CN103685749B - 基于手机耳机口的通信取电设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于手机耳机口的通信取电设备及其通信取电方法。设备包括：取电模块、储能模块、信号处理及控制模块、开关模块、低通及偏置模块以及低通滤波器。方法采用的交替变换右声道通路的方式大大提高了手机耳机口取电功率，使得方法应用范围更加广泛。方法采用的调制解调算法在保证低丢包率的情况下提高了通信速率。本发明设备体积小，在保证低成本的同时，具有较高的易用性、通用性及稳定性。

Description

基于手机耳机口的通信取电设备及方法

技术领域

本发明涉及一种基于手机耳机口的通信取电设备及其通过手机耳机口对外围设备进行供电及通信的方法，在无需外部供电的情况下，实现手机与设备之前的通信。

背景技术

随着技术的发展，智能手机已经成了每个人不可或缺的部分。智能手机功能的越发强大使得用户对其期望做的工作也越来越多，如外部环境的感知、其他设备的通信等。然而由于智能手机自身硬件限制无法满足诸多需要，因此就需要外加设备完善手机功能。但现有手机接口标准各异，无法做到完全统一，这就照成了不同手机之间设备无法通用，增加了产品成本降低了易用性。

依据相关标准规定，手机耳机口均为3.5mm接口，市面上使用的手机均符合该标准。因此将耳机口作为通信接口具有通用性强的优势。

现有基于手机耳机口通信设备已经可以满足基本通信需求，但必须外加电源供电。这就提高了设备成本和体积，同时也降低了易用性。

发明内容

本发明的目的是针对现有耳机口通信设备的不足，提出一种无需外部供电，能通过耳机口与手机进行通信的设备及方法，实现在与手机通信的同时，采集信号中的能量，并通过储能设备来满足短时间大电流设备的需要。

按照本发明提供的技术方案，所述基于手机耳机口的通信取电设备包括：取电模块、储能模块、信号处理及控制模块、开关模块、低通及偏置模块以及低通滤波器，所述取电模块的输入端连接耳机口左声道，取电模块的输出端连接储能模块和信号处理及控制模块，储能模块的输出端连接信号处理及控制模块，开关模块的输入端连接耳机右声道，开关模块的输出端分别连接取电模块、低通及偏置模块，低通及偏置模块的输出端连接信号处理及控制模块，信号处理及控制模块的输出端通过低通滤波器连接耳机话筒端；通过耳机口接出左、右声道及话筒链路；其中左声道链路作为能量传递链路；话筒链路作为数据上传链路；右声道链路在下传数据时作为信号下传链路，而其他时候同时作为能量传递链路与左声道一起为储能模块充电，继而为信号处理及控制模块供电。

上述通信取电设备的通信取电方法为：

步骤1.默认情况，开关模块将右声道信号导入取电模块；首先，耳机口通过左、右声道发出19KHz正弦波信号，到通信取电设备；

步骤2.取电模块将信号中能量转换为直流电压为储能模块充电，当储能模块充满电之后将会通过充电泵为信号处理及控制模块供电；

步骤3.信号处理及控制模块供电后唤醒将会对手机上传唤醒应答，通过自身调制数据为音频信号之后，传递给低通滤波器，再传递给手机；

步骤4.手机端应用程序时刻监测耳机话筒是否收到数据包，当收到时应用程序提示用户设备连接成功能够进行通信；同时，信号处理及控制模块将开关模块的信号通路切换到低通及偏置模块，从而保证手机端下传信号能被信号处理及控制模块接收；

步骤5.至此手机端与通信取电设备之间通信链路成功，每当通信取电设备或手机端发送一次数据，若接收方接收成功即会做出应答，否则数据将进行重传。

当通信取电设备需要持续较大电流时需要上传供电请求，将右声道持续输出为19KHz正弦波信号，并导入取电模块；当有通信需要时再切换回低通及偏置模块。

当通信取电设备所连接的用户外接设备需要持续大电流工作时，在读取用户外接设备数据时开关模块将右声道持续联通到取电模块，为了防止右声道在取电模块时手机端下传数据丢失，信号处理及控制模块在每次上传数据后均会关闭用户外设，将右声道联通到低通及偏置模块等待一定时间检测手机端是否下传数据，手机端每次下传需等待信号处理及控制模块上传数据后进行。

