【正文】 成的例子可以證明這個在音頻設(shè)備間使用數(shù)字信號的想法是可行的呢？電話。電話在撥號時發(fā)出不同音高的聲音不是偶然的，每個數(shù)字對應(yīng)一個頻率，這些固定頻率的聲音被轉(zhuǎn)化成電流再通過電話線傳遞給控制端，控制端再根據(jù)頻率的順序得到數(shù)字的順序，也就是電話號碼，再按照既定的程序接通對應(yīng)用戶的電話。這樣我們就用按鍵完成了一段指令的輸入，又經(jīng)過一系列的信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，完成了對遠程終端的控制。而如果我們把這種做法更復(fù)雜化點，就是所謂撥號上網(wǎng)。不過，這個信號的傳遞所使用的頻率，遠遠超過了音頻的所謂2020kHz定義，但是我們看到，原理還是一樣的。不過，原來的聲卡被換了個名字，叫調(diào)制解調(diào)器。而原來聲卡中最重要的數(shù)模轉(zhuǎn)換器也被盡量的簡化掉了，因為我們只需要0或1，或者多幾個數(shù)字而已。現(xiàn)在回頭討論下，為什么要利用電話上網(wǎng)。原因很簡單，電話是最普及的音頻設(shè)備，甚至說是最普及和最簡單的遠程通信裝置，即使在網(wǎng)絡(luò)時代也是這樣。電話線的覆蓋范圍基本是100%，而移動通信的信號那就不必說了。這樣在電話線上載入網(wǎng)絡(luò)通信，就避免了重新布線入戶的成本。而從我們的角度看，手機，mp3，電腦，這些最常見的電子設(shè)備，都有一個共同音頻端口，我們甚至沒有必要為這個端口做特別的修改，就能做很多事情，比如手機與單片機通信。有人說，ADK就好了？不過ADK需要新的成本，以及復(fù)雜的配置，這些配置對于一般用戶來說太難以解釋了，就是極客也很難上手。而音頻端口，只要一根線，一個簡單的放大器電路，一個寫好的通信協(xié)議，也能完成類似的事情。事實上，網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)流傳了android利用音頻線與串口通信的程序，請去電子市場搜索和下載AudioSerialOut程序，一目了然。他們的官方網(wǎng)站也提供了一致的思路，筆者講在下文中講解。另外，iphone用戶也不必發(fā)愁，雖然蘋果能鎖死usb，但是在國外，偉大的極客們早就悟出誰也無法鎖死音頻端口的事實。不信，看看這個iphone蓋革管計數(shù)器。注意連接方式。 首先是簡單的電路部分。我們要做到單片機對音頻信號的讀取，就需要一個簡單的放大電路。因為電腦音頻輸出大概只有幾十毫伏，而arduino使用的avr單片機數(shù)字信號對應(yīng)的高電平則是5v。幸運的是，因為我們需求的是簡單的只有高低電平的數(shù)字信號的放大，模擬電路里所謂的失真之類的問題就可以不必考慮了。這里我們使用lm358作為放大器。電路原理圖如下注意這里，lm358的放大倍數(shù)遠遠超過了本身5v的電源電壓的能力，這我們不必考慮太多，關(guān)鍵是在R1放上一個大電阻讓放大倍數(shù)足夠使arduino識別高低電平就可以了。另外記住，lm358輸出的信號和原來的信號是反向的，高低電平會調(diào)置。國外那個網(wǎng)站（就是做Audioserial軟件的那個用的是lm324，是4個放大器在一起，原理一致不做解釋）所使用的我繼續(xù)花了個接線圖，注意這個圖是為了省空間在元件下面走線了。一般電腦是兩個聲道，充分利用了lm358的兩個放大器，而放大器5v的電源寄生在arduino上也就可以了。輸入端和音頻插頭連接，接線上，最靠近內(nèi)側(cè)的是地。輸出端自然要連在arduino的數(shù)字端口上，這不用解釋。看看我自己悲催用耳機改的插頭吧。建議用銅絲擰成圈固定這個插頭，焊錫是不沾的，所以固定不住。不過固定好還是要涂焊錫，只有面接觸，才能保證信號質(zhì)量，否則，雜波很夸張。這是我在面包板上做的lm358電路，只用了一個聲道。如果這些都做好，并且，沒有啥故障的話，那么就可以進入軟件方面的設(shè)計和調(diào)試了。