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将音频插孔用作 Android 系统上的数据接口

Intel

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2015 年 5 月 1 日

CPOL

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18003

作为手机和平板电脑上的接口之一，音频插孔的主要功能是播放音乐。然而，它的其他用途也不容忽视——音频插孔还可以用于传输数据。

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概述

作为手机和平板电脑上的接口之一，音频插孔的主要功能是播放音乐。然而，它的其他用途也不容忽视——音频插孔还可以用于传输数据。

用于连接设备的音频插孔的更多用法正在不断开发中。iHealth Lab 的血糖仪¹（血糖计算器）、Irdroid²（提供红外遥控功能，可控制电视、机顶盒和音响设备）以及 Flojack*³（一款 NFC 读取器，可实现近场通信功能，与 NFC 标签或移动设备交互）等外围设备，都通过音频插孔连接成为可能。

鉴于可穿戴设备和外围设备具有广阔的市场前景，我相信音频插孔将成为主要的数据通信端口。在本文中，我将更详细地介绍这项新功能。

引言

音频插孔接口有两种标准：OMTP 和 CTIA⁴。OMTP 是国际标准；ATIS 是美国标准，用于 Apple iPhone* 和 iPad*。它们在 V-Mic 和 GND 位置上有所不同，区别如图 1 所示。

图 1. OMTP 与 CTIA

如何传输数据

当我们发送 0x00FF 数据值时，第一步是将数字数据值转换为模拟信号。我们需要对数据值进行调制。通常，我们使用正弦波载波作为模拟信号。

图 2. FSK⁵ 调制信号⁶

第二步，在 Android 系统中，调用 AudioTrack API⁷ 函数播放缓冲区。以下代码使用 `audioTrack` 函数将数据发送到缓冲区。

public void send(byte[] bytes_pkg) {
		int bufsize = AudioTrack.getMinBufferSize(8000,
				AudioFormat.CHANNEL_OUT_MONO,
				AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);
		AudioTrack trackplayer = new AudioTrack(AudioManager.STREAM_MUSIC,
				8000, AudioFormat.CHANNEL_OUT_MONO,
				AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT, bufsize, 
AudioTrack.MODE_STREAM);
		trackplayer.play();
		trackplayer.write(bytes_pkg, 0, bytes_pkg.length);
	}

如何接收数据

作为接收器，我们需要将模拟信号转换为数据值，对信号进行解调以去除载波信号，并通过协议解码数据。协议可以是公共数据格式，也可以是私有定义协议。

图 3. 解调信号⁶

在 Android 系统中，我们使用 `audioRecord` API⁸ 函数来录制音频。

public void receive(){
		int minBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(AUDIO_SAMPLE_FREQ, 2,
				AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);
		AudioRecord ar = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC,
				AUDIO_SAMPLE_FREQ, AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO,
				AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT, minBufferSize);
		ar.startRecording();
	   }

如何从音频信号中获取能量

显然，音频插孔外围设备需要电力来驱动电路。例如，L 声道发送数据信息。R 声道发送持续的方波或正弦波。这些波形可以转换为能量，为 MCU（微控制器单元）和几个传感器供电。

案例研究：红外外围设备

Androlirc⁹ 是一个基于 Github 的项目。它的功能是利用音频插孔接口发送红外命令。我们可以研究这个项目来了解音频插孔的数据通信。Androlirc 使用 LIRC¹⁰ 库创建数据缓冲区。该库是一个 Linux* 红外库，支持多种接口，例如：USB、音频插孔等。Androlirc 可以使用 LIRC 库进行数据封装或数据封装。在市场上，您可以找到许多红外编码类型，如 RC-5 和 RC-6 协议。在本例中，我们使用 RC-5 协议来控制电视机。首先，我们需要使用 38k 频率的正弦波对数据值进行调制，以生成缓冲区数据；然后，我们使用 Android 音频 API 函数播放音频缓冲区数据。同时，我们可以使用两个声道中的一个来播放正弦波或方波，为外围设备硬件供电。

案例研究：音频插孔开发工具

NXP Semiconductors 的新型智能手机解决方案 Quick-Jack*¹¹ 是一款基于名为 Hijack 的原型项目的工具/开发板。Hijack¹² 是密歇根大学的学生项目。Hijack 平台支持即插即用操作，能够实现一类新型的小型、廉价、以手机为中心的高科技传感器外围设备。我们可以使用 NXP Quick-Jack 开发板来帮助构建我们的原型产品设计。图 4 显示了一个智能手机显示来自音频插孔外围温度传感器的室内温度。

图 4. 来自 Quick-Jack 的温度值

图 5 显示了我们如何通过基于 Android 的应用程序控制外围设备的 LED。

图 5. 控制 Quick-Jack 上的 LED

摘要

可穿戴设备和智能设备外围设备在消费市场中越来越普遍。音频插孔作为一种数据通信功能，正被越来越多的 ODM 和 iMaker 采用。也许在未来，音频插孔数据通信功能将得到智能手机操作系统的普遍支持。

参考

关于作者

李亮（Li Liang）毕业于长春工业大学，获得信号与信息处理专业硕士学位。他于 2013 年加入英特尔，担任中国 Android 移动赋能团队的应用工程师。他专注于 Android 平台上的差异化赋能，例如多窗口等。