基于音頻線路傳輸數(shù)字信號(hào)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孟治國

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子通信工程系,廣東 廣州 510300）

基于音頻線路傳輸數(shù)字信號(hào)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孟治國

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子通信工程系,廣東 廣州 510300）

基于開發(fā)移動(dòng)外設(shè)的目的，解決移動(dòng)終端數(shù)據(jù)接口不相同、數(shù)據(jù)交換不便利等問題，設(shè)計(jì)一種編解碼協(xié)議，并采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)核心模塊，結(jié)合安裝在移動(dòng)終端的管理程序啟動(dòng)多線程，通過多線程協(xié)調(diào)嵌入式模塊并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的編解碼，再通過擴(kuò)展應(yīng)用模塊讀寫外存供后期利用，從而獲得在傳輸聲音的模擬信號(hào)線路上可靠傳輸數(shù)字信息，實(shí)現(xiàn)了一種開放性的接口，依靠移動(dòng)終端為外設(shè)供電的設(shè)計(jì)思路有一定啟發(fā)意義。

數(shù)字信號(hào)傳輸；信號(hào)供電；移動(dòng)外設(shè)；嵌入式開發(fā)

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，手機(jī)、平板電腦已是重要的個(gè)人運(yùn)算終端，經(jīng)由數(shù)據(jù)線或網(wǎng)絡(luò)可以與電腦、互聯(lián)網(wǎng)、云端交互各種的移動(dòng)應(yīng)用、APP、手機(jī)外設(shè)開發(fā)也很有吸引力。軟件應(yīng)用層的功能可交給第三方或個(gè)人開發(fā)者實(shí)現(xiàn)，安全解決方案貫穿研發(fā)、運(yùn)營、維護(hù)、業(yè)務(wù)等全過程［1］，但標(biāo)配硬件有時(shí)卻無法配合一些特定的需求，解決的辦法之一是設(shè)計(jì)、制造手機(jī)外設(shè)，Apple Store、各網(wǎng)站的移動(dòng)應(yīng)用商城都鼓勵(lì)這樣的解決方案。

其中，必然涉及外設(shè)與手機(jī)交換信息，進(jìn)而使用數(shù)據(jù)，問題是各個(gè)手機(jī)廠家的數(shù)據(jù)接口各不相同，一般要通過專用的數(shù)據(jù)接口，這也導(dǎo)致手機(jī)外設(shè)開發(fā)困難，成本較高。但各個(gè)廠家的音頻接口是開放的，接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，使用手機(jī)的音頻接口連接外部設(shè)備，通過它實(shí)現(xiàn)手機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)成本低，通用性強(qiáng)，保密性好，適合傳輸數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)方案概述

1.1 關(guān)鍵問題

通過智能移動(dòng)電話、平板等終端設(shè)備（以下以手機(jī)代替）的耳機(jī)話筒插孔，完成數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和利用的關(guān)鍵是要解決4方面的問題：1）如何通過模擬信號(hào)進(jìn)行可靠的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信，在傳輸音頻模擬信號(hào)的系統(tǒng)上交換數(shù)字信號(hào)，須新設(shè)計(jì)一種嚴(yán)格的通信機(jī)制和通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠；2）為了使產(chǎn)品使用便利，還要解決為外設(shè)的供電問題，最好不用配備外置、額外的電源適配器；3）數(shù)據(jù)通信必須借助合適的管理軟件程序，軟件是系統(tǒng)運(yùn)作的核心，須考慮手機(jī)、平板的操作系統(tǒng)，基于智能終端是最好的選擇；4）手機(jī)外設(shè)的功能不同，未來還會(huì)有哪些要求，都說明要為系統(tǒng)留出一定的擴(kuò)展，避免應(yīng)用的單一化、固定模式，故主控電路模塊主要解決數(shù)據(jù)管理這一核心，基于數(shù)據(jù)的應(yīng)用是普通讀卡器、存儲(chǔ)器、RFID還是手機(jī)付費(fèi)驗(yàn)證系統(tǒng)，則留給第三方擴(kuò)充。

