智能手機的數(shù)據(jù)端口解決方案

智能手機正在成為一種普及的計算和通信平臺。隨著每一代新一代智能手機在執(zhí)行曾經(jīng)需要計算機或?qū)Ｓ迷O備的過程和數(shù)據(jù)密集型應用程序方面變得更好?，F(xiàn)代GHz和多核處理器現(xiàn)在正在使用幾年前所需功率的一小部分來完成實時任務。

智能手機正在取代分立式手持式儀器，就像PC和筆記本電腦取代更大，更笨重，更昂貴的設備一樣：成為用戶界面和流程引擎。發(fā)生這種情況時，需要在夾式，插入式或無線傳感器/傳感器之間建立更好，更快的數(shù)據(jù)端口。

本文介紹了常見的智能手機數(shù)據(jù)端口，并介紹了工程師使用這些解決方案的方法連接各種傳感器和外圍設備，根據(jù)需要利用智能手機作為高分辨率顯示器，觸摸屏，流程引擎和鏈接到云。

一開始

早期的計算機使用像RS-232這樣的便捷串口連接外圍設備和終端以及計算機到計算機連接的事實標準。打印機，繪圖儀，編程器，在線仿真器以及各種通用和專用工具利用串行端口實現(xiàn)輕松通用的連接。然而，雖然智能手機上不再提供流行的基于UART的RS-232端口，但串行連接仍然是一種方式。最低成本和最簡單的I/O鏈路解決方案是音頻輸入和音頻輸出端口，它們是使用小型立體聲輸入/輸出音頻插孔即可訪問。例如，插入耳機插孔，提供兩個（立體聲44.1 KHz）音頻輸出，能夠使用低成本的雙絞線或屏蔽電纜可靠地傳輸兩個獨立的MODEM數(shù)據(jù)流。

這種解決方案很有吸引力，因為它是一種低成本，精心設計，易于理解的技術(shù)，由多家優(yōu)質(zhì)制造商提供支持。 Maxim 73M2901CE-IGV/F IC調(diào)制解調(diào)器就是一個很好的例子，其波特率為300波特至9600波特。由于音頻流是獨立的，因此您可以分離輸入和輸出數(shù)據(jù)速率。高噪聲環(huán)境可以使用更可靠的Bell 103A進行輸入，并在出路時使用9600波特V.32數(shù)據(jù)流。在這兩種情況下，這些都是相對較慢的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此這些類型的應用通常用于非數(shù)據(jù)密集和標記化控制和狀態(tài)。

多通道桶式插孔，如2.5 mm Tensility 50-00401可以在簡單的插入式電纜中提供單聲道輸入通道和立體聲輸出通道（圖1）。作為低成本的螺栓固定式傳感器接口，簡單的電路可以使用ASK，F(xiàn)SK或PSK調(diào)制為智能手機提供原始或處理過的數(shù)據(jù)。甚至頻率計數(shù)器模式也可以提供門控，更新的讀數(shù)。

圖1：成本最低的連接可以使用多聲道桶式插孔將音頻流輸入和走出智能手機。這里，兩個輸出流和一個輸入流共用一個公共接地外殼。

請注意，并非所有手機和/或平板電腦都具有直接單聲道或立體聲麥克風或線路輸入功能。一些支持帶麥克風的耳機可能會實現(xiàn)一個包含音頻的3聲道插頭。舊的粘貼式聲學耦合橡膠外殼和支架在這里不是一個優(yōu)雅的解決方案，但可以在手機或平板電腦OEM時使用作為設備的一部分。

值得注意的是，調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)速率限制主要受到承載信號的電話線特性的限制。由于電話線不再是限制因素，因此沒有理由不能使用音頻輸出端口或連接到智能手機的專用硬件來實現(xiàn)更高速的調(diào)制解調(diào)器。對于具有更高數(shù)據(jù)速率的卓越音頻通道的智能手機尤其如此。