当通信取电设备所连接的用户外接设备需要瞬时大电流工作时，在读取用户外接设备数据时开关模块将右声道持续联通到取电模块，为了防止右声道在取电模块时手机端下传数据丢失，信号处理及控制模块在每次上传数据后均会关闭用户外设，将右声道联通到低通及偏置模块等待一定时间检测手机端是否下传数据，手机端每次下传需等待信号处理及控制模块上传数据后进行；用户外接设备瞬时电流由储能模块供电；右声道在储能模块能量耗尽时负责对用户外接设备和信号处理及控制模块供电以防止数据丢失，等储能模块充满后再将右声道切换回低通及偏置模块。

通信取电设备和手机之间以字节为单位传输信息，采用FSK调制方式，将二进制1调制为17.64KHz，两个周期音频信号；二进制0调制为8.82KHz，一个周期音频信号。

本发明的有益效果：本发明实现了高效利用手机发出的信号，使得设备在无需供电的情况下能持续工作。同时，方法采用的交替变换右声道通路的方式大大提高了手机耳机口取电功率，使得方法应用范围更加广泛。最后，方法采用的调制解调算法在保证低丢包率的情况下提高了通信速率。本发明设备体积小，在保证低成本的同时，具有较高的易用性、通用性及稳定性。

附图说明

图1是本发明的设备结构框图。

图2是持续大电流和瞬时大电流模式的工作流程图。

具体实施步骤

    在以下的详细说明中，描述了本发明特定的应用场景。然而根据方法的原理，本发明也可以应用于其他类似的细节中实施。

本发明所使用的手机必须为智能手机，并拥有标准耳机插孔。连接手机的通信取电设备具有标准耳机插针。

所述通信取电设备结构如附图1所示，包括：取电模块、储能模块、信号处理及控制模块、开关模块、低通及偏置模块以及低通滤波器，所述取电模块的输入端连接耳机口左声道，取电模块的输出端连接储能模块和信号处理及控制模块，储能模块的输出端连接信号处理及控制模块，开关模块的输入端连接耳机右声道，开关模块的输出端分别连接取电模块、低通及偏置模块，低通及偏置模块的输出端连接信号处理及控制模块，信号处理及控制模块的输出端通过低通滤波器连接耳机话筒端；通过耳机口接出左、右声道及话筒链路；其中左声道链路作为能量传递链路；话筒链路作为数据上传链路；右声道链路在下传数据时作为信号下传链路，而其他时候同时作为能量传递链路与左声道一起为储能模块充电，继而为信号处理及控制模块供电。

本发明基于手机耳机口的设备通信及取电方案包括手机端应用程序和外接通信取电设备构成，具体实现过程包括以下步骤：

步骤(1).默认情况，开关模块将右声道信号导入取电模块。首先，手机口通过左右声道发出19KHz正弦波，到通信取电设备。

步骤(2). 正弦波信号根据信号通路导入取电模块，取电模块将信号中能量转换为直流电压为储能模块充电。这个步骤需要一段时间，具体时间根据储能大小决定。当储能模块充满电之后将会通过充电泵为信号处理及控制模块供电。

步骤(3). 信号处理及控制模块供电后唤醒将会对手机上传唤醒应答，通过自身调制数据为音频信号之后，传递给低通滤波器，再传递给手机。

步骤(4). 手机端应用程序时刻监测耳机话筒是否收到数据包，当收到时应用程序提示用户设备连接成功可以进行通信。同时，信号处理及控制模块将开关模块的信号通路切换到低通及偏置模块，从而保证手机端下传信号能被信号处理及控制模块接收。

步骤(5).至此手机端与通信取电设备之前通信链路成功，每当通信取电设备或手机端发送一次数据，若接收方接收成功即会做出应答，否则数据将进行重传已保证通信成功率。

步骤(6).当设备需要持续较大电流时需要上传供电请求，将右声道持续输出为19KHz音频正弦波，并导入取电模块。当有通信需要时再切换回低通及偏置模块。

上述方法的关键技术在于：

1. 对于电流较大的应用场合，本发明可以通过交替右声道信号通路及储能设备供电方式实现供电需求。除了左声道供电右声道通信这种普通工作模式以外，方法引入持续大电流及瞬时大电流两种工作状态。持续大电流模式供电功率为原有功率的两倍，为满足用户外设需要持续较大功率的情况。瞬时大电流模式为满足用户外设需要更大电流，供电时间较短的情况。以上两种模式均需要将右声道的下传数据通路占用为供电通路，具体工作流程如附图2所示。

当用户外接设备需要持续大电流工作时，在读取用户外接设备数据时开关模块将右声道持续联通到取电模块。为了防止右声道在取电模块时手机端下传数据丢失，信号处理及控制模块在每次上传数据后均会关闭用户外设，将右声道联通到低通及偏置模块等待一定时间检测手机端是否下传数据，因此手机端每次下传需等待信号处理及控制模块上传数据后进行。

