使用4P音频插头向具有有源噪声抵消的耳机提供功率和信号的向后兼容的系统以及方法

摘要

公开了一种用于在电子设备中使用4P音频插头来向具有有源噪声抵消(ANC)的耳机以及需要外部功率的附件提供功率和信号的向后兼容的系统以及方法。该方法包括在检测到附件插入之后在电子设备处自动地判定附件类型，以及至少基于所判定的附件类型和附件输入信号来选择适当的附件通信模式。附件通信模式可以是附件功率模式或者附件麦克风模式。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2015年2月25日提交的、名称为“BackwardCompatible System and Method for Using 4P Audio Jack to Provide Power andSignal to Headset with Active Noise Cancellation”的美国临时专利申请62/120,457的优先权，该美国临时专利申请以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明总体上涉及经由电子设备上的音频端口进行附件管理和数据通信。

背景技术

音频插座已普遍用于诸如计算机、膝上型计算机、媒体播放器、智能电话等之类的各种电子设备中，以与具有音频插头的音频附件进行通信。最常用的插塞具有2.5mm、3.5mm或6.35mm(1/4英寸)配置，该插塞具有对单声道、立体声或立体声加麦克风兼容的2个、3个或4个导体(2P、3P或4P)。立体声3.5mm插头可以用于线路输入/输出、耳机输出、扬声器输出、麦克风输入等。在较早的电子设备中常用三导体连接器，而在包括大部分智能电话的现代电子设备中则较为常用4导体3.5mm连接器。

2导体插头被称为TS连接器，其具有用于单声道音频通信的尖和套。3导体插头被称为TRS连接器，其具有用于立体声音频通信的尖、环和套。4导体插头通常被称为TRRS连接器，其具有用于立体声加麦克风线路通信的尖、两个环以及套。在某些情况下，期望使用TRRS插头将附加音频和/或数据信号传输到主机电子设备。

除了从电子设备接收音频信号输入之外，诸如具有有源噪声控制(ANC)的耳机之类的一些音频附件还需要功率输入，以操作其噪声控制电路。传统上，ANC耳机由独立的电池供电，这导致耳机尺寸庞大并且工作时间受限。

已经努力探索了使用音频插头连接的其它潜在的应用。最近已经提出并开发了5导体插头。然而，难以使这些5导体插头向后兼容大部分现代电子设备。5导体插头的消费类连接器和硬件需要附加成本。鉴于具有不同特性和优选设置的音频附件的多样性，期望经由具有向后兼容性的4P音频端口来提供改进的附件管理和信号通信，以支持电子设备与附件之间的交互。

发明内容

本发明涉及附件管理和数据通信，更具体而言，涉及用于在电子设备中使用4P音频插头来向具有有源噪声抵消(ANC)的耳机以及需要外部功率的附件提供功率和信号的向后兼容的系统以及方法。

该方法包含在检测到附件插入之后在电子设备处自动地判定附件类型，以及至少基于所判定的附件类型和附件输入信号来选择附件通信模式。附件通信模式可以是附件功率模式或者附件麦克风模式。在附件功率模式下，电子设备通过麦克风线路(MIC线路)向附件提供功率，该MIC线路工作在比传统麦克风偏置电压电平高的偏置电压电平下。在附件麦克风模式下，电子设备向附件提供MIC偏置和音频信号。

在某些实施例中，在检测到插头插入之后通信开始。最初检查附件的ID以及音频插头配置。该音频插头配置检查对音频插头的类型(TS插头、TRS或插头TRRS插头)以及附件的类型进行验证。附件类型检测方法包括对音频线路以及MIC线路进行阻抗检测。

如果检测到附件是传统4P耳机，那么电子设备向该4P耳机提供MIC偏置和音频信号。如果检测到附件是请求功率支持的4P附件，那么主机电子设备通过麦克风线路(MIC线路)向该附件提供功率。

在某些实施例中，一些附件具有与MIC线路复用的一条音频线路(左音频或右音频)。电子设备检测并监测在至少一条音频线路(例如，左音频线路或右音频线路)上的麦克风偏置。如果检测到麦克风偏置并且该麦克风偏置在长于t_deb1的持续时间内高于V_Ref1，那么将音频线路用作麦克风，并且电子设备将该音频线路布线为麦克风输入，并接通音频旁路开关。如果麦克风偏置在长于t_deb1的持续时间内低于V_Ref1，那么电子设备将锁存(latch)音频线路，以从电子设备内的音频驱动电路进行音频信号输出。