IRDA收發(fā)器

可以利用成幀串行異步UART數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)的無線視距端口是IRDA。這些收發(fā)器是相對小尺寸，低成本的模塊，可放置在智能手機附近，并以小至2.5 mm的包裝從115.2 Kbit/sec傳輸?shù)? Mbit/sec數(shù)據(jù)速率。

盡管RF技術(shù)正在侵入用于遙控器的IR技術(shù)，但IR仍然是娛樂系統(tǒng)遙控器的主要領導者。這種大批量使用使這些部件保持低成本和競爭力，并使它們成為將智能手機和平板電腦的數(shù)據(jù)連接耦合的解決方案。

例如，考慮到Vishay TFDU4301-TT1 115.2 Kb/sec低-profile收發(fā)器，結(jié)合了IR發(fā)射器和PIN光電二極管（圖2）。遠程控制范圍高達12米，全雙工數(shù)據(jù)鏈路可在2.4 V下工作，并使用分離式電源，允許發(fā)射器和接收器使用不同的功率電平，可以獨立開關(guān)，并且可以小于1待機模式下的μA。

圖2：齊平或直角表面貼裝紅外線收發(fā)器模塊提供大批量的低成本優(yōu)勢

小型，高速鏈路可以使用Rohm RPM973-H11E2A等部件，支持更高速率的4 Mbit/sec數(shù)據(jù)速率。此功能還可以降至2.4 V，在空閑模式（1 mA）內(nèi)消耗更多功率，但包括功能內(nèi)置的完整遠程控制。這簡化了傳感器模塊的警報和警報類型，因為已建立的代碼集是開箱即用。

這些低成本收發(fā)器模塊捆綁在一起的技術(shù)數(shù)量非常之多。調(diào)制器和解調(diào)器有助于區(qū)分噪聲和信號。但請注意，像麥克風輸入插孔一樣，并非所有手機或平板電腦都具有IRDA，因此如果您的目標是您可能想要OEM或支持的特定智能手機或平板電腦，這是一種I/O技術(shù)。

USB

USB端口標準已成為有線外設的通用互連介質(zhì)。 USB長度限制在幾米，非常適合小巧緊湊的高速鏈路。但是，與其通用名稱不同，有幾種不同的標準和專有USB連接器。

最廣泛部署的USB是USB 2.x，其峰值大約為480 Mbits/sec。例如，傳統(tǒng)支持意味著USB 2.0仍將支持USB 1.1 12 Mbit/sec速率，因此鎖定到所需速率可確保未來幾代標準的可訪問性。

可以利用幾個優(yōu)秀的獨立USB外圍設備接口設備為現(xiàn)代手機創(chuàng)建緊湊的嵌入式附件。以Microchip的簡單14引腳MCP2221-I/SL為例。它直接從USB端接口和獲取電源，并提供本地端UART和I 2 C端口。這些都是大多數(shù)微控制器所共有的，使其易于直接連接。請注意GPIO矩陣，包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器（圖3）。這使得該部件成為一個很好的解決方案，因為它包含通用連接介質(zhì)中的通信和數(shù)據(jù)采集。

圖3：單芯片USB接口還包含用于外部通信的通用UART和I 2 C接口。 GPIO引腳可以是數(shù)字輸入或輸出，也可以是模擬。

USB的一個有趣的好處是它提供了一個可橋接的單片方式，可以連接到各種固定功能，如以太網(wǎng)，ATA， SMBus和SPI，僅舉幾例。關(guān)于下一代智能手機是否需要實施USB 3.x或是否代表太多成本和復雜性問題，仍在繼續(xù)爭論。 5 Gbit/sec數(shù)據(jù)速率比480 Mbit/sec數(shù)據(jù)速率2.0快一個數(shù)量級，但3.1 10 Gbit/sec風味即將到來。

無需電線

p>

無線互連技術(shù)為分布式傳感器陣列應用提供了最佳解決方案。許多優(yōu)秀的高速無線協(xié)議可用于將來自各種共址位置的數(shù)據(jù)路由到中央處理單元和通信集線器。

