基于音頻接口的數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

摘要 由于移動(dòng)終端數(shù)據(jù)接口各不相同，使數(shù)據(jù)交換不便利。為了嘗試拓展音頻接口的應(yīng)用，文中設(shè)計(jì)了一種通信協(xié)議以保證模擬信號(hào)的可靠傳輸。開(kāi)發(fā)了可下載手機(jī)軟件，通過(guò)程序?qū)囊纛l輸入接口采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行差分曼徹斯特解碼，并送到音頻輸出接口。程序由3個(gè)線程構(gòu)成，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)程序在手機(jī)上啟動(dòng)后形成，應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)和控制軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編解碼，數(shù)據(jù)信號(hào)在主控模塊中進(jìn)行編解碼處理，再通過(guò)控制裝置讀取、寫(xiě)入外部介質(zhì)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中對(duì)線程設(shè)計(jì)、傳輸算法和協(xié)議格式進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)能滿足串行通信的同步要求，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
關(guān)鍵詞 音頻接口；數(shù)據(jù)傳輸；模塊設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)格式

    移動(dòng)終端操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能強(qiáng)大，智能手機(jī)應(yīng)用已超出通話的原始功能，各種移動(dòng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)更充分體現(xiàn)了智能化、開(kāi)放式的趨勢(shì)。在移動(dòng)應(yīng)用中，如果要與外部設(shè)備交換信息，要通過(guò)專用的數(shù)據(jù)接口，但手機(jī)廠商的數(shù)據(jù)接口各不相同，外部設(shè)備難以兼顧，一些廠家限制數(shù)據(jù)接口的開(kāi)放，或收取高昂的使用費(fèi)，或?qū)ν庠O(shè)生產(chǎn)方有嚴(yán)格的資質(zhì)要求，種種限制，制約了智能終端與外部設(shè)備的直接交流。

1 數(shù)據(jù)傳輸模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    接口是智能終端系統(tǒng)與外界的連接電路，具有如下功能：(1)尋址能力。對(duì)送來(lái)的片選信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。(2)輸入／輸出功能。根據(jù)讀／寫(xiě)信號(hào)決定當(dāng)前進(jìn)行的是輸入操作還是輸出操作。(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換或兩種不同數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換。(4)信號(hào)識(shí)別。識(shí)別就緒信號(hào)、忙信號(hào)等。(5)中斷管理。發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)、接收中斷響應(yīng)信號(hào)、發(fā)送中斷類型碼的功能。(6)復(fù)位。接收復(fù)位信號(hào)，從而使接口本身以及所連的外設(shè)進(jìn)行重新啟動(dòng)。(7)可編程。用軟件來(lái)決定其工作方式，用軟件來(lái)設(shè)置有關(guān)的控制信號(hào)。(8)檢測(cè)信息。一些接口還可根據(jù)具體情況設(shè)置其檢測(cè)信息。
    基于音頻輸入輸出接口的數(shù)據(jù)傳輸方法可以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)接口不一致的缺點(diǎn)，并擴(kuò)充音頻接口的應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)傳輸音頻模擬信號(hào)的系統(tǒng)上交換數(shù)字信號(hào)，設(shè)計(jì)難點(diǎn)是如何通過(guò)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，需要專門(mén)設(shè)計(jì)一種嚴(yán)格的通信機(jī)制或通信協(xié)議，保證基于手機(jī)音頻輸入輸出接口的數(shù)據(jù)傳輸可靠。
    如果把終端作為主導(dǎo)裝置，由其產(chǎn)生位時(shí)鐘信號(hào)、命令選擇信號(hào)和數(shù)據(jù)，但在綜合系統(tǒng)中，識(shí)別發(fā)送端比較困難。設(shè)計(jì)采用差分曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，開(kāi)發(fā)了可下載手機(jī)軟件，并為外設(shè)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)編解碼及傳輸協(xié)議的嵌入式系統(tǒng)。模塊結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

    外部裝置通過(guò)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(guò)控制裝置讀取、寫(xiě)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)裝置通過(guò)插入手機(jī)外置話筒音頻輸入接口或音頻線路輸入接口的連接線發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)給手機(jī)，外設(shè)裝置通過(guò)插入手機(jī)的外置耳機(jī)音頻接口或音頻線路輸出接口的連接插線，接收手機(jī)發(fā)送出的數(shù)據(jù)信號(hào)。