音頻信號頻率計為了驗證單片機可以順利的讀取高低電平信號并研究這個信號頻率上的范圍和精度，也為了研究arduino時鐘的設(shè)置，我制作了一個音頻信號頻率計，（就是均勻交替的高低電平信號），通過計時器，得到方波每個波谷的長度（因為是lm358反置），進而計算出這個方波的頻率。首先我們要討論的是，計時器。為了了解單片機上計時器的原理，我們先從最原始的計時工具——日晷和日歷說起。古人通過觀察日月星辰的變化規(guī)律，了解到，太陽做周期的往復(fù)運動 拉卡拉手機刷卡器音頻通訊技術(shù)原理初步分析發(fā)布時間:20135161.拉卡拉刷卡器 大家都知道，拉卡拉就是一個手機刷卡器。拉卡卡、智能手機、拉卡拉軟件、網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了一個完整的、更強大的POS系統(tǒng)。為什么說更強大呢？因為在手機應(yīng)用app的這一層，拉卡拉可以做很多很多方便的功能，這樣借助于類似傳統(tǒng)的刷卡服務(wù)，提供一系列現(xiàn)在支付寶也正在大力發(fā)展的生活服務(wù)等功能。而這個是銀聯(lián)的POS所嚴重缺乏的。目前來說，移動支付里，最方便的肯定是支付寶的快捷支付；但考慮國內(nèi)目前的安全環(huán)境，用戶把銀行卡和密碼托管給一個網(wǎng)站來管理，明顯不如用的時候輸入一下的方式更能被接受。相對于更安全的支付寶加網(wǎng)銀的方式，拉卡拉做到了與發(fā)卡行無關(guān)，這樣也不需要手機上安裝各種不同的銀行的網(wǎng)銀客戶端。所以，顯然拉卡拉在某些應(yīng)用場景比一些其他的移動支付方式更有優(yōu)勢。下面我們就來看看拉卡拉的技術(shù)原理是怎么回事。 2.內(nèi)部結(jié)構(gòu) 上面左右是一個常見的拉卡拉設(shè)備，挺好看的。如果我們把它拆開來看，就如右圖所示，當然除了這個東西，下面還有個耳機插頭、側(cè)面還有一個刷卡的槽。 總體來說，這個電路板很簡單。 一個電池就占了絕大部分地方，導(dǎo)致整個拉卡拉個頭偏大，可供刷卡萬次以上（見參考資料1）。 左邊的四根引線，對應(yīng)于耳機插頭上的4個區(qū)域。分別是左聲道（Left）、右聲道（Right）、麥克風(fēng)（Mic）和接地線（Gnd）。其中L和R是接收手機往外輸出信號的接口，M是輸出信號到手機的接口。需要注意的是并不是所有的順序都想右圖所示。因為存在兩個不一樣的標準，國際標準和國家標準。像聯(lián)想、中興等大部分國產(chǎn)手機都是國家標準，跟右側(cè)的圖一樣的順序。而iphone、htc、三星、小米等手機都是國際標準，M和Gnd的順序是反向的。拉卡拉的某些版本可以自動識別M和G的正反向。（見參考資料2） 電路板最右面的芯片處理輸入信號和轉(zhuǎn)換刷卡數(shù)據(jù)的A\D（音頻\數(shù)字）處理模塊，它是整個系統(tǒng)的核心。在手機應(yīng)用里點擊刷卡時，音頻信號通過L或R從手機發(fā)送到電路板，通過A\D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號。刷卡時電路板拿到銀行卡信息，再通過A\D模塊轉(zhuǎn)換成音頻傳輸給手機。當然手機APP應(yīng)用里在信號出入的時候，也需要做相應(yīng)的A\D編解碼工作，這個也是手機APP里最重要的工作。 3.刷卡支付流程 手機與拉卡拉音頻通訊示意圖 手機與拉卡拉的音頻通訊大概結(jié)構(gòu)見上圖，大概的流程是： 先在手機上打開拉卡拉的應(yīng)用。點擊刷卡。 手機應(yīng)用會調(diào)用android api的AudioTrack，通過L和R線路給拉卡拉手機刷卡設(shè)備發(fā)送一段通知信號（L和R表達的信息是一樣的，只是波形是反相的，L的高電平對應(yīng)于R的低電平，還沒搞清楚拉卡拉為什么這么設(shè)計）。 芯片上的通訊模塊拿到音頻信號，解碼后發(fā)現(xiàn)是刷卡通知，就等待刷卡層傳來刷卡信息。 在刷卡槽刷卡后，卡的信息傳遞給芯片。 芯片拿到卡的信息，編碼成音頻信號，同M線路發(fā)送給手機。 手機APP通過AudioRecord對音頻信號進行采樣，拿到數(shù)字信號。 