雖然智能手機和連接的平板電腦可能內(nèi)置3G和4G連接，這不是連接本地化傳感器的方法。這些蜂窩網(wǎng)絡在全球范圍內(nèi)運行，國家和國際法律和標準可能禁止私人部署競爭的無線電波鏈路。但是，對于某些應用程序，這種特殊的一致性和許可可能不是問題;如果利用全球蜂窩網(wǎng)絡是您設計的一部分，那么像Lime Microsystem LMS7002M這樣的蜂窩連接設備可以為全球連接提供CDMA，GSM，HSPA，LTE，TD-SCDMA和WCDMA協(xié)議覆蓋。

大多數(shù)設計的實用方法是利用廣泛部署和低成本的無線協(xié)議，大多數(shù)智能手機和平板電腦都提供直接支持。使用單片Wi-Fi收發(fā)器芯片的一個優(yōu)點是能夠創(chuàng)建相當龐大的分布式傳感器網(wǎng)絡?？梢圆渴鸬统杀镜臒o線路由器和交換機，并且可以遠距離傳輸傳感器信息。

TI支持的簡單支持部件如TI的SimpleLink系列產(chǎn)品CC3100R11MRGC封裝了2.4 GHz 16 Mbit/sec Wi-Fi 802.11 b/g/n功能網(wǎng)絡以及內(nèi)部ARM處理器。針對物聯(lián)網(wǎng)（IoT），嵌入式堆?？赏瑫r處理八個TCP或UDP套接字以及兩個同時使用的TLS和SSL套接字，為幾乎任何傳感器提供足夠的高速連接。然而，真正的高清和高幀率視頻可能是一個問題，特別是如果它具有擴展的調(diào)色板和紅外靈敏度。

大多數(shù)智能手機和平板電腦實現(xiàn)的其他常見協(xié)議與傳感器陣列一起使用的是藍牙，尤其是藍牙低功耗。同樣，由于傳統(tǒng)支持和雙模設備，可以利用低速模式以及更高速模式。對于1 Mbit及以下的部件，STMicroelectronics BLUENRGQTR（該公司BlueNRG系列的成員）等部件利用了4.x版的藍牙低能耗模式。嵌入式ARM處理器具有完整的嵌入式協(xié)議棧，可提供完整的鏈路控制和主機安全性（圖4）。更重要的是，這部分可以在繪制10 mA峰值時充當主設備或從設備。

圖4：專用通信外圍設備芯片實現(xiàn)了RF收發(fā)器以及電源管理，安全性，I/O和時序，使這些部件成為低功耗和分布式智能手機傳感器陣列的理想解決方案。

當需要54 Mbit/sec的速度來更高速地連接到要求更高的傳感器時，模塊化的EPCOS（TDK）模塊值得考慮。 B30931D7020Y918的工作電壓為1.8 V，提供UART輸出，便于嵌入式接口。接收時最高可達65 mA，傳輸時最高可達345 mA。如果54 Mbit/sec的速度讓這個單元更快地進入睡眠狀態(tài)，整體功率可能會降低。

總的來說，工程師應該注意開放插座的數(shù)量或系留設備的數(shù)量可能分別是對Wi-Fi和藍牙的限制，因此在提交之前驗證您的拓撲約束。

可以使用的其他接口是可用于傳輸高速數(shù)據(jù)的視頻流（如果你不關(guān)心影響顯示器）。顯示存儲器可用于存儲HDMI端口的數(shù)據(jù)塊，例如，重復突發(fā)。雖然對于輸出數(shù)據(jù)的高速突發(fā)可能是一個新穎的想法，但這對大多數(shù)人來說并不實用。

正如我們在本文中所展示的那樣，對于大多數(shù)應用來說，插件和無線端口都是現(xiàn)代的智能手機和平板電腦足夠靈活，支持得足以處理在不久的將來可能出現(xiàn)的任何傳感器問題。因此，請選擇您的技術(shù)并繼續(xù)。