CN103685640A - 一种基于音频线与智能终端通信的控制器及其通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于音频线与智能终端通信的控制器，包括MCU及其外围的通信处理单元；通信处理单元一侧与MCU相连，另一侧与音频线接头相连：通信处理单元包括信号调理电路、时钟比较电路、码流比较电路和D触发器。本发明控制器具有极大的通用性，音频接口是所有智能终端都具有的标准接口，基本没有差异性，通过在外设上扩展本发明提供的控制器，可以使外部设备以极为简单、廉价的方式与智能终端互联，而且给外部设备增加的软件负荷极小。本发明还公开了上述控制器与智能终端的通信方法，该方法可实现智能终端与外部设备之间稳定可靠的通信，也使得外部设备可以依赖于智能终端强大的数据处理、数据存储、网络交互能力扩展自身的应用。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于音频线与智能终端通信的控制器及其通信方法。
背景技术
计算机技术的迅猛发展，智能移动终端设备已经普遍使用，随着云计算、云存储等技术的发展，智能移动终端具有这越来越广泛的使用，并且在人们的日常生活中起到越来越重要的地位，例如智能手机、平板等智能移动终端，给人们的生活带来极大便利。
智能移动终端的性能提升非常明显，使得以智能移动终端为基础而开发的应用也越来越多，而以智能移动终端为核心桥接外部设备而组成物联网的形式也越趋成熟，智能移动终端充当的角色不仅是一种通信工具，而且也是信息处理与数据处理中心。智能移动终端设备与外部设备进行数据传递需要数据通信接口，智能移动终端常使用的数据通信接口包括蓝牙、WiFi、USB等。
蓝牙、WiFi等是无线方式，即智能移动终端设备与外部设备之间不需要数据线就可以进行通信，但是需要外设具有蓝牙或WiFi功能，这样就要求外设有专门的蓝牙芯片或WiFi芯片，且通信要遵循蓝牙或WiFi规范，综合影响是成本高、通信复杂。USB方式是有线方式，需要USB数据线进行传输，一般智能移动终端是作为从设备，这就要求外设要作为USB主设备，才可以与智能移动终端通信，这样会导致外设需要使用专用的USB-Host芯片或其MCU具有USB-Host功能，综合影响依然是成本高、通信复杂。
音频接口是智能移动终端设备最基本的接口，99.99%以上的智能手机和平板都有音频接口，且一般都是3.5mm音频接口，非常规范，利用这一接口，可以很方便且以较低成本实现智能移动终端与外设的数据交换。公开号为CN203149650U的中国专利公开了一种采用音频接口进行通信的安全支付认证装置，其中MCU利用音频接口通信部分使用了音频编解码模块，即使用专用的音频编解码芯片，成本高且通信复杂。公开号为CN102646175A的中国专利公开了一种使用音频信号通讯的安全认证设备及认证方法，使用的是移频键控通信方式，即用两个不同的频率分别承载二进制“1”和“0”，但是这种方式对于MCU来说解调比较麻烦，需要识别两个不同的频率，同时，若在传输过程中频率发生变化，会较容易给解码带来误差。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于音频线与智能终端通信的控制器及其通信方法，能够使MCU与智能终端实现双向通信，数据传输稳定便捷，装置结构简单，成本低。
一种基于音频线与智能终端通信的控制器，包括MCU及其外围的通信处理单元；所述的通信处理单元一侧与MCU相连，另一侧与音频线接头相连：通信处理单元包括信号调理电路、时钟比较电路、码流比较电路和D触发器；其中：
所述的信号调理电路一端与音频线接头的MIC（麦克风）引脚相连，另一端与MCU的输出引脚相连，其用于接收MCU对传输数据编码后得到的码流信号并对其进行调理，进而将经调理后的码流信号通过音频线传输至智能终端；
