【正文】 成的例子可以證明這個(gè)在音頻設(shè)備間使用數(shù)字信號(hào)的想法是可行的呢？電話。電話在撥號(hào)時(shí)發(fā)出不同音高的聲音不是偶然的，每個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)一個(gè)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(hào)碼，再按照既定的程序接通對(duì)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(hào)的傳遞和轉(zhuǎn)換，完成了對(duì)遠(yuǎn)程終端的控制。而如果我們把這種做法更復(fù)雜化點(diǎn)，就是所謂撥號(hào)上網(wǎng)。不過，這個(gè)信號(hào)的傳遞所使用的頻率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)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(jiǎn)化掉了，因?yàn)槲覀冎恍枰?或1，或者多幾個(gè)數(shù)字而已?，F(xiàn)在回頭討論下，為什么要利用電話上網(wǎng)。原因很簡(jiǎn)單，電話是最普及的音頻設(shè)備，甚至說是最普及和最簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程通信裝置，即使在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代也是這樣。電話線的覆蓋范圍基本是100%，而移動(dòng)通信的信號(hào)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(jī)，mp3，電腦，這些最常見的電子設(shè)備，都有一個(gè)共同音頻端口，我們甚至沒有必要為這個(gè)端口做特別的修改，就能做很多事情，比如手機(jī)與單片機(jī)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(duì)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(gè)簡(jiǎn)單的放大器電路，一個(gè)寫好的通信協(xié)議，也能完成類似的事情。事實(shí)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(qǐng)去電子市場(chǎng)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(guó)外，偉大的極客們?cè)缇臀虺稣l也無法鎖死音頻端口的事實(shí)。不信，看看這個(gè)iphone蓋革管計(jì)數(shù)器。注意連接方式。 首先是簡(jiǎn)單的電路部分。我們要做到單片機(jī)對(duì)音頻信號(hào)的讀取，就需要一個(gè)簡(jiǎn)單的放大電路。因?yàn)殡娔X音頻輸出大概只有幾十毫伏，而arduino使用的avr單片機(jī)數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的高電平則是5v。幸運(yùn)的是，因?yàn)槲覀冃枨蟮氖呛?jiǎn)單的只有高低電平的數(shù)字信號(hào)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)大電阻讓放大倍數(shù)足夠使arduino識(shí)別高低電平就可以了。另外記住，lm358輸出的信號(hào)和原來的信號(hào)是反向的，高低電平會(huì)調(diào)置。國(guó)外那個(gè)網(wǎng)站（就是做Audioserial軟件的那個(gè)用的是lm324，是4個(gè)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(gè)接線圖，注意這個(gè)圖是為了省空間在元件下面走線了。一般電腦是兩個(gè)聲道，充分利用了lm358的兩個(gè)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?？纯次易约罕哂枚鷻C(jī)改的插頭吧。建議用銅絲擰成圈固定這個(gè)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(hào)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(gè)聲道。如果這些都做好，并且，沒有啥故障的話，那么就可以進(jìn)入軟件方面的設(shè)計(jì)和調(diào)試了。音頻信號(hào)頻率計(jì)為了驗(yàn)證單片機(jī)可以順利的讀取高低電平信號(hào)并研究這個(gè)信號(hào)頻率上的范圍和精度，也為了研究arduino時(shí)鐘的設(shè)置，我制作了一個(gè)音頻信號(hào)頻率計(jì)，（就是均勻交替的高低電平信號(hào)），通過計(jì)時(shí)器，得到方波每個(gè)波谷的長(zhǎng)度（因?yàn)槭莑m358反置），進(jìn)而計(jì)算出這個(gè)方波的頻率。首先我們要討論的是，計(jì)時(shí)器。為了了解單片機(jī)上計(jì)時(shí)器的原理，我們先從最原始的計(jì)時(shí)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(yùn)動(dòng) 拉卡拉手機(jī)刷卡器音頻通訊技術(shù)原理初步分析發(fā)布時(shí)間:20135161.拉卡拉刷卡器 大家都知道，拉卡拉就是一個(gè)手機(jī)刷卡器。拉卡卡、智能手機(jī)、拉卡拉軟件、網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了一個(gè)完整的、更強(qiáng)大的POS系統(tǒng)。為什么說更強(qiáng)大呢？因?yàn)樵谑謾C(jī)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(gè)是銀聯(lián)的POS所嚴(yán)重缺乏的。目前來說，移動(dòng)支付里，最方便的肯定是支付寶的快捷支付；但考慮國(guó)內(nèi)目前的安全環(huán)境，用戶把銀行卡和密碼托管給一個(gè)網(wǎng)站來管理，明顯不如用的時(shí)候輸入一下的方式更能被接受。相對(duì)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(jī)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(chǎng)景比一些其他的移動(dòng)支付方式更有優(yōu)勢(shì)。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(gè)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(dāng)然除了這個(gè)東西，下面還有個(gè)耳機(jī)插頭、側(cè)面還有一個(gè)刷卡的槽。 總體來說，這個(gè)電路板很簡(jiǎn)單。 一個(gè)電池就占了絕大部分地方，導(dǎo)致整個(gè)拉卡拉個(gè)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(duì)應(yīng)于耳機(jī)插頭上的4個(gè)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(jī)往外輸出信號(hào)的接口，M是輸出信號(hào)到手機(jī)的接口。需要注意的是并不是所有的順序都想右圖所示。