音頻通信下的手機外設方案設計
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摘要：本文主要針對手機音頻外設的兼容性方案進行優化分析。當前主流的手機外設主要通過數據口（microUSB、Type-C、Lightning）、藍牙、音頻口與手機連接并完成數據通信，但是數據接口方面安卓及蘋果接口標準不一，藍牙通信功耗較高并且操作流程復雜，而音頻接口標準相對統一并且功耗低，預計未來基于音頻口的手機外設具有巨大的發展空間。
關鍵詞：智能手機；音頻通信；低功耗設計；UART編碼；曼徹斯特編碼；FSK編碼；數字濾波算法
1音頻通信外設硬件電路設計
1.1電源電路設計
基于音頻通信的手機外設一般要求體積小，重量輕便，外觀可設計成時尚的鑰匙扣形狀。由于外設體積及重量的限制一般使用鋰電池不使用大電池，因此對于功耗的控制要求非常高。對于這個問題，我們的方案設計是在外設插入到手機音頻口之后，并且接收到音頻口輸出的特定脈沖波形以后打開外設電源，在外設拔出以后關閉電源，這樣可以大大的降低系統功耗，提高鋰電池的使用壽命。如圖1所示，當外設插入手機音頻口后，外設電路通過電容C149濾除左聲道SPK_L管腳的偏置電壓，再通過二極管D16濾除負半周期波形，最后通過接地電容C150實現電平的穩定輸入，從而實現在外設接入手機音頻口后同時左聲道有穩定脈沖信號輸入時V_SW管腳與地導通，觸發打開外設電源。當外設插入手機音頻口后，TX（MIC）管腳對地存在偏置電壓，因此在外設上電后可通過拉高POWER_ON管腳接管電源維持電路，維持系統上電狀態，無需通過SPK_L管腳持續提供脈沖波形來維持上電狀態，從而提高整體系統穩定性。如圖2所示。當外設從手機音頻口拔出后，TX（MIC）管腳對地無偏置，系統無法通過POWER_ON管腳繼續維持上電狀態，同時外設從音頻口拔出后SPK_L管腳同樣無輸出，V_SW管腳與地不導通，從而實現外設從手機音頻口拔出后硬件下電關機。
1.2音頻通信電路設計
如圖3所示，目前手機與音頻外設進行數據上下行通信主要有兩種方式，一種是通過音頻接口與音頻外設進行數據通信，一種是通過空中音頻傳輸。空中音頻傳輸方式：主流手機的音頻采樣率在44.1kHz，按一個信號周期2個采樣點計算，手機能支持的最高音頻信號頻率在20kHz左右。人耳能聽見的聲音頻率范圍在20Hz~20kHz，因此空中音頻靜默通信成為可能，但是由于空中噪聲干擾相對較大，目前暫不建議使用該方案。音頻口通信方式：手機與音頻外設通過4段式的耳機接口進行有線連接，實現數據上下行通信。目前國際通用的耳機接口標準主要有兩個，一個是OMTP標準（國標），一個是CTIA標準（美標），兩個國際標準的區別主要在于麥克管腳與地管腳的順序不同，外設硬件可以通過自適應電路方案實現兩個標準的兼容。如圖4所示。無論手機是歐標接口還是美標接口GND與MIC之前存在壓差，利用兩個MOS管實現歐標與美標的兼容。當輸入端M2為GND、M1為MIC時，MOS管1導通，MOS管2截止，M2與地導通，M1與TX導通。當輸入端M2為MIC、M1為GND時，MOS管2導通，MOS管1截止，M1與地導通，M2與TX導通。綜合顯示，音頻通信硬件電路選擇音頻口與手機進行連接，并通過自適應電路實現國際與美標的兼容，成本低同時具有較廣的適應性。
1.3安全加密電路設計
由于音頻通信數據內容容易被外部通過有線或者無線監聽探測后破解，本方案的重點，在系統內部集成ESAM安全加密芯片，并在設備出廠時對ESAM芯片進行初始化，灌裝一機一密的加密秘鑰，同時外設上下殼采用超聲處理確保秘鑰安全。傳輸數據內容在發送之前需要先通過ESAM芯片進行加密處理（AES、DES、RSA算法），再通過音頻信號進行傳輸，從而確保數據傳輸安全。
2音頻通信波形設計
手機音頻通信主要是通過手機發出的音頻聲波信號來傳輸“0”、“1”數據，需要在外設端對傳輸的數據內容進行波形編碼，手機端通過MIC接收到編碼波形后對波形進行解碼還原出傳輸數據內容，常用的波形編碼方式主要有URAT編碼、曼徹斯特編碼、FSK編碼。
2.1UART編碼
串行UART編碼波形由起始位、數據位、校驗位、停止位組成。考慮部分外設需要通過音頻口輸出來供電，因此在使用串行UART編碼來作為通信編碼時，需要避免輸出波形出現長時間的低電平。所以默認設計輸出電平應該設置為高電平，起始位則為低電平，停止位為高電平。同時由于傳輸的數據內容是隨機的，如果數據位出現連續數據“0”將出現連續低電平導致外設掉電（需要通過音頻輸出來維持電源供電的設備），同時連續相同數據將出現連續高電平或者低電平，傳輸過程容易出現脈寬畸變導致數據傳輸錯誤，因此需要對數據內容進行曼切斯特編碼轉換（數據“0”轉換為數據“01”，數據“1”轉換為數據“10”），這樣可以保證輸出電平不受到傳輸數據內容影響出現連續高低電平的情況。圖5是TTL電平下一個字節數據“0xC5”，在UART編碼模式下傳輸的波形信號。可以看出連續數據”0”會出現連續的低電平信號。圖6是TTL電平下對一字節數據“0xC5”進行曼徹斯特編碼轉換后傳輸的波形信號。經過曼徹斯特編碼轉換后的字節數據為“0xA5，0x66”，可以看出即使原始數據存在連續數據“0”傳輸波形最長只會出現連續2個周期的低電平，有效的避免了通信波形出現長時間的高低電平的情況。市面上主流的智能手機音頻輸出的打點頻率上限為48000Hz、44100Hz等，串口通信頻率一般為115200Hz、19200Hz、9600Hz。根據整除關系及理想的打點個數，手機端擇優選擇48000Hz打點頻率，單周期打點10個點，則外設接收端串口波特率為9600Hz。