所述的时钟比较电路一端与音频线接头的右声道引脚相连，另一端与D触发器的时钟端和MCU的中断引脚相连，其用于通过音频线接收智能终端提供的时钟信号并对其进行调理，进而使经调理后的时钟信号与预设的参考电平进行比较后输出时钟方波给D触发器和MCU；
所述的码流比较电路一端与音频线接头的左声道引脚相连，另一端与D触发器的输入端相连，其用于通过音频线接收智能终端对传输数据编码后得到的码流信号并对其进行调理，进而使经调理后的码流信号与预设的参考电平进行比较后输出码流方波给D触发器；
所述的D触发器的输出端与MCU的输入引脚相连，其用于根据时钟方波对码流方波进行解码，得到二进制形式的数据并传输给MCU，所述的MCU根据时钟方波读取该数据。
所述的音频线接头的地线引脚与MCU的接地引脚相连。
所述的信号调理电路包括两个电阻R1～R2和两个电容C1～C2；其中，电阻R1的一端与MCU的输出引脚相连，电阻R1的另一端与电容C1的一端和电容C2的一端相连，电容C1的另一端接地，电容C2的另一端与电阻R2的一端和音频线接头的MIC引脚相连，电阻R2的另一端接地。
所述的时钟比较电路包括电阻R3、电容C3和比较器B1；其中，电阻R3的一端与电容C3的一端和音频线接头的右声道引脚相连，电阻R3的另一端接地，电容C3的另一端与比较器B1的第一输入端相连，比较器B1的第二输入端接收所述的参考电平，比较器B1的输出端与D触发器的时钟端和MCU的中断引脚相连。
所述的码流比较电路包括电阻R4、电容C4和比较器B2；其中，电阻R4的一端与电容C4的一端和音频线接头的左声道引脚相连，电阻R4的另一端接地，电容C4的另一端与比较器B2的第一输入端相连，比较器B2的第二输入端接收所述的参考电平，比较器B2的输出端与D触发器的输入端相连。
所述的智能终端可以为智能手机、平板电脑或PC机。
上述控制器与智能终端的通信方法，具体过程如下：
关于MCU向智能终端传输数据：首先，由MCU对待传输的数据进行编码，得到方波形式的码流信号；然后，由通信处理单元对该码流信号进行调理后通过音频线接头的MIC引脚传输至智能终端；智能终端对通信处理单元传输的码流信号进行采集并还原，从而得到二进制形式的数据；
关于智能终端向MCU传输数据：首先，由智能终端对待传输的数据进行编码，得到正弦波形式的码流信号；然后，将该码流信号和时钟信号分别通过音频线接头的左声道和右声道引脚传输至通信处理单元；通信处理单元先对接收到的码流信号和时钟信号进行调理，进而使调理后的码流信号和时钟信号与参考电平进行比较，对应得到码流方波和时钟方波；最后，根据时钟方波利用D触发器对码流方波进行解码得到二进制形式的数据，进而由MCU根据时钟方波读取该数据。
优选地，所述的MCU以及智能终端对待传输的数据进行编码，均采用曼彻斯特编码；该数据编码方式能够解决消除长串的0或1所带来的解码难题。
优选地，所述的智能终端对待传输的数据进行编码得到正弦波形式的码流信号后，使该码流信号中任意相邻两个波峰或波谷对应合并成一个波峰或波谷，进而将合并后的码流信号通过音频线接头的左声道引脚传输至通信处理单元；该方式可以消除由于相邻波峰或波谷经过比较器后产生的尖峰脉冲，尖峰脉冲会造成电路噪声且容易产生误码，对MCU解码有不良影响。
优选地，所述的时钟信号的频率与正弦波形式的码流信号的基频相同，且时钟信号滞后正弦波形式的码流信号Δt秒，0＜Δt＜T/2，T为正弦波形式的码流信号的周期。D触发器是维持阻塞触发器，在时钟上升沿产生状态变化，状态取决于上升沿前D端的信号，时钟信号相对于码流信号Δt的滞后，可以使时钟到来时刻，D端电平已经稳定，Q端正确输出。经过D触发器，码流方波与时钟方波同步，MCU很轻松就可以对码流进行解码。