在某些实施例中，当电子设备通过麦克风线路(MIC线路)向附件提供功率时，该MIC线路电压被监测。如果MIC线路电压在长于t_deb2的持续时间内低于V_Ref2，那么电子设备不支持附件功率模式，并且附件工作在低功率模式(传统模式)以及可选的旁路模式下。

附图说明

将参考在附图中例示的本发明的示例性实施例。这些附图旨在进行说明，而并非要进行限制。尽管在这些实施例的背景下总体上对本发明进行了描述，但是这样做并非旨在将本发明的范围限制于所描绘和描述的实施例的特定特征。

图1是根据本发明的实施例的在系统中电子设备经由音频插头而与附件进行通信的示意图。

图2是根据本发明的各个实施例的附件的示例性示意图。

图3是根据本发明的各个实施例的附件控制IC的示例性示意图。

图4是根据本发明的各个实施例的附件与电子设备进行通信以进行主机检测的示例性框图。

图5是根据本发明的各个实施例的电子设备的示例性示意图。

图6是根据本发明的各个实施例的附件与电子设备进行通信以进行附件检测的示例性框图。

图7是根据本发明的各个实施例的附件与电子设备进行通信以进行附件检测的另一示例性框图。

本领域技术人员将认识到，可以根据说明书来实践本发明的各个实施方式和实施例。所有这些实施方式和实施例旨在包括在本发明的范围内。

具体实施方式

在下述说明中，出于解释的目的，阐述了具体细节，以提供对本发明的理解。然而，可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践本发明。可以将下文描述的本发明的实施例并入到许多不同的电部件、电路、设备和系统中。框图中所示的结构和设备是本发明的示例性实施例的说明，而不是要用作使本发明的宽泛教导难以理解的托辞。附图内的部件之间的连接并不是要被限制于直接连接。相反，可以通过中间部件对部件之间的连接进行修改、重新格式化或者另外进行改变。

在说明书提及“一个实施例”或“实施例”时，其旨在表示结合所论述的实施例描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个所考虑的实施例中。因此，在说明书中各处出现的术语“在一个实施例中”并不构成对本发明的单个实施例的多次引用。

本发明的各个实施例用于在由一个或多个集成电路(IC)构成的系统中经由音频端口进行附件管理和数据通信。IC可以是存储器、微控制器、微处理器、安全认证器、或者传输和/或接收系统内的信息的系统内的任意其它设备。这些系统以及其中的IC可以集成在单个部件上，或者可以包含分立的部件。此外，本发明的实施例适用于一组多样的技术和方法。

图1示出了根据本发明各个实施例的系统100的示意图。系统100包括与附件300通信的电子设备200。在附件300上的音频插头310插入电子设备200上的音频插座210之后，设备与附件之间的通信开始。电子设备可以对附件的类型进行检测，并且相应地以不同的工作模式与附件进行通信。另一方面，附件可以对电子设备的容量和工作模式进行检测，并且基于检测到的工作模式来调节附件配置。

电子设备200可以是计算机设备、膝上型计算机、诸如MP3播放器之类的便携式媒体播放器、智能电话等。附件300可以是诸如麦克风、耳机、扬声器、音频放大器之类的音频附件，或者可以是具有用于语音和数据通信的音频插头的电子附件。在实施例中，附件300具有立体声或单声道听筒，以及用于向电子设备200进行音频输入的麦克风。

音频插座210是4P音频插座。音频插头310可以具有2.5mm、3.5mm或6.35mm(1/4英寸)配置，该音频插头310具有对单声道、立体声或立体声加麦克风功率兼容的2个、3个或4个或者甚至5个导体。

在一个实施例中，电子设备200具有音频插座210、I2C接口220、微处理器230、存储器240、电源250以及音频驱动电路260。微处理器230被配置为可操作地连接到I2C接口220、存储器240、电源250以及音频驱动电路260。I2C接口220是用于将外围音频插座210附接到微处理器230的内置集成电路。存储器240被配置为存储非易失性计算机可读逻辑或代码，该逻辑或代码用于在被微处理器230执行时实施所期望的功能。