瞬时大电流模式表示用户外设平均电流较低而瞬时电流较大，其工作流程与持续大电流模式基本相同，与之不同的是用户外接设备瞬时电流由储能模块供电。为了有效利用储能模块能量，本发明采用左声道充电，而右声道则在储能模块能量耗尽时负责对用户外接设备和信号处理及控制模块供电以防止数据丢失，等储能模块充满后再将右声道切换回低通及偏置模块。因此该模式在数据采集完成之后需额外等待储能模块充电时间。

2. 本发明以字节为单位传输，规定通信数据包格式如下表所示。

同步字节

开始位

数据字节

校验位

停止位

在包头加入10位二进制1做同步字节提高包识别成功率，以及一位二进制0作开始位，在包尾加上奇偶校验位降低误码率。

3. 方法采用简单稳定的FSK调制方式。由于手机音频采样率为44100，为了保证每一位采样点数相同，同时为了防止信号畸变调制频率必须相互为整数倍。所以方法将二进制1调制为17.64KHz，两个周期音频信号；二进制0调制为8.82KHz，一个周期音频信号。因此通信波特率可达8.82Kbps。

4. 本发明方法采用的高效稳定的解调方式。由于高波特率会造成高丢包率，同时不同手机硬件设备不同，输入波形也将不尽相同，然而方法采用的解调方法在保证了较高波特率的同时又能满足多款手机的通用性。

信号处理及控制端解调方式采用在模块内置模拟触发器，将正弦信号变成方波方便模块采集，之后模块通过对触发时间差的不同进行解调。

而在手机端，由于不同手机采样到的波形不同，并且耳机口输出信号不可避免的干扰话筒口输入信号，所以依靠简单解调算法将无法满足设备通用性。方法为了避免噪声干扰及信号识别的通用性，实时对输入信号进行采样并做离散傅里叶变换。由于同步字节均为二进制1，所以每个数据包中17.64KHz频率能量应大于0且存在最小值，因此当17.64KHz超过一定阈值时说明收到数据包。之后根据时域上信号幅值大于噪声，所以时域用阈值方法对信号定位，当发现信号所处位置时对信号波形再开始解调。虽然由于硬件原因存在波形畸变形象，但由于数据包周期相同，所以单位数据包所拥有的采样点也应相同。因此本发明方法采用固定采样点数与波形特征结合方法解调。首先根据采样点数判断开始位，之后根据数据位中每一位有5个采样点，二进制1应对应两个波谷，二进制0应对应一个波谷。然而由于波形可能发生畸变，即5个采样点可能出现两个以上或零个波谷，这时应采用基于波形特征方式解调，如当前一位波谷数为零而后一位波谷数为三，则有可能存在畸变后一位波谷实际在前一位中。由于畸变主要由于信号频率高和噪声照成，同时信号采样率和噪声频率均是固定，所以波形畸变实际存在一定规律，基于波形特征方式解调可在少数特征基础上克服大部分的畸变波形。

图1所示的结构中，开关模块采用低成本低功耗的mosFET电路实现两个通路的自由切换；低通及偏置模块为了将音频信号滤波，并加入直流分量变为信号处理及控制模块能够采样的信号；取电模块由信号放大、整流、滤波电路构成，最终输出直流电供给信号处理及控制模块和储能模块；储能模块采用低成本的超级电容做储能，同时利用电压泵做稳压输出固定电压能量输出信号处理及控制模块，并为由于左声道持续对其充电，所以可以满足瞬时大电流需要；信号处理及控制模块由自带模拟触发器的单片机构成，主要负责输入信号解调，输出信号调制，控制开关模块以及对用户外接设备采集数据；低通滤波器主要负责将信号处理及控制模块输出的方波中高次谐波滤除，变成正弦波后输入手机。

除信号处理及控制模块采用单片机实现以外，其他模块均为无源低成本元器件，因此成本较低。

用户外接设备与信号处理及控制模块相连。本发明采用的通信协议非标准协议，为自主定义。用户外接设备可通过标准协议（如UART、SPI、I2C等）进行通信，或者直接AD采样实现。

用户若要获得外接设备数据，首先打开手机端应用程序，等到程序提示设备连接成功后，再根据外设要求不同设定对应的工作模式，继而获取数据。

Claims (6)