本发明提出的基于音频线与智能终端通信的控制器及其通信方法具有极大的通用性；音频接口是所有智能终端都具有的标准接口，基本没有差异性，MCU也是外部设备最核心的部分，通过在外设上扩展本发明提供的控制器，可以使外部设备以极为简单、廉价的方式与智能终端互联，而且给外部设备增加的软件负荷极小，只需要在智能终端开发出相应的应用软件，按照本发明所提供的通信方法，即可实现智能终端与外部设备之间稳定、可靠、便捷的通信，即扩展了智能终端与现实世界的物联性，也使得外部设备可以依赖于智能终端强大的数据处理、数据存储、网络交互能力扩展自身的应用。利用本发明可以开发出极为广泛的终端产品，将更多的设备通过音频接口轻松的接入网络、接入云端，具有更加强大的服务价值。
附图说明
图1为本发明控制器的结构示意图。
图2为曼彻斯特编码的示意图。
图3(a)为智能手机输出码流信号的波形示意图。
图3(b)为智能手机输出码流信号经合并后的波形示意图。
图3(c)为智能手机输出时钟信号的波形示意图。
图4为比较器对智能手机输出信号进行比较变换的波形示意图。
图5为D触发器对码流信号整形的波形示意图。
图6为MCU通过D触发器进行曼彻斯特解码的波形示意图。
图7(a)为MCU输出码流信号的波形示意图。
图7(b)为MCU输出码流信号经调理后的波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种基于音频线接头与智能手机通信的控制器，包括MCU及其外围的通信处理单元；通信处理单元包括信号调理电路、时钟比较电路、码流比较电路和D触发器；其中：
信号调理电路一端与音频线接头的麦克风引脚MIC相连，另一端与MCU的输出引脚OUT相连，其用于接收MCU对传输数据编码后得到的码流信号并对其进行调理，进而将经调理后的码流信号通过音频线传输至智能手机。本实施方式中，信号调理电路包括两个电阻R1～R2和两个电容C1～C2；其中，电阻R1的一端与MCU的输出引脚OUT相连，电阻R1的另一端与电容C1的一端和电容C2的一端相连，电容C1的另一端接地，电容C2的另一端与电阻R2的一端和音频线接头的麦克风引脚MIC相连，电阻R2的另一端接地。
时钟比较电路一端与音频线接头的右声道引脚AUDIO_R相连，另一端与D触发器的时钟端和MCU的中断引脚EI相连，其用于通过音频线接收智能手机提供的时钟信号并对其进行调理，进而使经调理后的时钟信号与预设的参考电平进行比较后输出时钟方波给D触发器和MCU。本实施方式中，时钟比较电路包括电阻R3、电容C3和比较器B1；其中，电阻R3的一端与电容C3的一端和音频线接头的右声道引脚AUDIO_R相连，电阻R3的另一端接地，电容C3的另一端与比较器B1的第一输入端相连，比较器B1的第二输入端接收参考电平，比较器B1的输出端与D触发器的时钟端和MCU的中断引脚EI相连。
码流比较电路一端与音频线接头的左声道引脚AUDIO_L相连，另一端与D触发器的输入端相连，其用于通过音频线接收智能手机对传输数据编码后得到的码流信号并对其进行调理，进而使经调理后的码流信号与预设的参考电平进行比较后输出码流方波给D触发器。本实施方式中，码流比较电路包括电阻R4、电容C4和比较器B2；其中，电阻R4的一端与电容C4的一端和音频线接头的左声道引脚AUDIO_L相连，电阻R4的另一端接地，电容C4的另一端与比较器B2的第一输入端相连，比较器B2的第二输入端接收参考电平，比较器B2的输出端与D触发器的输入端相连。
D触发器的输出端与MCU的输入引脚IN相连，其用于根据时钟方波对码流方波进行解码，得到二进制形式的数据并传输给MCU。音频线接头的地线引脚GND与MCU的接地引脚GND相连。
电子线路传输数据一般是以持续一定时间的高低电平来传输的，例如采用正逻辑，高电平为1，低电平为0，这样就可以将一位一位的二进制数据进行传输。进行数据传输时一般要考虑调制方式，即将要传输的数据以一定的编码方式调制到载波信号上，常用的有调幅、调频、调相三种，考虑到本实施方式的应用是智能手机与外设MCU间通信，采用调幅方式会带来长串的0或1所造成的解码难题，采用调频方式比较复杂，不便于外设MCU解调，所以采用调相方式，选取曼彻斯特编码方式进行调制。