2.2曼徹斯特編碼
曼徹斯特編碼是通過波形的相位對數據進行編碼，每個碼元周期內必定有一次電平跳變，波形周期內電平從高到低表示數據“1”，電平從低到高表示數據“0”。圖7是曼徹斯特編碼方式下傳輸一個字節數據“0xC5”的波形信號。對比UART編碼方式，曼徹斯特編碼每個字節沒有了起始位、校驗位、停止位，編碼效率優于串口編碼方式。其次由于編碼方式的優勢，單周期內必定存在電平跳變，不會因為被編碼數據內容存在連續數據“0”或者連續數據“1”，而出現長周期的高電平或者低電平，可以有效降低由于波形脈寬畸變導致的數據傳輸錯誤，數據內容無需進行曼徹斯特編碼二次轉換，編碼效率更高。同時UART編碼方式在外設接收端接的是RX、TX管腳，對于波形編碼畸變的容錯性相對有限，曼徹斯特編碼接收端接的是CPU的ADC管腳，解碼效率及容錯性更高。
2.3FSK編碼
FSK編碼是通過波形的脈寬對數據進行編碼，例如使用單周期3400Hz波形表示數據“1”，單周期2400Hz波形表示數據“0”。圖8是FSK編碼方式下傳輸一個字節數據“0xC5”的波形信號。FSK編碼方式繼承了曼徹斯特編碼的優點，不會因為被編碼數據內容出現連續數據“0”或者連續數據“1”，而出現長周期的高電平或者低電平。同時對比曼徹斯特編碼波形脈寬變化相對穩定，不會因為被編碼數據內容變化出現脈寬周期的不穩定變化，波形信號相對更穩定，不容易出現波形畸變的情況。
3大數據通信優化方案
手機端發送數據給外設為下行，外設發送數據給手機端為上行。通過上述波形分析在下行數據量較小的情況下一般采用FSK數據信號比較穩定，通信優化主要針對上行波形數據進行優化。在下行數據量較大的情況下還需要對下行數據進行拆包處理，提高下行數據傳輸成功率。
3.1通信握手協議
如圖9所示，外設上電以后，通過MIC上送曼徹斯特編碼及FSK編碼下不同幅值的上行波形數據，手機端接收到波形信號后對波形信號進行濾波解碼并對波形質量進行評估，選擇最優的上行波形信號并下發給外設進行設置，外設收到設置指令后使用最優波形信號進行指令回復確認。圖10中綠色信號為手機端左右聲道輸出給外設的握手信號，黃色信號為外設通過MIC返回給手機的編碼波形信號。
3.2手機端濾波算法
手機端在接收到外設從MIC傳送回來的曼徹斯特編碼或者FSK編碼波形數據的時候，錄制的音頻波形可能存在數據跳變的情況，我們需要通過手機端的濾波算法對波形數據進行濾波優化，之后再根據編碼規則進行數據內容解析及數據校驗，提高音頻通信的成功率。濾波算法思路，正常連續點之間應該是平滑變化的不應該出現波形跳變，如果出現跳變則認為是異常跳變需要進行平滑處理。連續的3個點出現第一個點與第三個點大于0，第二個點出現小于0的情況或者第一個點與第三個點小于0，第二個點出現大于0的情況，則認為第二個點為跳變點，將第二個點的值賦值成第一與第三個點的均值處理。連續的4個點出現第一個點與第四個點大于0，第二個點與第三個點出現小于0的情況或者第一個點與第四個點小于0，第二個點與第三個點出現大于0的情況，則認為第二與第三個點為跳變點，將第二與第三個點的值賦值成第一與第四個點的均值處理。
3.3大數據拆包協議
在需要下發大數據的時候，需要對下行數據進行拆包處理，從而提高指令成功率。目前設計是一包數據大小為200字節，當數據量超過200字節時需要對下行數據進行拆包處理。手機端下發數據包時標識該包是否為拆包數據是否有后續包存在，在下發完拆包數據后手機端進入等待ACK狀態，外設端收到拆包數據后返回ACK包表示已接收到拆包數據，在規定時間內手機端未收到設備端的ACK響應則進行當前包的重發處理，直到外設端返回ACK響應。外設端在接收到最后一個標識為無后續包的拆包數據時，表明已完整接收當前大數據包指令，進入后續指令處理流程。
4結論
基于音頻通信的手機外設方案設計，對于這個方案的設計優化考慮是基于市場實際客戶檢驗得來的，從目前來看，我們對于外設電源的功耗控制、音頻口兼容性的電路設計和音頻通信兼容性方案的優化方案已經過將近百萬級客戶的檢驗，目前可以滿足客戶對于音頻外設的通信性能及待機時長需求，并且安全方面設備也通過了銀行卡檢測中心(BCTC)的安全性測試。
參考文獻
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作者：蔡巍 單位：福建新大陸支付技術有限公司