一种声波通信系统的制作方法

本发明属于通信领域，尤其涉及一种声波通信系统。

背景技术：

目前已开发的下位机大多采用蓝牙模块与上位机进行通信。一方面蓝牙芯片功能的高复杂度增大了下游厂商的产品开发难度，提高了产品的研发成本；另一方面也造成了蓝牙芯片功能和成本的浪费。因此，为缩短产品的研发周期和节约生产成本，本发明首次采用声波通信方式替代蓝牙通信方式，实现了智能下位机与上位机的数据通信。

从用户体验上来看，蓝牙通信方式的使用过程较为复杂，部分使用者不易操作和和掌握，导致用户体验较差；而本发明采用的声波通信方式功能单一，使用便捷，降低了下位机与上位机通信的操作难度，用户体验较好。另外，目前市面上的蓝牙售价均较高，导致消费者望而却步，购买热情大打折扣；本发明提出的声波通信系统，大大降低了生产的成本，并且易于操作。

技术实现要素：

为解决生产成本及操作难易度问题本发明提供了一种声波通信系统，包括：上位机1和下位机2；

其中，所述上位机1包括主控单元8，用于对指令信号进行编码；上位机发送单元7，用于向下位机接收单元3发送编码后的指令信号；上位机接 收单元6，用于接收下位机发送单元4发送的指令信号；所述下位机2包括单片机5，用于对下位机接收单元3收到的指令信号进行处理并对处理过的信号作出反馈信号，将反馈信号通过下位机发送单元4向上位机接收单元6发送；下位机接收单元3，用于接收上位机发送单元7发送的指令信号并发送给单片机5；下位机发送单元4，用于发送单片机5的指令信号；所述下位机发送单元4包括扬声器；所述指令信号的通信频率小于系统采样频率的一半。

进一步，在本发明中，所述下位机接收单元3包括：声波接收电路301，用于接收上位机发送单元7发送的声波信号，并将声波信号转化为电信号；前置滤波电路302，与声波电路连接301，并对声波电路连接301接收到的电信号进行滤波处理；信号放大电路303，与前置滤波电路302连接，并对经过前置滤波电路302滤波后的电信号放大；以及二级滤波电路304，和信号放大电路303连接，并对经过信号放大电路303放大后的电信号二次滤波。

进一步，在本发明中，所述声波接收电路301包括驻极体专用芯片，所述驻极体专用芯片包括：

BIAS引脚，与一电阻的一端串联，电阻的另一端连接咪头的正极，其中所述咪头用于将接收到的声波信号转化为电信号；

IN引脚，与第一电容的一端串联，第一电容的一端与电阻和咪头的连接处串联；

VCC引脚，与第二电容的一端连接，第二电容的另一端和咪头的负极连接并接地；

OUT引脚，与第三电容与第四电容并联。

进一步，在本发明中，所述驻极体专用芯片还包括总控制信号引脚SHDN，其中所述总控制信号引脚SHDN连接有用于稳压的DC-DC转换器。

进一步，在本发明中，所述信号放大电路303包括双电源运放芯片，其中所述双电源运放芯片用于将电信号放大。

进一步，在本发明中，所述二级滤波电路304包括运放芯片，其中所述运放芯片用于对电信号二次滤波。

进一步，在本发明中，所述下位机接收单元3将指令信号滤波、放大、二级滤波后，经过A/D模数采集模块9进行模数转换发送给单片机5。

进一步，在本发明中，所述A/D模数采集模块9的采样模式选择循环采样模式，其中所述A/D模数采集模块9内设置有一个或多个选择器，所述A/D模数采集模块的采样通道连接到该一个或多个选择器的输入端口，每个所述选择器的输出端口连接到所述A/D模数采集模块9的任一个模拟输入I/O口。

进一步，在本发明中，所述上位机发送单元7包括音频播放子单元。

进一步，在本发明中，所述上位机1中上位机发送单元7发送方式按照报文格式将数据填充到报文里，对报文进行编码，然后进行FSK调制，调制到高频，并通过所述音频播放子单元向下位机接收单元3发送。

本发明有如下有益效果，对于声波通信，比蓝牙通讯更简单且容易操作；声波通信的成本远远低于蓝牙。

附图说明

图1是本发明实施例的一种声波通信系统的流程图；

图2是本发明实施例的一种声波通信系统的声波接收流程图；

图3是本发明实施例的一种声波通信系统的下位机接收单元声波接收电 路的电路图；

图4是本发明实施例的一种声波通信系统的DC-DC稳压电路图；

图5是本发明实施例的一种声波通信系统的信号放大电路图；

图6是本发明实施例的一种声波通信系统的二阶高通滤波电路图；

图7是本发明实施例的一种声波通信系统的二阶低通滤波电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

音频信号(Audio)是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化的信息载体，它是一种连续变化的模拟信号。音频信号有三个重要参数：信号频率、信号幅度A和信号相位，可以改变信号的参数特性实现声波通信，对应通信方式有频移键控、幅移键控、以及相移键控。三种通信方式各有优劣，项目设计过程中需要根据具体情况进行分析，本发明采用改变音频信号频率的频移键控方式实现声波通信。