在一个实施例中，附件300包括附件控制IC 320、音频插头310以及听筒340。在另一个实施例中，附件300具有耦合到附件控制IC 320的麦克风350。在又一实施例中，附件300还具有用于噪声控制用途的音频传感器360和安全认证器330。在一些实施例中，附件控制IC 320可以是有源噪声控制(ANC)电路或者立体声扬声器平衡电路等。附件控制IC 320耦合到音频插头310、听筒340、音频传感器360以及麦克风350。在一些实施例中，音频传感器360是包括左音频传感器362、右音频传感器364的立体声音频传感器。

图2例示了根据本发明的各个实施例的附件的示例性示意图。附件300具有TRRS音频插头310、立体声听筒340(左听筒342和右听筒344)、麦克风350、附件控制IC 320以及安全认证器330。音频插头310包括左音频导体311、右音频导体312、接地导体313以及麦克风导体314。左音频导体311、右音频导体312和麦克风导体314分别连接到附件控制IC 320的左音频输入端口321、右音频输入端口322和功率输入端口(PWR)323。

附件控制IC 320还包括分别可操作地连接到左音频传感器362、右音频传感器364、左听筒342和右听筒344的L-Mic端口328、R-Mic端口329、左音频输出端口326、右音频输出端口327。在附件300工作期间，将音频插头310插入电子设备200的音频插座210，以进行音频/MIC信号通信。附件控制IC 320从音频插头310和音频传感器360接收音频信号输入，经由内部信号处理电路(在图2中未示出)来处理这些信号，并且生成至听筒340的输出信号。

在另一个实施例中，附件控制IC 320包括MIC输入端口324和MIC偏置端口325，以从麦克风350接收信号/将信号输出到麦克风350。附件控制IC 320可以操作用于从麦克风350接收信号输入，并且通过麦克风导体314将信号发送到电子设备200。附件控制IC 320可以替代地操作用于经由麦克风导体314从电子设备200接收偏置输入，并且通过MIC偏置端口325将偏置信号输出至麦克风350。附件控制IC 320还可以操作用于经由麦克风导体314从电子设备200接收数字通信(例如，1线或超声)输入，并且通过MIC偏置端口325将偏置信号输出至麦克风350。

图3例示了根据本发明的各个实施例的附件控制IC的示例性示意图。附件控制IC 320包括数字信号处理(DSP)电路371、右音频/MIC选择开关373、低压差调节器(LDO)378、LDO开关379、MIC线路电压比较器374以及功率线路电压比较器377。DSP电路371耦合在信号输入端口(左音频输入端口321、右音频输入端口322、L-Mic端口328以及R-Mic端口329)与音频输出端口(左音频输出端口326和右音频输出端口327)之间。DSP电路371可以是用于ANC或功率附件应用的DSP(数字信号处理)电路。在一个实施例中，附件控制IC 320还包括可选的按钮检测接口372，其用于检测/接收按钮操作，并且将检测到的操作发送至DSP电路371以便进一步进行处理。在另一个实施例中，LDO 378包括软启动电路，其用于限制浪涌电流并且在上电期间控制输出电压上升时间。

功率线路电压比较器377具有一个耦合到功率输入端口(PWR)323的输入端，并且将功率输入端口处的电压与预定的阈值电压进行比较。功率线路电压比较器377的输出端经由具有预定的去抖动时间的锁存器部件376耦合到LDO开关379，以接通/断开LDO开关379。在一个实施例中，预定的阈值电压是操作LDO 378所需的输入电压。在一个实施例中，预定的阈值电压被设置为2.8V。当功率输入端口处的电压大于或等于预定的阈值电压时，LDO开关379被接通，以启动LDO 378操作并因此向DSP电路371提供功率。

在一个实施例中，附件控制IC 320包括旁路开关375，其耦合在信号输入端口(左音频输入端口321、右音频输入端口322)与输出端口(左音频输出端口326和右音频输出端口327)之间。在一个实施例中，旁路开关375是双刀单掷(DPST)开关。当旁路开关375断开时，左音频输入端口321和右音频输入端口322直接连接到左音频输出端口326和右音频输出端口327，因此绕过DSP电路371。

在一个实施例中，右音频/MIC选择开关373是DPDT开关。当右音频/MIC选择开关373接通(断开)时，右音频输入端口322直接连接到MIC输入端口324，并且被用作将来自麦克风350的MIC输入传送至电子设备的MIC通信端口。同时，左音频输入端口321耦合到左音频输出端口326和右音频输出端口327两者，以进行单声道音频信号输出。听筒340(左听筒342和右听筒344)因此以单声道模式运行。