2 數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件設(shè)計(jì)
    外部數(shù)據(jù)傳輸裝置由濾波電路、主控模塊、編解碼電路、讀寫(xiě)裝置組成。濾波電路分離固定頻率交流信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)；讀寫(xiě)裝置包含一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曼徹斯特編解碼電路，讀寫(xiě)解碼電路采用BS730Q讀寫(xiě)專用解碼芯片，采用單軌道讀寫(xiě)；實(shí)現(xiàn)的主控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，可以方便地與主機(jī)通信，但要有自己的數(shù)據(jù)協(xié)議，主控模塊對(duì)雙向信號(hào)進(jìn)行編解碼處理的過(guò)程是：(1)主控電路模塊將讀寫(xiě)裝置傳入的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)信息解碼成國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)，再編碼為差分曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)信號(hào)，送到連接手機(jī)話筒接口或線路音頻輸入接口的傳輸線上。(2)主控電路模塊從連接手機(jī)耳機(jī)接口或線路音頻輸出接口的傳輸線上接收差分曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)信號(hào)，解碼成國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)，再編碼為標(biāo)準(zhǔn)曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)信息，送入讀寫(xiě)裝置。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)傳輸模塊的軟件設(shè)計(jì)
3．1 設(shè)計(jì)線程
    通信雙方的手機(jī)終端采用軟件方法實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過(guò)程序?qū)囊纛l輸入接口采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行差分曼徹斯特解碼，并送到音頻輸出接口，程序由3個(gè)線程構(gòu)成，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)程序在手機(jī)上啟動(dòng)后形成3個(gè)線程：(1)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。(2)創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)聽(tīng)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)，進(jìn)行差分曼徹斯特解碼，解碼輸出數(shù)據(jù)存放在接收數(shù)據(jù)緩存，通過(guò)調(diào)用外部業(yè)務(wù)程序注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)，通知外部業(yè)務(wù)程序注冊(cè)取得傳入的數(shù)據(jù)。(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)行差分曼徹斯特編碼，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。

3．2 數(shù)據(jù)格式
    音頻輸入輸出線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)采用差分曼徹斯特編碼，不進(jìn)行載波調(diào)制與解調(diào)，直接在音頻線路上傳輸數(shù)據(jù)編碼信號(hào)。具體協(xié)議機(jī)制如下：
    (1)基于音頻輸入輸出接口的數(shù)據(jù)傳輸方法是一種串行通訊方法，參考標(biāo)準(zhǔn)同步串行通訊協(xié)議，采用差分曼徹斯特編碼，其特點(diǎn)為每發(fā)送一位至少有一個(gè)跳變，以適應(yīng)在只能傳輸交流的音頻輸入輸出線路上傳輸數(shù)據(jù)。通信信號(hào)中使用中間時(shí)刻的跳變來(lái)表示發(fā)送的0或1，第一個(gè)跳變的如果是正跳變表示1，如果是負(fù)跳變表示0，之后的跳變與前一個(gè)跳變進(jìn)行差分，由相比較的結(jié)果決定是1或0，如果當(dāng)前位跳變方向與前一位的跳變方向相同，則表示為0，否則表示為1。采用差分曼徹斯特編碼，通信雙方的同步允許差半位時(shí)間，同步差半位時(shí)間內(nèi)接收的數(shù)據(jù)也不受影響。
    (2)數(shù)據(jù)傳輸是雙工方式，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)傳輸使用音頻輸入線路，發(fā)送數(shù)據(jù)前讓總線空閑準(zhǔn)備，提示接收方做好接收準(zhǔn)備?？偩€空閑準(zhǔn)備是用連續(xù)發(fā)送8位以上的0來(lái)表示。
    (3)串行通訊采用幀起始標(biāo)志進(jìn)行同步，幀起始可以從任意一位開(kāi)始，串行通訊的幀起始標(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，即發(fā)送字符0x7e表示發(fā)送了幀起始標(biāo)志。
    (4)串行通訊采用幀結(jié)束標(biāo)志表示本次數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，進(jìn)入總線空閑狀態(tài)。連續(xù)發(fā)送7個(gè)1，即發(fā)送字符0x7f表示發(fā)送了幀結(jié)束。串行通訊中，線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的單位為位，發(fā)送Byte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(méi)有間隔。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)1，這與幀起始標(biāo)志和幀結(jié)束標(biāo)志相同，會(huì)造成通訊歧義。為消除歧義，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(wú)效的0，再接著發(fā)送其他數(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。這連續(xù)的5個(gè)1并非一定在1個(gè)Byte中，例如，兩個(gè)Byte 0x0f和0xc0，每個(gè)Byte都沒(méi)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，需要?jiǎng)討B(tài)插入、刪除一位0。
    (5)所述基于音頻輸入輸出接口的串行通訊中，編碼信息流一般以塊形式表示，一個(gè)信息流塊包含：塊頭和塊負(fù)載信息，線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    根據(jù)嵌入式開(kāi)發(fā)的一般原理，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸模塊的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)中完成了主控系統(tǒng)、各相關(guān)電路的控制程序，采用差分曼徹斯特碼傳輸數(shù)據(jù)，能滿足串行通信的同步要求，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。