為解決問題1)，外設(shè)通過音頻輸入輸出接口與智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)信號(hào)在主控模塊中進(jìn)行編解碼處理，再通過控制裝置讀取、寫入外部介質(zhì)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w方式中，外設(shè)通過插入手機(jī)外置話筒輸入接口或音頻線路輸入接口（以下簡(jiǎn)稱輸入接口）的連接插線發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)給手機(jī)，外設(shè)通過插入手機(jī)外置耳機(jī)接口或音頻線路輸出接口（以下簡(jiǎn)稱輸出接口）的連接插線發(fā)送手機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)。

手機(jī)作為主控裝置，由其產(chǎn)生位時(shí)鐘信號(hào)、選擇聲道線路、收發(fā)數(shù)據(jù)，但在外設(shè)綜合開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)識(shí)別發(fā)送端比較困難。擬采用基帶信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并為外設(shè)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)編解碼及傳輸協(xié)議的嵌入式系統(tǒng)，與手機(jī)內(nèi)裝的處理軟件共同解決識(shí)別問題和保障數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模塊示意如圖1所示。

圖1 模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Modular structure

為了解決上述問題二，在外設(shè)主控模塊外增加電源轉(zhuǎn)換模塊，手機(jī)通過程序發(fā)出固定頻率的聲音信號(hào)，此信號(hào)通過輸出接口輸出為一個(gè)固定頻率的交流信號(hào)，此信號(hào)通過外設(shè)主控板上的電源模塊電路轉(zhuǎn)換為直流電，供電給整個(gè)外設(shè)。

為了解決上述問題三，數(shù)據(jù)交互采用軟件方法實(shí)現(xiàn)，通過程序?qū)妮斎虢涌诓杉降囊纛l信號(hào)進(jìn)行解碼，通過程序?qū)敵鰯?shù)據(jù)進(jìn)行編碼并送到音頻輸出接口，完成A/D轉(zhuǎn)換，再與外設(shè)主控系統(tǒng)級(jí)的編解碼電路逆向完成A/D轉(zhuǎn)換。

為了解決上述問題四，基于嵌入式開發(fā)模式，主控電路模塊主要實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)的編解碼及傳輸協(xié)議，并管理通過讀寫裝置讀取、寫入外部介質(zhì)上的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其他如保護(hù)電路、外圍電路等細(xì)節(jié)不做詳細(xì)介紹。

1.2 編解碼機(jī)制

基于音頻接口的數(shù)據(jù)傳輸方法可以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)接口不一致的遺憾，并擴(kuò)充音頻接口的應(yīng)用，設(shè)計(jì)難點(diǎn)是如何通過模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，保證基于手機(jī)音頻接口的數(shù)據(jù)傳輸可靠，依靠編譯碼算法［2］。語音信號(hào)的編碼可分為波形編碼與聲碼化編碼，或稱為非參數(shù)編碼與參數(shù)編碼，參數(shù)編碼有時(shí)也稱為模型編碼。實(shí)現(xiàn)音頻接口的雙向通信的實(shí)現(xiàn)原理是，先把外接音頻設(shè)備輸入的信息轉(zhuǎn)換成特殊的音頻信號(hào)，通過音頻口傳到手機(jī)里面。手機(jī)程序監(jiān)控音頻輸入，軟件把輸入的音頻信息解析還原成可識(shí)別的指令。手機(jī)應(yīng)用可以把需要發(fā)送的指令按照協(xié)議規(guī)范轉(zhuǎn)換成特殊的音頻信號(hào)，通過音頻口傳輸出去。這需要與硬件有一個(gè)協(xié)議規(guī)范，解析規(guī)范可以自定義，這讓我們參考現(xiàn)有的編解碼技術(shù)，設(shè)計(jì)一種專門的、簡(jiǎn)約的規(guī)范成為可能。仿造AMI(Alternative Mark Inversion)編碼，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)同步串行通訊協(xié)議編寫，并做一定的相應(yīng)改變，直接在音頻線路上傳輸數(shù)據(jù)編碼信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是不進(jìn)行載波調(diào)制與解調(diào)。設(shè)計(jì)的編解碼機(jī)制如下：

