CN103926867A - 一种基于音频信号的信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于音频信号的信息传输方法，其特征在于，步骤为：第一步、将单片机的通用I/O接口的输入端通过音频信号处理网络与音频设备的音频信号输出端相连，将单片机的通用I/O接口的输出端通过音频信号处理网络与音频设备的音频信号输入端相连；第二步、音频设备向单片机传输数据；单片机向音频设备传输数据。本发明提供了一种基于音频信道进行信息传输的方法，使用最简单的通用IO对音频信号进行处理，可直接与单片机进行对接，是一种易实现、低成本、通用性好的音频信息传输方法。

Description

一种基于音频信号的信息传输方法

技术领域

本发明涉及一种基于音频信号传输和信息编码的方法，适用于各种需要通过音频通道进行信息传输的应用，属于音频信号处理和传输的技术领域。

背景技术

音频信号是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息载体。规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。声波或正弦波有三个重要参数：频率、幅度和相位，这也就决定了音频信号的特征。随着数字化的快速发展，设备间的通信成为日常应用必不可少的一种需求，特别是移动设备和可穿戴设备间需要一种便捷通用的信息传递方式，传统的USB、蓝牙、无线网络等都需要比较复杂的连接，成本也比较高，再加上并不是所有设备都具备以上这些通信接口。相比而言，音频信号已经存在于人们日常的各种应用中，比如电脑、手机、播放器等等，由于它的普遍性和通用性，利用它可以很方便地在不同电子设备间建立起通信。以最常见的耳机设备为例，耳机是用来听音乐，打电话的，既然是和声音相关的，那么耳机线上传输的就是音频信号，常见的音频信号一般都是在100Hz一10KHz左右的范围内，那么手机里面的音频输出系统的幅频特性一定也是在这个范围。既然有带宽，就可以利用它作为通信信道，来实现有效信息的传输了。

传统的音频信号处理一般需要以下几点：

(1)需要数模转换(AD/DA)模块，对音频信号进行采样；

(2)使用低通或带通滤波器对输入的音频信号进行处理；

(3)使用功率放大电路对音频信号进行放大处理；

(4)根据奈奎斯特采样定理，通常其采样频率至少是信号中的最高频率分量的两倍，采样后的数据根据量化规则进行编码。

然而上述这些条件在很多嵌入式平台上可能不具备，且消耗的成本也比较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用通用I/O接口将音频设备与单片机对接，并利用音频设备的频信道进行信息传输。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于音频信号的信息传输方法，其特征在于，步骤为：

第一步、将单片机的通用I/O接口的输入端通过音频信号处理网络与音频设备的音频信号输出端相连，将单片机的通用I/O接口的输出端通过音频信号处理网络与音频设备的音频信号输入端相连，通过音频信号处理网络使得单片机的通用I/O接口的电压工作范围与音频设备的音频信号输出端及音频信号输入端的电压工作范围相匹配；

第二步、当音频设备向单片机传输数据时：

音频设备通过音频信号输出端向单片机的通用I/O接口的输入端发送音频信号，输入端对音频信号进行采样，根据音频信号的电压值与输入端门限值之间的大小识别为数字低电平或数字高电平，在周期T内，或若有上升沿产生，则认为是数字0，若有下降沿产生，则认为是数字1，或若有上升沿产生，则认为是数字1，若有下降沿产生，则认为是数字0；

当单片机向音频设备传输数据时：

由单片机通过单片机的通用I/O接口的输出端给出数字信号，该数字信号的电压经过音频信号处理网络与音频信号输入端的电压工作范围相匹配后，输入音频信号输入端。

优选地，在所述第二步中，当音频设备向单片机传输数据时，每次传输一个数据包，每个数据包包括用于表示当前数据包开始的起始字节，用于表示后续数据长度的长度字节，用于表示当前数据包在所有数据包中顺序的序列字节，数据及校验字节。

优选地，在所述第二步中，音频设备向单片机传输数据的具体步骤为：

步骤2A.1、音频设备通过音频信号输出端向单片机的通用I/O接口的输入端发送以音频信号承载的数据包；

步骤2A.2、单片机检测到数据包的起始字节后，开始接收数据包，同时将音频信号输入端设置为静音；

步骤2A.3、单片机完成当前数据包的接收后，向音频信号输入端输出设定频率的方波；

步骤2A.4、音频设备以固定周期查询音频信号输入端上是否有步骤2A.3中所述的方波，若有，则表示单片机已正确接收当前的数据包，进入步骤2A.5，若在固定时间长度内没有查询到步骤2A.3中所述的方波，则返回步骤2A.1重发当前数据包；