在一个实施例中，右音频/MIC选择开关373受MIC线路电压比较器374控制，MIC线路电压比较器374将右音频输入端口322处的电压与至少一个参考电压进行比较。在一个实施例中，右音频/MIC选择开关373受MIC线路电压比较器374和/或功率线路电压比较器377控制。

本领域技术人员将认识到，上述附件控制IC仅仅是一个结构示例。在一个实施例中，DSP电路371、LDO 378、开关373和开关375、电压比较器374和电压比较器377可以集成在一个IC芯片内。在另一个实施例中，这些部件可以位于多个IC芯片之中。DSP电路371还可以包括嵌入式存储器储存模块，其用于储存可以由DSP电路执行以实施所期望的有源噪声控制处理的预加载逻辑代码。

图4是根据本发明的各个实施例的附件与电子设备进行通信以进行主机检测的示例性框图。

在附件300的音频插头310插入电子设备的音频插座之后，附件300与电子设备200之间的通信开始。在步骤410处，附件控制IC 320检查麦克风导体(MIC线路)314是否具有功率线路电压。如果没有，那么在步骤430处，附件控制IC 320验证电子设备200为不经由4P音频插座来为附件提供功率支持的传统主机。如果存在麦克风线路(PWR)电压(在步骤420中)，那么附件控制IC 320被配置为在预定的去抖动时间内汲取不超过最小容许电流。此外，DSP电路371处于休眠模式。在预定的去抖动时间之后，在步骤440处，将麦克风导体(MIC线路)314处的功率线路电压与预定电压进行比较。在一个实施例中，该预定电压是LDO 378的工作电压。在另一个实施例中，将预定电压设置为基于I2C通信PIO电平的LDO工作电压的94％。例如，可以将预定电压设置为2.5V。如果功率线路电压小于预定电压，那么在步骤450处，附件控制IC 320验证电子设备200未通过MIC线路经由4P音频插座来提供功率支持。电子设备可以是支持立体声音频输出和MIC信号输入的传统主机。如果功率线路电压大于预定电压，那么在步骤460处，附件控制IC 320验证电子设备200通过MIC线路经由4P音频插座支持功率输入。然后，切换功率开关379，以将LDO 378锁存至功率输入端口(PWR)323，以使得DSP电路371上电。

在一些实施例中，在步骤470处，进一步对功率线路电压进行验证，以检查该电压是否与第一参考电压V_Ref1相同。第一参考电压V_Ref1高于预定电压。如果是，那么在步骤472处，附件进入单声道模式(或者诸如智能电话之类的电话电子设备的呼叫模式)，并且附件控制IC>Ref1被设置为3.15V。

在一些实施例中，在步骤480处，也对功率线路电压进行验证，以检查该电压是否与第二参考电压V_Ref2相同。第二参考电压V_Ref2高于预定电压，但是低于第一参考电压V_Ref1。如果是，那么在步骤482处，附件进入立体声模式，其中右音频输入端口322耦合到右音频输出端口327，以便连同左音频输出端口326一起提供立体声音频输出。在一个实施例中，第二参考电压V_Ref2被设置为2.8V。

图5是根据本发明的各个实施例的电子设备的示例性示意图。电子设备200具有用于从附件接收音频插头的音频插座210，I2C电路220，微处理器230，以及音频驱动电路260。电子设备还具有其它部件(在图5中未示出)，包括存储器，电源，以及至少一个I/O接口(例如，触摸屏、键盘、加密键盘等)。微处理器230被配置为耦合到I2C电路220和音频驱动电路260(以及存储器、电源和I/O接口)。

音频插座210包括左音频插座导体211、右音频插座导体212、插座接地导体213以及插座麦克风导体214，并且在音频插头310插入之后，分别会与左音频导体311、右音频导体312、接地导体313以及麦克风导体314相接触。在一个实施例中，音频插座210包括用于在音频插头310插入之后与左音频导体311相接触的音频插入检测导体215。音频插入检测导体215经由引脚222耦合到I2C电路220，并且被配置为对音频插头插入进行检测。