1）數(shù)字基帶信號(hào)的傳輸是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分，在數(shù)字通信系統(tǒng)中,為使基帶信號(hào)適合在基帶信道中傳輸,必須選擇合適的碼型,AMI碼是常選的碼型之一［3］?；谝纛l接口的數(shù)據(jù)傳輸方法是一種串行通訊方法，參考標(biāo)準(zhǔn)同步串行和AMI碼。AMI碼是通信編碼中的一種極性交替翻轉(zhuǎn)碼，分別由一個(gè)高電平和低電平表示兩個(gè)極性。編碼規(guī)則是，消息代碼中的0傳輸碼中也是的0；消息代碼中的1編為傳輸碼中的+1、-1交替。解碼規(guī)則是，從收到的符號(hào)序列中將所有的-1變換成+1后，就可以得到原消息代碼。由AMI碼確定的基帶信號(hào)中正負(fù)脈沖交替，而0電位保持不變，由AMI碼確定的基帶信號(hào)無直流分量，且只有很小的低頻分量。由于它可能出現(xiàn)長(zhǎng)的連0串，不易提取定時(shí)信號(hào)，擬由處理主芯片提供基波脈沖周期信號(hào)。

2）數(shù)據(jù)傳輸支持雙工方式，從手機(jī)輸出數(shù)據(jù)的傳輸使用音頻輸出線路，進(jìn)入手機(jī)的數(shù)據(jù)的傳輸使用音頻輸入線路，發(fā)送數(shù)據(jù)前讓總線（音頻輸入輸出線路）空閑準(zhǔn)備，提示接收方做好準(zhǔn)備，總線空閑為真后連續(xù)發(fā)送9位以上的0編碼。

3）串行通訊中，線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的單位為位，幀數(shù)據(jù)可以從任意一位開始，串行通訊需采用幀頭標(biāo)志進(jìn)行同步，串行通訊的幀頭標(biāo)志采用與標(biāo)準(zhǔn)串口通信同步中一樣的標(biāo)識(shí)，即連續(xù)發(fā)送6個(gè)1，字符0x7e表示發(fā)送幀頭標(biāo)志成功。

4）發(fā)送字節(jié)時(shí)首先發(fā)送最高位，最后發(fā)送最低位，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)字節(jié)間沒有間隔，基于音頻接口的串行通訊采用幀尾標(biāo)志表示本次數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，連續(xù)發(fā)送7個(gè)1，即發(fā)送字符0x7f表示發(fā)送幀結(jié)束。結(jié)束后進(jìn)入總線空閑狀態(tài)。

5 )發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)中很可能有連續(xù)的6個(gè)以上1，這與幀頭標(biāo)志或幀尾標(biāo)志相同，會(huì)造成通訊歧義。為了消除歧義，規(guī)定當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，連續(xù)發(fā)送5個(gè)1后，必須發(fā)送一位無效的0，再接著發(fā)送其它數(shù)據(jù)。而接收到連續(xù)的5個(gè)1后，需要?jiǎng)h除接著收到的0。如果連續(xù)的5個(gè)1并非一定在一個(gè)字節(jié)中，例如，兩個(gè)字節(jié)0x0f和0xc0，每個(gè)字節(jié)都沒有連續(xù)的5個(gè)1，但先發(fā)送0x0f后發(fā)送0xc0時(shí)，就有連續(xù)的5個(gè)1了，還需要?jiǎng)討B(tài)插入一位0補(bǔ)位、刪除一位0復(fù)位。基于音頻接口的串行通訊，還可能出現(xiàn)長(zhǎng)的連0串，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式使用CRC算法進(jìn)行校驗(yàn)。

6）基于音頻接口的串行通訊中，編碼流信息一般以塊形式表示，塊是位的整倍數(shù)，一個(gè)信息流塊包含：塊頭、校驗(yàn)位、塊尾和塊負(fù)載信息，線路上傳輸格式化的數(shù)據(jù)幀［4］。

2 以外設(shè)數(shù)據(jù)處理為核心的硬件設(shè)計(jì)

核心設(shè)計(jì)是提供一種基于音頻接口的數(shù)據(jù)處理方法，以手機(jī)讀卡器應(yīng)用為例說明硬件設(shè)計(jì)，其他應(yīng)用只需改變外設(shè)對(duì)輸出數(shù)據(jù)或讀取外部數(shù)據(jù)的相應(yīng)電路。整個(gè)手機(jī)讀卡器裝置包括一塊主控板、一個(gè)耳機(jī)/話筒插頭、一個(gè)讀卡磁頭、存儲(chǔ)芯片和外包裝盒；其中的主控板電路由編解碼電路、單片機(jī)模塊電路、讀卡器裝置、濾波電路和電源模塊電路組成。內(nèi)部通信模塊主要實(shí)現(xiàn)緩存收發(fā)的數(shù)據(jù)、 數(shù)據(jù)的串并/并串轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘邏輯、處理信號(hào)。因此，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由地址譯碼模塊、時(shí)鐘分頻模塊、信號(hào)處理模塊、發(fā)送模塊、接收模塊[5]。