步骤2A.5、判断是否还有数据包需要发送，若有，则返回步骤2A.1发送下一个数据包，否则，结束数据传输过程。

优选地，在所述第二步中，单片机向音频设备传输数据的具体步骤为：

步骤2B.1、单片机向音频信号输入端输出设定频率的方波；

步骤2B.2、音频设备以固定周期查询音频信号输入端上是否有步骤2B.1中所述的方波，若有，则由音频设备通过音频信号输出端向单片机的通用I/O接口的输入端发送以音频信号承载的要求开始数据传输的命令；

步骤2B.3、单片机接收到步骤2B.2所述的命令后，向音频信号输入端发送数字信号。

优选地，所述音频信号处理网络包括输入阻容网络及输出阻容网络，单片机的通用I/O接口的输入端通过输入阻容网络与音频设备的音频信号输出端相连，由输入阻容网络将音频信号输出端的信号电压与输入端的电压工作范围相匹配；单片机的通用I/O接口的输出端通过输出阻容网络与音频设备的音频信号输入端相连，由输出阻容网络将输出端的信号电压与音频信号输入端的电压工作范围相匹配。

优选地，所述输入阻容网络包括串联的电阻R1及电阻R2，电阻R1接电压源，电阻R2接地，隔直电容C1的一端连接音频信号输出端，另一端接入电阻R1与电阻R2之间，输入端接入电阻R1与电阻R2之间。

优选地，所述输出阻容网络包括一端相连的电阻R4及电阻R3，电阻R4的另一端连接输出端，电阻R3的另一端接地，隔直电容C2的一端接入电阻R4与电阻R3之间，隔直电容C2的另一端连接音频信号输入端。

本发明提供了一种基于音频信道进行信息传输的方法，使用最简单的通用IO对音频信号进行处理，可直接与单片机进行对接，是一种易实现、低成本、通用性好的音频信息传输方法。

附图说明

图1为音频信号转换示意图；

图2为输入阻容网络电路；

图3为输出阻容网络电路；

图4为音频信号编码图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提供了一种基于音频信号的信息传输方法，其步骤为：

第一步、结合图1，将单片机的通用I/O接口的输入端GPIn通过音频信号处理网络与音频设备的音频信号输出端Aout相连，将单片机的通用I/O接口的输出端GPOut通过音频信号处理网络与音频设备的音频信号输入端Ain相连。在本实施例中，音频处理网络包括输入阻容网络及输出阻容网络，为了使模拟的交流音频信号能够与单片机的数字IO信号进行通信。

由于音频设备的输出信号是模拟的交流信号，通过分压和隔直电路可以简单处理成单片机可以识别的数字IO信号。输入阻容网络电路如图2所示，音频信号输出端Aout输出的音频信号是交流信号，即有正有负，电容C1(建议选取0.1uF)起到隔直作用，使交流信号通过，经过电阻R1及电阻R2(阻值可选取10K-100K欧姆)对电压源VCC进行分压，得到的电压叠加到音频信号上，即有了直流分量的音频信号经过音频信号输入端Ain给单片机处理。

反之亦然，输出阻容网络电路如图3所示，输出端GPOut输出的信号是包含有直流分量的数字信号，通过电阻R3及电阻R4两个电阻建立直流回路(阻值可选取10K-100K欧姆)分压，再经过电容C2(建议选取0.1uF)的隔直作用，使交流信号通过，经过音频信号输入端Ain给音频设备处理。