因?yàn)榇嬖趦蓚€(gè)不一樣的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。像聯(lián)想、中興等大部分國(guó)產(chǎn)手機(jī)都是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，跟右側(cè)的圖一樣的順序。而iphone、htc、三星、小米等手機(jī)都是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，M和Gnd的順序是反向的。拉卡拉的某些版本可以自動(dòng)識(shí)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(hào)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(gè)系統(tǒng)的核心。在手機(jī)應(yīng)用里點(diǎn)擊刷卡時(shí)，音頻信號(hào)通過L或R從手機(jī)發(fā)送到電路板，通過A\D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)。刷卡時(shí)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(jī)。當(dāng)然手機(jī)APP應(yīng)用里在信號(hào)出入的時(shí)候，也需要做相應(yīng)的A\D編解碼工作，這個(gè)也是手機(jī)APP里最重要的工作。 3.刷卡支付流程 手機(jī)與拉卡拉音頻通訊示意圖 手機(jī)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(jī)上打開拉卡拉的應(yīng)用。點(diǎn)擊刷卡。 手機(jī)應(yīng)用會(huì)調(diào)用android api的AudioTrack，通過L和R線路給拉卡拉手機(jī)刷卡設(shè)備發(fā)送一段通知信號(hào)（L和R表達(dá)的信息是一樣的，只是波形是反相的，L的高電平對(duì)應(yīng)于R的低電平，還沒搞清楚拉卡拉為什么這么設(shè)計(jì)）。 芯片上的通訊模塊拿到音頻信號(hào)，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(hào)，同M線路發(fā)送給手機(jī)。 手機(jī)APP通過AudioRecord對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣，拿到數(shù)字信號(hào)。 手機(jī)APP程序通過對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解碼，拿到實(shí)際的數(shù)據(jù)信息，即卡的信息。 如果刷卡失敗，則手機(jī)APP拿到的是一段失敗提示信息。 至此手機(jī)與刷卡器的通訊完成，手機(jī)APP再使用此卡的信息與拉卡拉的服務(wù)器端后臺(tái)通訊，處理后續(xù)支付操作。 其中的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是（細(xì)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(hào)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(yàn)和糾錯(cuò)，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(jī)線傳輸一般是1250HZ~9600HZ之間的交流音頻信號(hào)。信號(hào)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(duì)拉卡拉的輸入輸出信號(hào)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(hào)。 耳機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)的問題 。 不同android手機(jī)的問題 a)我們發(fā)現(xiàn)，在個(gè)別手機(jī)上，接收到的音頻波形跟其他手機(jī)相比，是反相的。即高電平的波峰變成了低電平的波谷。這個(gè)問題可以在解碼的時(shí)候，根據(jù)特定的前導(dǎo)碼來判斷。 b)手機(jī)Mic采樣到的音頻信號(hào)電平可能會(huì)不一樣。例如同一段音頻信號(hào)，使用A手機(jī)AudioRecord采樣出來，波峰的值大概是32000；另外找一個(gè)手機(jī)可能是3200，根據(jù)我們的多種不同手機(jī)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)可以相差10倍。處理方法是，可以額外的進(jìn)行一次處理，先歸一化；或者是濾波的時(shí)候，動(dòng)態(tài)的根據(jù)峰值來調(diào)整閾值。 c)有些手機(jī)的Mic不認(rèn)非標(biāo)準(zhǔn)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(huì)報(bào)錯(cuò)；改成44100就沒有問題。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?每次通訊報(bào)文在100字節(jié)左右（50個(gè)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?zhǔn)確性 拉卡拉用了一個(gè)取巧的方式。其先發(fā)送一段9600HZ的音頻信號(hào)，緊接著再發(fā)送一段表示同樣數(shù)據(jù)的4800HZ的音頻信號(hào)。如果手機(jī)能處理高頻率的信號(hào)，后面的低頻率信號(hào)就可以用來校驗(yàn)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(hào)來處理也一樣可以保證拿到完整的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，我們還可以在數(shù)據(jù)本身叫上校驗(yàn)和糾錯(cuò)。 數(shù)據(jù)的安全性 官方說“拉卡拉手機(jī)刷卡器內(nèi)置有安全芯片，每一臺(tái)刷卡器對(duì)應(yīng)有唯一的銀行卡磁條信息保護(hù)密鑰。使用專用安全算法，保證一機(jī)一密，一次一密。用戶的個(gè)人密碼，采用RSA非對(duì)稱加密方法進(jìn)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(gè)體系也沒有使用CA證書做相關(guān)的電子簽名和身份認(rèn)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(chǎng)景還是太簡(jiǎn)單了。其基本上僅僅使用了一個(gè)刷卡后的信號(hào)通過音頻MIC線路傳輸給手機(jī)APP的功能。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也很簡(jiǎn)單。其實(shí)相當(dāng)于將數(shù)據(jù)從電路板發(fā)送到手機(jī)APP，通過L/R將數(shù)據(jù)從手機(jī)發(fā)送到電路板要更簡(jiǎn)單、更高效，這一塊拉卡拉幾乎沒怎么用上。我們可以在這個(gè)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(shí)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(chǎng)景。 33 / 33