主控模塊對(duì)雙向信號(hào)進(jìn)行編解碼處理的過程是：1）主控電路模塊將介質(zhì)傳入的數(shù)據(jù)流編碼成國標(biāo)碼數(shù)據(jù)，再編碼為設(shè)計(jì)的格式數(shù)據(jù)信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成音頻接口能夠識(shí)別的模擬信號(hào)，送到連接手機(jī)的音頻輸入接口的傳輸線上，發(fā)送給手機(jī)。比如，讀卡器裝置專用解碼芯片，采用單軌道讀寫，當(dāng)用戶刷卡時(shí)，單軌道磁頭讀取卡的磁道數(shù)據(jù)，通過解碼電路，輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制信號(hào)，供主控模塊電路讀取，經(jīng)過上述處理，手機(jī)最終得到了卡的數(shù)據(jù)。2）主控電路模塊從連接手機(jī)輸出接口的傳輸線上接收格式編碼數(shù)據(jù)，解碼成國標(biāo)數(shù)據(jù)，再編碼為數(shù)據(jù)流，送到緩沖暫存，以備具體應(yīng)用的電路使用，如是讀卡器，則把緩沖中的數(shù)據(jù)寫入卡片?？üδ苓€可以再做擴(kuò)展，如通過手機(jī)端安裝的銀聯(lián)接口等應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付、網(wǎng)上購物等功能。

圖2 電源模塊電路圖Fig.2 Power supply module circuit diagram

單片機(jī)模塊電路選用低功耗的ARM微控制器，內(nèi)部有可編程工作寄存器，首先在寄存器中開辟一個(gè)動(dòng)態(tài)的全局緩存，存放協(xié)議棧數(shù)據(jù)，此后再為若干順序數(shù)據(jù)分別開辟單獨(dú)的緩存區(qū)和獨(dú)立的進(jìn)程，這些獨(dú)立的進(jìn)程將通過一定的交換機(jī)制，與其他相關(guān)進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。所有數(shù)據(jù)存取相關(guān)的進(jìn)程完全并行，因此，整個(gè)過程除了外部數(shù)據(jù)的接收外，其他部分所消耗的時(shí)間只相當(dāng)于處理一個(gè)數(shù)據(jù)所消耗的時(shí)間，從而提高了數(shù)據(jù)處理的速度。籍由可編程寄存器能方便地與手機(jī)通信，但需要遵守上面設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)則，這也是促使設(shè)計(jì)一種新協(xié)議的動(dòng)機(jī)之一。

一般有源濾波器利用模擬電路，實(shí)現(xiàn)帶通濾波器檢測(cè)負(fù)載電流的基波分量，設(shè)計(jì)的濾波電路是為了分離固定頻率（可以由軟件調(diào)節(jié)頻率）交流信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)。

利用數(shù)字設(shè)備如FPGA、CPLD、電腦及軟件很容易解決負(fù)載電壓和電流脈沖信號(hào)的調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào)［6］。為了解決外設(shè)在移動(dòng)應(yīng)用中的供電問題，提出一種給外設(shè)供電的特別方式。手機(jī)通過程序發(fā)出固定頻率（22.1 kHz）、最大音量的聲音信號(hào)，此信號(hào)通過耳機(jī)接口輸出為一個(gè)固定頻率的交流信號(hào)，再通過外設(shè)中的電源模塊的電路轉(zhuǎn)換為直流電，供電給包含主控模塊在內(nèi)的整個(gè)外設(shè)的電路。電源模塊選用TPS6500集成芯片，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