第二步、由音频设备向单片机传输数据，或由单片机向音频设备传输数据。在本实施例中，以手机与单片机之间的数据通信为例来进一步说明本步骤，通信时，单片机对手机播放的音频信号的采样率均为44100，手机对单片机发送的信号进行录音采样的采样率为44100，且录音必须为单声道，8bit格式。数据传输的波特率为7350bps，按照UART通讯时数据组织格式，每个数据由10bit组成，包括一个1bit起始标志，8bit数据以及1bit结束标志，起始标志和结束标志可以降低信号传输的误码率。多个数据组成一个数据包，以数据包的形式来传输数据，每个数据包最多包括254个字节，其中第一个字节为起始位Start，本实施例中采用0xFF；第二个字节为序列字节Seq，当传输的数据包出长度超过256个字节时，通过序列字节Seq将数据包划分为多个子包，然后经过链接得到完整的数据包；第三个字节为数据包总长度Len，表示后续数据Date的字节长度；

第三个字节为序列字节；后续为n个字节的数据Data，n<＝252；最后一个字节为校验字节Chk。其格式如下表所示：

Start	Seq	Len	Data[n]	Chk
					1B	1B	1B	n B	1B

第二步具体包括：

步骤2.1、采用定时器来对单片机进行采样周期的设定，单片机采样频率使用音频信号最高的44.1kHz，因此理论上最大的通信波特率是22.05kHz；

步骤2.2、调节手机当前的媒体音量，使得手机与单片机间能够互相识别信号后，再以同步包0x00进行采样周期校正；

步骤2.3、手机通过音频信号输出端Aout向单片机的通用I/O接口的输入端GPIn发送以音频信号承载的数据包；

步骤2.4、单片机检测到数据包的起始字节为0xFF后，开始接收当前的数据包，同时将音频信号输入端Ain设置为静音。

单片机的IO口通常都有一个门限制，即通常所说的VIL和VIH，以STM32芯片为例，其CMOS管脚输入的低电平VIL范围是[-0.5，0.35VDD]，输入的高电平VIH范围是[0.65VDD，VDD+0.5]，假设VDD＝3.3V，则当输入信号低于1.15V时，单片机的IO口识别为数字低电平，当输入信号高于2.15V时，单片机的IO口识别为数字高电平。

由于音频信号是一系列的正弦波，它无法保持长时间的高电平或低电平，因此采用曼彻斯特编码对音频信号进行人为约定，在本实施例中，在周期T内，若音频信号有上升沿产生，则认为是数字0，若音频信号有下降沿产生，则认为是数字1，编码规则参见图4。实际上就是利用二进制FSK来作为信号调制，正是它的简单特性使得每个二进制数字都能确保在稳定的音频信号下进行传输。

具体来说，在本实施例中，每个bit位由6个采样点组成，前3个采样点电位一样，后三个采样点的电位一样，每个bit位按照曼彻斯特编码。如该bit位的值为1，则对应曼彻斯特编码为10，6个采样点的点位分别为“HHHLLL”，H为高电平，L为低电平；如该bit位的值为0，则对应曼彻斯特编码为01，6个采样点的点位分别为“LLLHHH”。

步骤2.5、单片机完成当前数据包的接收后，向音频信号输入端Ain输出2KHz的方波；

步骤2.6、手机每隔10ms查询一次音频信号输入端Ain上是否有2KHz的方波，若有，则表示单片机已正确接收当前的数据包，进入步骤2.7，若在当前数据包发送完成后150ms没有查询到2KHz的方波，则返回步骤2.3重发当前数据包；

步骤2.7、判断是否还有数据包需要发送，若有，则返回步骤2.3发送下一个数据包，否则，每隔20mS检查一次音频信号输入端Ain是否有1KHz的方波，该1KHz的方波为单片机准备向手机传输数据时，向音频信号输入端Ain输出的信号，若有，则表示单片机已经准备好发送数据，由手机通过音频信号输出端Aout向单片机的通用I/O接口的输入端GPIn发送以音频信号承载的要求开始数据传输的命令，进入步骤2.8；

步骤2.8、单片机接收到步骤2.7所述的命令后，向音频信号输入端Ain发送数字信号。

Claims (7)

1.一种基于音频信号的信息传输方法，其特征在于，步骤为：

第一步、将单片机的通用I/O接口的输入端(GPIn)通过音频信号处理网络与音频设备的音频信号输出端(Aout)相连，将单片机的通用I/O接口的输出端(GPOut)通过音频信号处理网络与音频设备的音频信号输入端(Ain)相连，通过音频信号处理网络使得单片机的通用I/O接口的电压工作范围与音频设备的音频信号输出端(Aout)及音频信号输入端(Ain)的电压工作范围相匹配；

