式中，音频接口的两个声道中的调制信号具有完全相同的波形或完全相反的波形以便使得送入相干输入能量采集器中升压变压器的总电压可以加倍。
5. 在并行输入方式中，音频接口的两个声道中的调制信号具有固定90度的相位偏移用以提高能量采集器的效率。
6. 在并行输入方式中，音频接口的两个声道中的调制信号具有不同的波形以便可以传输两路不同的信息流。
7. 当外部接入设备处于待机状态，能量采集器被关闭并使用麦克风的直流偏置电路作为替代电源以便外部接入设备即使连接到采用电池供电的电子设备上也能长期工作。
参考文献
[1] Sonal Verma,
Andrew Robinson, and Prabal Dutta, “AudioDAQ:
Turning the Mobile Phone's Ubiquitous Headset Port into a Universal Data
Acquisition Interface,” Sensys'12: Proceedings of the
10th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems, Nov. 2012.
[2] Ye-Sheng Kuo, Sonal Verma, Thomas
Schmid, and Prabal Dutta, “Hijacking Power and
Bandwidth from the Mobile Phone's Audio Interface,”
First Annual Symposium on Computing for Development (DEV'10), Dec. 2010,
London, United Kingdom。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的方法，其特征在于：将音频接口两个声道输出的经恒定包络调制技术调制的信号经一交流-直流整流器实现为外部接入设备的能量供应的同时经一信息检测器实现与外部设备的信息交互；
所述音频接口两个声道的输出信号为相干信号，即相同或相反的信号，或者所述音频接口两个声道的输出信号为并行信号，即不同的信号；
其中，当所述音频接口两个声道的输出信号为相干信号时，所述的交流-直流整流器包括一初级端带有中心抽头的变压器，将所述音频接口的左声道与变压器的第一输入端连接，右声道与变压器的第二输入端连接，所述中心抽头接地；所述变压器输出的高压信号依次通过三极管组成的逆变电路和一个肖特基二极管被整流成直流信号；
其中，当所述音频接口两个声道的输出信号为并行信号时，所述交流-直流整流器包括第一变压器和第二变压器，所述音频接口的左声道与第一变压器的初级侧输入端连接；所述音频接口的右声道与第二变压器的初级侧输入端连接；所述第一、二变压器输出的高压信号分别依次通过三极管组成的逆变电路和一个肖特基二极管被整流成直流信号并合并。
2.根据权利要求1所述的利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的方法，其特征在于：提供一麦克风的直流偏置电路，当所述外部接入设备处于待机模式时，关闭所述能量供应，并将供电切换到所述直流偏置电路供应能量。
3.一种利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的装置，其特征在于：包括音频接口、交流-直流整流器以及信息检测单元；所述的音频接口输出的经恒定包络调制技术调制的信号经所述流-直流整流器及信息检测单元实现为外部接入设备的能量供应及信息交互；
其中，所述的信号为相干信号，即相同或相反的信号或者所述的信号为并行信号，即不同的信号；
当所述的信号为相干信号时，所述的交流-直流整流器包括一初级端带有中心抽头的变压器，将所述音频接口的左声道与变压器的第一输入端连接，右声道与变压器的第二输入端连接，所述中心抽头接地；所述变压器输出的高压信号依次通过三极管组成的逆变电路和一个肖特基二极管被整流成直流信号；
当所述的信号为并行信号时，所述交流-直流整流器包括第一变压器和第二变压器，所述音频接口的左声道与第一变压器的初级侧输入端连接；所述音频接口的右声道与第二变压器的初级侧输入端连接；所述第一、二变压器输出的高压信号分别依次通过三极管组成的逆变电路和一个肖特基二极管被整流成直流信号并合并。
4.根据权利要求3所述的利用电子设备音频接口实现电能采集和通信的装置，其特征在于：还包括一麦克风的直流偏置电路，当所述外部接入设备处于待机模式时，关闭所述能量供应，并将供电切换到所述直流偏置电路供应能量。
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