曼彻斯特编码是一种数字双相码，是一种调相编码方式，它用一个周期的方波表示逻辑“1”，而用它的反相波表示逻辑“0”，如图2所示，我们采用一个周期内出现一个下跳沿表示逻辑“1”，出现一个上跳沿表示逻辑“0”。这样在外设MCU解调的时候只要识别出每个周期的跳变类型即可解码出数据。
调制编码方式确定了，还需要确定传输速率，一般以波特率表示，即每秒钟通过信道传输的数据，通常以bit/s来表示。考虑到智能手机MIC通道上常用的采样频率为fmic=44.1kHz，若假定对每一位数据采32个样点，则可以确定波特率为fbd=44.1kHz/32=1378.125Hz，即每秒传输1378.125bit数据，每位数据时间长度T=1/fbd=725.6us。
智能手机通过扬声器左右声道输出两路信号，一路为经过曼彻斯特编码后的码流信号，经由左声道输出，编码是由智能手机的APP（应用程序）来完成，输出数据位1用一个周期的正弦波，输出数据位0用一个周期反向的正弦波，周期T=725.6us。另一路不需要经过曼彻斯特编码，是周期相位固定的正弦波，周期T等同于码流信号周期T=725.6us，经由右声道输出，作为解码的时钟信号；如图3所示，本实施方式中手机通过曼彻斯特编码得到正弦波形式的码流信号后需对信号波形进行合并，即使信号中任意相邻两个波峰或波谷对应合并成一个波峰或波谷。
智能手机输出的码流信号经过调理电路调理，可使用一低通滤波器，因为信号频率为1378.125Hz，所以低通滤波器截止频率可选取300Hz左右，依次可选取组成低通滤波器的器件参数，此部分用来改善手机扬声器输出的码流信号，也可以不用添加，因为后续的比较器、D触发器对波形都有较大的改善作用。
外设MCU比较容易识别数字信号，而智能手机设备输出的是正弦波形式的模拟信号，因而有必要将正弦波变成方波，选用比较器即可实现。比较器之前需要加一隔直电容消除扬声器可能的直流分量的影响，比较器参考电平选取为待比较信号的中间位置电平，输出为与输入信号同周期同相位的方波信号。智能手机扬声器左右声道输出的码流信号和时钟信号都需要经过比较器进行波形变换；如图4所示。
变成方波形式的码流信号与时钟信号都输送给D触发器，利用D触发器特性对码流信号进行波形整形，一个主要目的是获得与时钟信号同步的码流信号。为使D触发器输出端Q上输出正确的信号，需要输入端时钟信号与数据输入端D端信号不同步。用于通信的时钟信号与码流信号来源于智能手机扬声器两个不同的声道，两个声道输出的内容不同，分别控制，可以实现它们的不同步；信号在电路上有传输延迟，可能会增大或减小两路信号间的不同步性，综合影响是时钟信号与码流信号不同步是不可避免的，若不利用D触发器，直接对它解码，会增加MCU解码难度，容易出现解码失误，所以，采用D触发器对波形整形来实现时钟信号和码流信号的同步是很有必要的，即左右声道信号的同步，如图5所示。在时钟脉冲上升沿到来的时刻，输出Q端的状态发生改变，跟随并维持输入D端在时钟脉冲上升沿到来之前的状态。经过D触发器整形，时钟信号与码流信号同步。经过同步的时钟信号与码流信号分别输送到MCU的外部中断引脚和普通IO引脚上，会使得MCU对码流的解码变得异常简单。
经过D触发器整形后的码流信号与时钟信号同步，码流信号在接入到D触发器（即进入D端）之前是经过曼彻斯特编码之后的码流，经过D触发器整形后（即从Q端输出）则恢复到曼彻斯特编码之前的码流，可以直接读取以完成曼彻斯特解码。时钟信号接到MCU的外部中断引脚，码流信号接到MCU普通IO引脚。MCU外部中断方式为下降沿触发方式，在每个中断时刻（为每个时钟的中间时刻），读取该IO引脚上的电平值，即为智能手机传输过来的数据信息。图6为智能手机输出到MCU的数据处理过程。