图1是本发明实施例的一种声波通信系统的流程图。

如图1所示，所述声波通信系统包括上位机1和下位机2两个模块，其中上位机1包括上位机发送单元7、上位机接收单元6和主控单元8三个单元，主控单元8将指令信号以报文形式将数据填充到报文中，对报文进行编码，然后进行FSK调制，调制到高频，在通过上位机发送单元7的音频喇叭发送给下位机的下位机接收单元3；上位机接收单元6用于接收下位机2中下位机发送单元4发送来的指令信号，对接收到的指令信号进行处理并发送给主控单元8。

下位机2包括下位机接收单元3、下位机发送单元4和单片机5，其中下位机接收单元3包括声波接收电路301，用于接收上位机发送单元7发送的声波信号，并将声波信号转化为电信号；前置滤波电路302，与声波电路连接301，并对声波电路连接301接收到的电信号进行滤波处理；信号放大电路303，与前置滤波电路302连接，并对经过前置滤波电路302滤波后的电信号放大；及二级滤波电路304，和信号放大电路303连接，并对经过信号放大电路303放大后的电信号二次滤波，并将经二次滤波后的电信号发送给单片机5，需要说明的是在下位机接收单元3和单片机5之间还连接有A/D模数采集模块9，A/D模数采集模快将下位机接收单元3接收到的声波信号转换成数字信号在发送给单片机5，单片机5接收到该数字信号后，对该信号进行处理并作出反馈；下位机发送单元4接收单片机的指令信号并将该指令信号通过扬声器以声波的形式发送给上位机1中的上位机接收单元6。

通常来说，人耳能听到的音频信号频率范围在20～20000kHz，而对低于20Hz和高于20kHz的音频信号已经无法进行辨别。根据采样定理，当设备采样频率大于音频信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。设置过低的采样率会使采样后的数字信号损失原始信号的信息，而使用过高的采样率没有多少分析价值，人耳已经无法进行辨别，因此一般主流设备的采样率都设置为44.1kHz，就可以满足常规视听需求。

需要说明的是，在整个声波通信系统中所有指令信号的通信频率小于或等于系统采样频率的一半。

图2是本发明实施例的一种声波通信系统的声波接收流程图。

如图2所示，所述下位机接收单元3包括；声波接收电路301，用于接 收上位机发送单元7发送的声波信号，并将声波信号转化为电信号；前置滤波电路302，与声波电路连接301，并对声波电路连接301接收到的电信号进行滤波处理；信号放大电路303，与前置滤波电路302连接，并对经过前置滤波电路302滤波后的电信号放大；及二级滤波电路304，和信号放大电路303连接，并对经过信号放大电路303放大后的电信号二次滤波，在下位机接收单元3和单片机5中间还连接有A/D模数采集模块9。

优选地，声波接收电路301可以包括驻极体专用芯片，所述驻极体专用芯片可以采用MAX9812L芯片。

优选地，MAX9812L芯片的工作电压范围为2.7V～3.6V，所述驻极体专用芯片MAX9812L的一引脚连接有咪头，咪头用于将声信号转化为电信号，其中咪头偏压为2.2V左右，由于MAX9812L芯片的供电电压范围较小，使用过程中电源易受限制，因此本发明实施例中的芯片MAX9812L添加DC-DC转换器，其中DC-DC转换器具有升压作用，将声波接收电路301的供电电压范围扩展到DC3～12V。

优选地，信号放大电路303可以采用双电源运放芯片，其中双电源运放芯片可以采用OP07CP芯片，所述OP07CP双电源运放芯片用于放大电信号。

优选地，二级滤波电路304包括二阶高通滤波和二阶低通滤波级联的二阶带通滤波电路，二阶高通滤波电路和二阶低通滤波电路均可以采用运放芯片，其中运放芯片可以采用OP07CP，所述OP07CP运放芯片用于对电信号进行二次滤波。

具体地，声波信号接收模块的工作原理如下：首先通过声波接收电路301接收上位机1发出的声波指令信号，由于声波指令信号在传输过程中会夹杂 一些环境噪声，声波接收电路301在接收过程中也会引入干扰信号，因此需要在声波接收电路301后接前置滤波放大电路，对噪声和干扰信号进行滤除。由于声波接收电路301接收到的声波信号幅值很小(几百mV级)，为便于后续电路处理，需要将滤波后的声波信号经放大电路将幅值放大到合理范围。同样，前置滤波电路302未能消除的干扰噪声也会被放大电路放大，在信号放大电路303之后接二级滤波电路304对噪声干扰信号进行衰减。经过声波信号接收模块的滤波、放大等硬件处理，声波信号转换后的电信号质量较好，可以直接送入A/D模数转换器进行A/D转换，将模拟电信号转换为数字信号，传输到单片机主控模块进行解码处理。

