О передаче данных через аудиоразъём

Обзор

Одним из важных интерфейсов на мобильных устройствах и планшетных компьютерах является разъём для наушников/микрофона. Однако не стоит думать, что он предназначен только для колонок-наушников-микрофона – его можно использовать в том числе для передачи данных. Об этом пойдет речь в данной статье.

Альтернативные способы использования звукового разъёма для подключения сторонних устройств постоянно обновляются. Периферийные устройства, например, глюкометр iHealth Lab (определяющий уровень сахара в крови), Irdroid – ИК-пульт для дистанционного управления телевизором, приставками и звуковыми компонентами и Flojack – устройство чтения NFC (организующее радиосвязь между находящимися рядом мобильными устройствами) – всё это стало возможным благодаря наличию звукового разъёма.

Поскольку рынок мобильных и периферийных устройств имеет большое число потенциальных клиентов, я считаю, что разъём для наушников будет основным портом для передачи информации в скором времени. В этой статье я подробнее расскажу о данной функции.

Введение

Интерфейс звукового разъёма имеет два стандарта: OMTP и CTIA. OMTP – это международный стандарт; ATIS – Американский стандарт, используемый в таких устройствах как Apple iPhone и iPad. Они отличаются V-микрофоном, а также расположением заземления; отличия показаны ниже:.

Image may be NSFW.
Clik here to view.
OMTP и CTIA

Как передаются данные

Когда мы отправляем 0x00FF данных, первый шаг – это преобразование цифровых данных в аналоговые. Поэтому нужно модулировать значение данных. Как правило, для этого используется синусоидальный носитель волн для аналогового сигнала

Image may be NSFW.
Clik here to view.
FSK-модуляция сигнала

Второй шаг в устройствах Android – обращение к audioTrack API – функции, используемой для проигрывания. Следующий код отправляет данные в буфер, используя для этого функцию audioTrack.

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);
	}

Получение данных

В приёмнике необходимо перевести аналоговый сигнал в значение данных, демодулировать сигнал, чтобы удалить входящий сигнал, и декодировать данные в соответствии с протоколом. Протокол может быть в формате общедоступных данных или частных.

Image may be NSFW.
Clik here to view.
Демодуляция сигнала

В системах с ОС Android мы используем функцию audioRecord API записи звука:

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();
	   }

Как извлечь энергию звуковых сигналов

Очевидно, что для накопления на цепи питания для периферийных устройств требуется определённая мощность. Например, L-канал передаёт данные. R-канал отправляет устойчивый квадрат или синус сигнала. Эти сигналы могут быть преобразованы MCU (блок контроллеров Micro) и несколькими датчиками.

История успеха: ИК периферийные устройства

Androlirc – это проект на базе Github. Его функции можно использовать для отправки в приложение инфракрасного интерфейса звукового разъёма. Можно изучить этот проект для понимания процесса обмена данными через звуковой разъём. Androlirc использует LIRC-библиотеку для создания записи в буфере данных. Данная библиотека является ИК-библиотекой под Linux, которая поддерживает несколько типов интерфейсов, например USB, звуковой разъём и т.д. Androlirc позволяет использовать библиотеку LIRC для накопления данных. На рынке вы можете найти множество инфракрасных кодирующих типов, таких как протоколы RC-5 и RC-6. В приведённом примере мы используем протокол RC-5 для управления телевизором. Во-первых, мы должны модулировать значение данных с использованием 38k синусоидальныого сигнала, чтобы генерировать данные буфера. Затем мы используем Android audio API для воспроизведения звука из буфера данных. В то же время мы используем один из двух каналов для воспроизведения синуса или квадратного сигнала питания на оборудовании периферийных устройств.

История успеха: звуковой разъём для разработчиков

Новое решение от NXP Semiconductors, Quick-Jack – устройство на базе прототипа под названием Hijack. Hijack – это проект студентов университета Мичиган. Платформа Hijack позволяет создавать новый класс компактных, дешёвых, ориентированных на телефон датчиков периферийных устройств с поддержкой операций plug-and-play. Можно использовать платы NXP Quick-Jack для создания прототипа.

Ниже показан смартфон, отображающий температуру внутри помещения с помощью температурного датчика на базе аудиоразъёма. Через него же осуществляется управление светодиодным индикатором периферийных устройств с помощью приложения на базе ОС Android.

Image may be NSFW.
Clik here to view.

Image may be NSFW.
Clik here to view.
Значение температуры, полученное с помощью Quick-Jack; через него же осуществляется управление светодиодным индикатором

Сводная информация

Носимые устройства с возможностью подключения периферии всё чаще появляются на потребительском рынке. Звуковой разъём как функция для передачи данных используется ODM-производителями всё активнее. Возможно, в будущем функция передачи данных через этот разъём будет поддерживаться мобильными ОС по умолчанию.

Ресурсы

1. http://www.ihealthlabs.com/glucometer/ihealth-align/
2. http://www.irdroid.com/
3. https://www.kickstarter.com/projects/flomio/flojack-nfc-for-ipad-and-iphone
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Phone_connector_(audio)
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Frequency-shift_keying
6. http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4676
7. http://developer.android.com/reference/android/media/AudioTrack.html
8. http://developer.android.com/reference/android/media/AudioRecord.html
9. https://github.com/zokama
10. http://lirc.org
11. http://www.nxp.com/news/press-releases/2014/05/nxp-unveils-smartphone-quick-jack-solution-transforming-audio-jack-into-multi-purpose-self-powered-data-port.html
12. http://web.eecs.umich.edu/~prabal/projects/hijack/

Об авторе

Лианг Ли получил степень магистра в области изучения сигналов и обработки данных в технологическом университете Changchun. Он пришел в корпорацию Intel в 2013 г. как Android-инженер в китайском подразделении. Сейчас он занимается созданием функций, которые бы позволили Android получить конкурентные преимущества (например, отображение нескольких окон приложений одновременно и прочее).