MCU输出信号经过调理模块后到智能手机麦克风通道，采用的也是曼彻斯特编码通信。MCU利用自身的定时器，将要输出的数据调制成曼彻斯特码流，然后从普通IO引脚输出，经过调理模块后，波形变成具有正负半波的交流信号，如图7所示；然后将信号输送到智能手机麦克风通道上，该交流信号叠加到智能手机麦克风上的直流电平上，智能手机对麦克风上的信号进行采样然后解码，获取MCU传递过来的数据信息。
当智能手机发出码流信号之后便开启MIC通道，以44.1kHz的采样频率对MIC通道上的信号进行采样。由于约定波特率为1378.125bit/s，则对每一位数据按照理论情况可采集到32个样点，由于采用的曼彻斯特编码，所以其中16个是高电平（即采样点1），另16个是低电平（即采样点0），若先出现16个采样点1后出现16个采样点0，则表示采集的该位数据中间是负跳变，则表示数据1；若先出现16个采样点0后出现16个采样点1，则表示采集的该位数据中间是正跳变，则表示数据0.由此可以实现每位数据的解析。由于传输过程中某些原因造成传输来的方波占空比偏离50%，或数据位所占长度发生变化，造成一位数据采样后有18个采样点1而只有14个采样点0，或者一位数据采样后总采样点数大于或小于32，在此过程中，适当放宽采集样点个数的阈值，可消除这些误差，提高解码的准确度。
首先，要求通信方式为半双工通信。手机音频接口通常有两种标准（OMTP和CTIA）。这两种接口的唯一区别在于信号地和麦克风通道是相反的，但不论扬声器还是麦克风，传递的都是交流信号，所以，原理上这两种接口标准对通信是没有影响的。但是，由于手机扬声器输出的信号要进过比较器比较成方波，整个信号传输需要一个固定的参考电平，所以，对通信的首要要求是半双工方式，即任何时刻，当在进行手机经扬声器输出到MCU传递数据的时候，不能进行MCU输出经手机麦克风通道传递数据，以此保证参考电平的稳定性，保证手机经扬声器输出信号传递的正确性。当进行MCU输出经手机麦克风通道传递数据的时候，虽然对手机经扬声器输出到MCU没有限制，但是可能会给该方向通信造成不良影响，所以也不建议同时进行该方向的通信。
其次，要求智能手机与外设MCU解码机制中都加入识别两种音频接口标准机制，这样可以同时适应两种音频接口标准。四节音频接头与CTIA标准接口相接，则接头由头到根部依次接的是左声道、右声道、信号地、麦克风，暂称为“正接”，为本发明设计的控制器采取的方式；四节音频接头与CTIA标准接口相接，则接头由头到根部依次接的是左声道、右声道、麦克风、信号地，暂称为“反接”。正接情形时，通信装置与外设MCU参考地就是智能手机内部信号地，波形、通信均正常。反接情形时，与正接的区别在于信号地和麦克风通道是相反的，但麦克风通道和地通道之间接的是一个电阻，通信装置与外设MCU参考地是智能手机的麦克风通道，麦克风通道上固定的直流电平可能会使信号反相，即逻辑“0”与逻辑“1”互换，造成的后果是收到数据包的每一位都取反。这时，只需要智能手机与外设MCU在解码的时候同时按正接方式和反接方式来解码，哪个能成功则用哪个。即握手时实现识别是正接方式还是反接方式，采取措施举例如下：若定义数据包包头为0x7E，若解码识别出包头为0x7E，则按正接方式解码，若识别出包头为0x81（0x7E按位取反），则按反接方式解码，将解码后的数据每一位取反，即可。此种方式不需要额外的识别正接与反接方式的装置，只要在握手阶段识别出接入方式，即可成功通信。
Claims (8)
1.一种基于音频线与智能终端通信的控制器，其特征在于：包括MCU及其外围的通信处理单元；所述的通信处理单元一侧与MCU相连，另一侧与音频线接头相连：通信处理单元包括信号调理电路、时钟比较电路、码流比较电路和D触发器；其中：
所述的信号调理电路一端与音频线接头的MIC引脚相连，另一端与MCU的输出引脚相连，其用于接收MCU对传输数据编码后得到的码流信号并对其进行调理，进而将经调理后的码流信号通过音频线传输至智能终端；