图3是本发明实施例的一种声波通信系统的下位机接收单元声波接收电路301的电路图。

声波接收电路301如图3所示，其中声波接收电路301的驻极体专用芯片优选地的可以采用MAX9812L实现声波信号的处理。其中，优选地，第一电容C9为0.1uF、第二电容C8为0.1uF、第三电容C6为0.1uF、第四电容C7为0.1uF、第五电容C5为0.1uF和第一电阻R2为2.2KΩ。

MAX9812L是一款低成本、高性能的麦克风放大器，它具有单声道输入、20dB固定增益以及内置低噪声麦克风偏置等特性，封装尺寸小，适用于诸如笔记本电脑、手机、数码相机以及掌上电脑等便携式音频装置。MAX9812L的放大器增益带宽为500kHz，输出可达满摆幅，具有业界顶级水平的100dB电源抑制比，极低的THD+N(0.015％)。除此之外，MAX9812L还具有一系列节电特性：其电源电流仅为230μA，整体关断模式可将电源电流及偏置电流总和降至100nA。

图4是本发明实施例的一种声波通信系统的DC-DC稳压电路图。

如图4所示，其中，优选地，C1为1000uF、C2为0.1uF、C3为10uF、C4为0.1uF及R1为100Ω。DC-DC稳压电路目的为实现芯片MAX9812L的电压保持在其工作范围内，MAX9812L的工作电压范围为2.7V～3.6V，所述驻极体专用芯片MAX9812L的一引脚连接有咪头，咪头用于将声信号转化为电信号，其中咪头偏压为2.2V左右。由于MAX9812L芯片的供电电压范围较小，使用过程中电源易受限制，因此本发明通过添加DC-DC转换器，其中DC-DC转换器具有升压作用，将声波接收电路301的供电电压范围扩展到DC3～12V。

图5是本发明实施例的一种声波通信系统的信号放大电路303图。

如图5所示，信号放大电路303可以包括双电源运放芯片，其中，优选地，所述双电源运放芯片可以采用OP07CP，图中，优选地，R1为10KΩ、R2为80KΩ及R4为5KΩ，Vin为信号输入端，Vout为信号输出端，由电路参数可得到信号放大电路303的增益为

信号放大电路303输出的信号为交流信号，不能通过A/D模数转换器直接进行转换，需要将交流信号经适当直流偏置为直流信号，然后通过A/D转换器进行模数转换。

本发明实施例A/D模数采集模块(9)的采样模式选择循环采样模式，其中所述A/D模数采集模块(9)内设置有一个或多个选择器，所述A/D模数采集模块的采样通道连接到该一个或多个选择器的输入端口，每个所述选择器的输出端口连接到所述A/D模数采集模块(9)的任一个模拟输入I/O口。

优选地，A/D模数采集模块(9)的芯片选用MSP430F149芯片，单片机MSP430F149芯片内部自带ADC12采样模块，对内部A/D转换器进行相应的设 置即可实现将直流偏置后的模拟信号转换为数字信号。本发明实施例中设置A/D采样频率为781.25Khz，采样模式选择ADC12的repeat sequence模式，16个采样通道都设为A₀模拟输入模式。

可选地，采用通道的选择器可以为四选一、八选一等等；其中，选择器的输出端同时连接到芯片的A₀模拟输入I/O口。

图6和图7是本发明实施例的一种声波通信系统的二级带通滤波电路图。

如图所示，其中，二级带通滤波电路包括二阶高通滤波电路和二阶低通滤波电路，其中二阶高通滤波电路和二阶低通滤波电路都可以包括运放芯片实现，优选地，运放芯片可以采用OP07CP，二阶高通滤波电路的截止频率和通带增益分别为：

F₀＝1/(2*PI*squre(R4*R5*C1*C2))

$A_0=1+\frac{R_2}{R_1}$

经计算得截止频率F₀＝14.4kHz，通带增益A₀＝4。

二阶低通滤波电路的截止频率和通带增益分别为：

F₀＝1/(2*PI*squre(R3*R4*C1*C2))

$A_0=1+\frac{R_2}{R_1}$

经计算得截止频率F₀＝15.9kHz，通带增益A₀＝4。

需要说明的是，本发明采用的芯片并非唯一，上述电路所用芯片为本发明的一种优选方案，其中上位机1可以为手机、笔记本等等通信设备，本发明提供的声波通信系统可以用于各种场景中，例如智能称重系统，下面上位机为手机为例介绍。

单片机的一引脚连接有压力传感器，另一引脚连接有显示LCD显示屏，手机作为上位机来作为控制和指令信号处理中心。

用户通过站在压力传感器做成的称重平台上即可通过单片机将测量数据显示在LCD液晶屏上，并通过发送单元发送给用户手机，用户可以通过操作手机由手机的扬声器以声波信号形式向下位机的接收单元发送新的指令，下位机接收单元接收来自手机扬声器传来的声波指令信号并作出相应处理。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。