在手機(jī)終端上需配置專用軟件管理數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、處理等功能，音頻接口的輸入輸出都可以在應(yīng)用代碼中做處理，通過程序線程對(duì)從音頻輸入接口采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行解碼，并送到音頻輸出接口［7］。線程與進(jìn)程相似，是一段完成某個(gè)特定功能的代碼，是程序中單個(gè)順序的流控制。但與進(jìn)程不同的是，同類的多個(gè)線程共享一塊內(nèi)存空間和一組系統(tǒng)資源，所以系統(tǒng)在各個(gè)線程之間切換時(shí)，資源占用要比進(jìn)程小得多，正因如此，線程也被稱為輕量級(jí)進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程中可以包含多個(gè)線程，執(zhí)行不同的任務(wù)，多行語句可以看上去幾乎在同一時(shí)間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序運(yùn)行最少3個(gè)線程，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)程序在手機(jī)上啟動(dòng)后形成多線程：

1）創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)聽音頻輸入接口數(shù)據(jù)的線程，負(fù)責(zé)對(duì)從音頻輸入接口采集到的音頻信號(hào)，解碼輸出數(shù)據(jù)存放在接收數(shù)據(jù)緩存，通過調(diào)用外部業(yè)務(wù)程序注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)，通知外

3 外設(shè)的數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計(jì)

部業(yè)務(wù)程序注冊(cè)取得傳入的數(shù)據(jù)。與音頻輸入需要的參數(shù)對(duì)照，實(shí)例化相關(guān)代碼，獲得音頻接口數(shù)據(jù)的對(duì)象，對(duì)獲得的音頻流緩沖進(jìn)行解碼，監(jiān)聽音頻接口是否有輸入的音頻流。如有，解碼出來的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議解析，指令將音頻流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

2）創(chuàng)建一個(gè)音頻交流發(fā)送線程，負(fù)責(zé)設(shè)置輸出最大音量，生成固定頻率音頻交流信號(hào)并發(fā)送到音頻輸出線路上。實(shí)例化音頻輸出對(duì)象,執(zhí)行音頻輸出相關(guān)代碼,配置數(shù)據(jù)的編碼調(diào)制,音頻編碼調(diào)制編碼將需要發(fā)送的指令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬音頻信號(hào)子進(jìn)程；音頻編碼將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，就可以作為音頻輸出流。需要讀取外存設(shè)備信息時(shí)，將傳入的信息編碼成音頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換成指令信息。

3）主線程循環(huán)等待發(fā)送數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)存入事件，當(dāng)外部業(yè)務(wù)程序在數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入共享的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存中時(shí)，數(shù)據(jù)存入事件發(fā)生，所述的主線程取到要發(fā)送的數(shù)據(jù),進(jìn)行格式化編碼，再用操作系統(tǒng)的音頻控制接口函數(shù)發(fā)送到音頻輸出接口。

4 結(jié)束語

根據(jù)嵌入式開發(fā)的一般原理，軟硬件混合開發(fā)，提出數(shù)據(jù)傳輸模塊的解決方案，進(jìn)而圍繞數(shù)據(jù)傳輸核心任務(wù)完成硬件設(shè)計(jì)，為各種業(yè)務(wù)開發(fā)留出開放性的接口，設(shè)計(jì)軟件包括與主控系統(tǒng)交互的控制程序，采用自定義通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，能滿足串行通信同步的主要要求。從手機(jī)輸出最大音量的固定頻率交流轉(zhuǎn)化為外設(shè)供電，解決了移動(dòng)應(yīng)用中的供電問題，方法較新穎，有一定參考價(jià)值。

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Design and application on the digital signal transmission based on the audio line

MENG Zhi-guo
（Department of Electronics Guangdong Industry Technical College, Guangzhou 510300,China）

To develop mobile peripherals, to solve some problems that the data interface of the mobile terminal is not the same and the data exchange is not convenient, a kind of communication protocols is designed. Employing the core module of embedded system to match management programs which be installed in the mobile terminal application,to launch the multiple threads programs which can coordinate embedded module to finish decoding of digital data, to extend the application of peripheral storage module for further, these can ensure to reliably transfer digital information through the audio analog signal transmission lines. It realizes a kind of open interfaces. The design thought, the power of peripherals was supplied by mobile terminals, has certain enlightening significance.

digital signal transmission; power supplied by signal; mobile peripherals; embedded development

TN871

A

1674-6236(2014)14-0099-04

2014-03-30 稿件編號(hào)：201403331

2012年度廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(4202520)

孟治國(1970—),男,山西代縣人,碩士，高級(jí)工程師。研究方向：電子信息工程。