手機APP程序通過對數(shù)據(jù)信號進行解碼，拿到實際的數(shù)據(jù)信息，即卡的信息。 如果刷卡失敗，則手機APP拿到的是一段失敗提示信息。 至此手機與刷卡器的通訊完成，手機APP再使用此卡的信息與拉卡拉的服務(wù)器端后臺通訊，處理后續(xù)支付操作。 其中的技術(shù)關(guān)鍵點是（細節(jié)本文暫不討論）： a)傳輸上使用什么樣的調(diào)制方式，采用什么樣的波特率、頻率。 b)通訊上如何制定合適的協(xié)議，包括如何判斷信號開始、如何握手建立連接。 c)編碼上如何編碼表示數(shù)據(jù)，如何校驗和糾錯，如何濾波和解碼數(shù)據(jù)。 4.相關(guān)的一些技術(shù)問題 A/D轉(zhuǎn)換的問題 耳機線傳輸一般是1250HZ~9600HZ之間的交流音頻信號。信號的調(diào)制解調(diào)有3種方式，調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）三種。根據(jù)對拉卡拉的輸入輸出信號的分析，我們發(fā)現(xiàn)拉卡拉使用的是調(diào)幅方式，頻率為9600HZ和4800HZ的音頻信號。 耳機接口標準的問題 。 不同android手機的問題 a)我們發(fā)現(xiàn)，在個別手機上，接收到的音頻波形跟其他手機相比，是反相的。即高電平的波峰變成了低電平的波谷。這個問題可以在解碼的時候，根據(jù)特定的前導(dǎo)碼來判斷。 b)手機Mic采樣到的音頻信號電平可能會不一樣。例如同一段音頻信號，使用A手機AudioRecord采樣出來，波峰的值大概是32000；另外找一個手機可能是3200，根據(jù)我們的多種不同手機測試，發(fā)現(xiàn)可以相差10倍。處理方法是，可以額外的進行一次處理，先歸一化；或者是濾波的時候，動態(tài)的根據(jù)峰值來調(diào)整閾值。 c)有些手機的Mic不認非標準的采樣率。比如三星的I9308，如果使用9600*4的采樣率初始化AudioRecord，就會報錯；改成44100就沒有問題。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?每次通訊報文在100字節(jié)左右（50個漢字左右）（見參考資料1）。因此，拉卡拉的傳輸效率看來不是問題。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性 拉卡拉用了一個取巧的方式。其先發(fā)送一段9600HZ的音頻信號，緊接著再發(fā)送一段表示同樣數(shù)據(jù)的4800HZ的音頻信號。如果手機能處理高頻率的信號，后面的低頻率信號就可以用來校驗前面的數(shù)據(jù)。如果前面的處理有問題，直接從后面拿低頻率的信號來處理也一樣可以保證拿到完整的數(shù)據(jù)。當然，我們還可以在數(shù)據(jù)本身叫上校驗和糾錯。 數(shù)據(jù)的安全性 官方說“拉卡拉手機刷卡器內(nèi)置有安全芯片，每一臺刷卡器對應(yīng)有唯一的銀行卡磁條信息保護密鑰。使用專用安全算法，保證一機一密，一次一密。用戶的個人密碼，采用RSA非對稱加密方法進行加密”。（見參考資料1） 但是根據(jù)我們觀察，貌似拉卡拉的電路板上并沒有特殊的安全相關(guān)模塊。整個體系也沒有使用CA證書做相關(guān)的電子簽名和身份認證。所以，其安全性還有待研究。 5.更多的可能性 拉卡拉的使用場景還是太簡單了。其基本上僅僅使用了一個刷卡后的信號通過音頻MIC線路傳輸給手機APP的功能。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也很簡單。其實相當于將數(shù)據(jù)從電路板發(fā)送到手機APP，通過L/R將數(shù)據(jù)從手機發(fā)送到電路板要更簡單、更高效，這一塊拉卡拉幾乎沒怎么用上。我們可以在這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上做更多雙向的數(shù)據(jù)通訊，把一些安全性要求更高的操作放到硬件上來完成，從而實現(xiàn)更高的安全保障，提供更多的功能，適用更多的應(yīng)用場景。 33 / 33