第二步、当音频设备向单片机传输数据时：

音频设备通过音频信号输出端(Aout)向单片机的通用I/O接口的输入端(GPIn)发送音频信号，输入端(GPIn)对音频信号进行采样，根据音频信号的电压值与输入端(GPIn)门限值之间的大小识别为数字低电平或数字高电平，在周期T内，或若有上升沿产生，则认为是数字0，若有下降沿产生，则认为是数字1，或若有上升沿产生，则认为是数字1，若有下降沿产生，则认为是数字0；

当单片机向音频设备传输数据时：

由单片机通过单片机的通用I/O接口的输出端(GPOut)给出数字信号，该数字信号的电压经过音频信号处理网络与音频信号输入端(Ain)的电压工作范围相匹配后，输入音频信号输入端(Ain)。

2.如权利要求1所述的一种基于音频信号的信息传输方法，其特征在于，在所述第二步中，当音频设备向单片机传输数据时，每次传输一个数据包，每个数据包包括用于表示当前数据包开始的起始字节，用于表示后续数据长度的长度字节，用于表示当前数据包在所有数据包中顺序的序列字节，数据及校验字节。

3.如权利要求2所述的一种基于音频信号的信息传输方法，其特征在于，在所述第二步中，音频设备向单片机传输数据的具体步骤为：

步骤2A.1、音频设备通过音频信号输出端(Aout)向单片机的通用I/O接口的输入端(GPIn)发送以音频信号承载的数据包；

步骤2A.2、单片机检测到数据包的起始字节后，开始接收数据包，同时将音频信号输入端(Ain)设置为静音；

步骤2A.3、单片机完成当前数据包的接收后，向音频信号输入端(Ain)输出设定频率的方波；

步骤2A.4、音频设备以固定周期查询音频信号输入端(Ain)上是否有步骤2A.3中所述的方波，若有，则表示单片机已正确接收当前的数据包，进入步骤2A.5，若在固定时间长度内没有查询到步骤2A.3中所述的方波，则返回步骤2A.1重发当前数据包；

步骤2A.5、判断是否还有数据包需要发送，若有，则返回步骤2A.1发送下一个数据包，否则，结束数据传输过程。

4.如权利要求1所述的一种基于音频信号的信息传输方法，其特征在于，在所述第二步中，单片机向音频设备传输数据的具体步骤为：

步骤2B.1、单片机向音频信号输入端(Ain)，输出设定频率的方波；

步骤2B.2、音频设备以固定周期查询音频信号输入端(Ain)上是否有步骤2B.1中所述的方波，若有，则由音频设备通过音频信号输出端(Aout)向单片机的通用I/O接口的输入端(GPIn)发送以音频信号承载的要求开始数据传输的命令；

步骤2B.3、单片机接收到步骤2B.2所述的命令后，向音频信号输入端(Ain)发送数字信号。

5.如权利要求1所述的一种基于音频信号的信息传输方法，其特征在于，所述音频信号处理网络包括输入阻容网络及输出阻容网络，单片机的通用I/O接口的输入端(GPIn)通过输入阻容网络与音频设备的音频信号输出端(Aout)相连，由输入阻容网络将音频信号输出端(Aout)的信号电压与输入端(GPIn)的电压工作范围相匹配；单片机的通用I/O接口的输出端(GPOut)通过输出阻容网络与音频设备的音频信号输入端(Ain)相连，由输出阻容网络将输出端(GPOut)的信号电压与音频信号输入端(Ain)的电压工作范围相匹配。

6.如权利要求5所述的一种基于音频信号的信息传输方法，其特征在于，所述输入阻容网络包括串联的电阻R1及电阻R2，电阻R1接电压源(VCC)，电阻R2接地，隔直电容C1的一端连接音频信号输出端(Aout)，另一端接入电阻R1与电阻R2之间，输入端(GPIn)接入电阻R1与电阻R2之间。

7.如权利要求5所述的一种基于音频信号的信息传输方法，其特征在于，所述输出阻容网络包括一端相连的电阻R4及电阻R3，电阻R4的另一端连接输出端(GPOut)，电阻R3的另一端接地，隔直电容C2的一端接入电阻R4与电阻R3之间，隔直电容C2的另一端连接音频信号输入端(Ain)。