所述的时钟比较电路一端与音频线接头的右声道引脚相连，另一端与D触发器的时钟端和MCU的中断引脚相连，其用于通过音频线接收智能终端提供的时钟信号并对其进行调理，进而使经调理后的时钟信号与预设的参考电平进行比较后输出时钟方波给D触发器和MCU；
所述的码流比较电路一端与音频线接头的左声道引脚相连，另一端与D触发器的输入端相连，其用于通过音频线接收智能终端对传输数据编码后得到的码流信号并对其进行调理，进而使经调理后的码流信号与预设的参考电平进行比较后输出码流方波给D触发器；
所述的D触发器的输出端与MCU的输入引脚相连，其用于根据时钟方波对码流方波进行解码，得到二进制形式的数据并传输给MCU，所述的MCU根据时钟方波读取该数据。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于：所述的信号调理电路包括两个电阻R1～R2和两个电容C1～C2；其中，电阻R1的一端与MCU的输出引脚相连，电阻R1的另一端与电容C1的一端和电容C2的一端相连，电容C1的另一端接地，电容C2的另一端与电阻R2的一端和音频线接头的MIC引脚相连，电阻R2的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于：所述的时钟比较电路包括电阻R3、电容C3和比较器B1；其中，电阻R3的一端与电容C3的一端和音频线接头的右声道引脚相连，电阻R3的另一端接地，电容C3的另一端与比较器B1的第一输入端相连，比较器B1的第二输入端接收所述的参考电平，比较器B1的输出端与D触发器的时钟端和MCU的中断引脚相连。
4.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于：所述的码流比较电路包括电阻R4、电容C4和比较器B2；其中，电阻R4的一端与电容C4的一端和音频线接头的左声道引脚相连，电阻R4的另一端接地，电容C4的另一端与比较器B2的第一输入端相连，比较器B2的第二输入端接收所述的参考电平，比较器B2的输出端与D触发器的输入端相连。
5.一种如权利要求1～4任一权利要求所述的控制器与智能终端的通信方法，具体过程如下：
关于MCU向智能终端传输数据：首先，由MCU对待传输的数据进行编码，得到方波形式的码流信号；然后，由通信处理单元对该码流信号进行调理后通过音频线接头的MIC引脚传输至智能终端；智能终端对通信处理单元传输的码流信号进行采集并还原，从而得到二进制形式的数据；
关于智能终端向MCU传输数据：首先，由智能终端对待传输的数据进行编码，得到正弦波形式的码流信号；然后，将该码流信号和时钟信号分别通过音频线接头的左声道和右声道引脚传输至通信处理单元；通信处理单元先对接收到的码流信号和时钟信号进行调理，进而使调理后的码流信号和时钟信号与参考电平进行比较，对应得到码流方波和时钟方波；最后，根据时钟方波利用D触发器对码流方波进行解码得到二进制形式的数据，进而由MCU根据时钟方波读取该数据。
6.根据权利要求5所述的通信方法，其特征在于：所述的MCU以及智能终端对待传输的数据进行编码均采用曼彻斯特编码。
7.根据权利要求5所述的通信方法，其特征在于：所述的智能终端对待传输的数据进行编码得到正弦波形式的码流信号后，使该码流信号中任意相邻两个波峰或波谷对应合并成一个波峰或波谷，进而将合并后的码流信号通过音频线接头的左声道引脚传输至通信处理单元。
8.根据权利要求5所述的通信方法，其特征在于：所述的时钟信号的频率与正弦波形式的码流信号的基频相同，且时钟信号滞后正弦波形式的码流信号Δt秒，0＜Δt＜T/2，T为正弦波形式的码流信号的周期。
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