1.基于手机耳机口的通信取电设备，其特征是，包括：取电模块、储能模块、信号处理及控制模块、开关模块、低通及偏置模块以及低通滤波器，所述取电模块的输入端连接耳机口左声道，取电模块的输出端连接储能模块和信号处理及控制模块，储能模块的输出端连接信号处理及控制模块，开关模块的输入端连接耳机右声道，开关模块的输出端分别连接取电模块、低通及偏置模块，低通及偏置模块的输出端连接信号处理及控制模块，信号处理及控制模块的输出端通过低通滤波器连接耳机话筒端；通过耳机口接出左、右声道及话筒链路；其中左声道链路作为能量传递链路；话筒链路作为数据上传链路；右声道链路在下传数据时作为信号下传链路，而其他时候同时作为能量传递链路与左声道一起为储能模块充电，继而为信号处理及控制模块供电。

2.基于手机耳机口的设备通信取电方法，其特征是，采用的设备包括：取电模块、储能模块、信号处理及控制模块、开关模块、低通及偏置模块以及低通滤波器，所述取电模块的输入端连接耳机口左声道，取电模块的输出端连接储能模块和信号处理及控制模块，储能模块的输出端连接信号处理及控制模块，开关模块的输入端连接耳机右声道，开关模块的输出端分别连接取电模块、低通及偏置模块，低通及偏置模块的输出端连接信号处理及控制模块，信号处理及控制模块的输出端通过低通滤波器连接耳机话筒端；通过耳机口接出左、右声道及话筒链路；其中左声道链路作为能量传递链路；话筒链路作为数据上传链路；右声道链路在下传数据时作为信号下传链路，而其他时候同时作为能量传递链路与左声道一起为储能模块充电，继而为信号处理及控制模块供电；所述设备的通信取电方法包括以下步骤：

步骤1.默认情况，开关模块将右声道信号导入取电模块；首先，耳机口通过左、右声道发出19KHz正弦波信号，到所述设备；

步骤2.取电模块将信号中能量转换为直流电压为储能模块充电，当储能模块充满电之后将会通过充电泵为信号处理及控制模块供电；

步骤3.信号处理及控制模块供电后唤醒将会对手机上传唤醒应答，通过自身调制数据为音频信号之后，传递给低通滤波器，再通过耳机话筒端传递给手机；

步骤4.手机端应用程序时刻监测耳机话筒是否收到数据包，当收到时应用程序提示用户设备连接成功能够进行通信；同时，信号处理及控制模块将开关模块的信号通路切换到低通及偏置模块，从而保证手机端耳机右声道下传信号能被信号处理及控制模块接收；

步骤5.至此手机端与通信取电设备之间通信链路成功，每当通信取电设备或手机端发送一次数据，若接收方接收成功即会做出应答，否则数据将进行重传。

3.如权利要求2所述基于手机耳机口的设备通信取电方法，其特征是，当通信取电设备需要持续较大电流时需要上传供电请求，将右声道持续输出为19KHz正弦波信号，并导入取电模块；当有通信需要时再切换回低通及偏置模块。

4.如权利要求2所述基于手机耳机口的设备通信取电方法，其特征是，当通信取电设备所连接的用户外接设备需要持续大电流工作时，在读取用户外接设备数据时开关模块将右声道持续联通到取电模块，为了防止右声道在取电模块时手机端下传数据丢失，信号处理及控制模块在每次上传数据后均会关闭用户外设，将右声道联通到低通及偏置模块等待一定时间检测手机端是否下传数据，手机端每次下传需等待信号处理及控制模块上传数据后进行。

5.如权利要求2所述基于手机耳机口的设备通信取电方法，其特征是，当通信取电设备所连接的用户外接设备需要瞬时大电流工作时，在读取用户外接设备数据时开关模块将右声道持续联通到取电模块，为了防止右声道在取电模块时手机端下传数据丢失，信号处理及控制模块在每次上传数据后均会关闭用户外设，将右声道联通到低通及偏置模块等待一定时间检测手机端是否下传数据，手机端每次下传需等待信号处理及控制模块上传数据后进行；用户外接设备瞬时电流由储能模块供电；右声道在储能模块能量耗尽时负责对用户外接设备和信号处理及控制模块供电以防止数据丢失，等储能模块充满后再将右声道切换回低通及偏置模块。

6.如权利要求2所述基于手机耳机口的设备通信取电方法，其特征是，通信取电设备和手机之间以字节为单位传输信息，采用FSK调制方式，将二进制1调制为17.64KHz，两个周期音频信号；二进制0调制为8.82KHz，一个周期音频信号。