左音频插座导体211耦合到音频驱动电路260的L-A(左音频输出)端口261，以接收音频信号。右音频插座导体212经由可控开关270耦合到音频驱动电路260的右音频输出端口262或者MIC偏置端口263。在一个实施例中，可控开关270是DPDT(双刀双掷)开关，从而右音频插座导体212能够同时耦合到音频驱动电路260的MIC偏置端口263和MIC端口264两者。可控开关270由微处理器230或者I2C电路220内的MIC偏置和功率LDO 221控制。MIC偏置和功率LDO 221通过引脚226向可控开关270发送INT信号，以根据电子设备音频设置偏好来进行开关控制。

MIC偏置和功率LDO 221可以经由MIC IN引脚224耦合到插座麦克风导体214，以向麦克风导体314发送功率或者从麦克风导体314接收信号。MIC偏置和功率LDO 221也可以经由RES(复位)引脚225耦合到插座麦克风导体214，以经由麦克风导体314向附件300发送功率或者从附件300接收信号。从MIC偏置和功率LDO 221输出到RES(复位)引脚225的电压输出可以根据电子设备音频装置偏好而被配置为不同的电平。

图6是根据本发明的各个实施例的附件与电子设备进行通信以进行附件检测的示例性框图。在步骤610处，在检测到音频插头插入之后，电子设备对附件的类型进行检测。可以通过检查左音频线路311和/或MIC线路314和/或安全认证器330处的阻抗来进行附件检测。安全认证器330也可以是数字ID以及安全认证器。

在步骤620处，电子设备基于优选的音频设置来配置可控开关270的控制设置。在一些实施例中，电子设备是智能电话，并且可控开关270可以被配置为用于电话呼叫的单声道模式和用于音乐播放的立体声模式。在单声道模式下，右音频插座导体212锁存音频驱动电路260的MIC偏置端口263和MIC端口264两者。在立体声模式下，右音频插座导体212被锁存至音频驱动电路260的右音频输出端口262。在一些实施例中，电子设备还基于优选的音频设置来配置MIC偏置和功率LDO 221。例如，LDO 221可以在电子设备处在用于电话呼叫的单声道模式时输出电压V_Ref1，并且在电子设备处于用于音乐播放的立体声模式时输出电压V_Ref2。在一些实施例中，第一参考电压V_Ref1高于第二参考电压V_Ref2。例如，第一参考电压V_Ref1可以被设置为3.15V，第二参考电压V_Ref2可以被设置为2.8V。

在步骤630处，附件控制IC 320将麦克风导体(MIC线路)314处的功率线路电压与预定电压进行比较。如果功率线路电压大于预定电压，那么附件控制IC 320验证电子设备200通过MIC线路经由4P音频插座支持功率输入。然后，切换功率开关379，以将LDO 378锁存至功率输入端口(PWR)323，以使得DSP电路371上电。在步骤632处，进一步对功率线路电压进行验证，以检查该电压是否等于第一参考电压V_Ref1。如果是，那么在步骤636处，附件进入单声道模式(或者用于诸如智能电话之类的电话电子设备的呼叫模式)，并且附件控制IC>Ref1被设置为3.15V。

在步骤634处，进一步验证功率线路电压，以检查该电压是否等于第二参考电压V_Ret2。如果是，那么在步骤638处，附件进入立体声模式，其中右音频输入端口322耦合到右音频输出端口327，以连同左音频输出端口326一起提供立体声音频输出。因此，通过控制至插座麦克风导体214的MIC偏置和功率LDO>

在步骤640处，附件控制IC 320检查麦克风导体(MIC线路)314处的功率线路信号是否是MIC输入信号，该MIC输入信号通常小于预定电压。如果是，那么附件控制IC 320进行配置，以将LDO功率开关379锁存至MIC输入，将R-A/MIC开关373锁存至右音频信号，并且闭合旁路开关375以绕过DSP电路371。

图7是根据本发明的各个实施例的附件与电子设备进行通信以进行附件检测的另一示例性框图。类似于图6，在步骤630处，附件控制IC 320将麦克风导体(MIC线路)314处的功率线路电压与预定电压进行比较。如果功率线路电压大于预定电压，那么附件控制IC 320验证电子设备200通过MIC线路经由4P音频插座支持功率输入。然后，附件控制IC 320检查右音频输入端口322处的信号。在步骤710处，附件控制IC 320检查右音频输入端口322处的信号是否具有MIC偏置。如果是，那么在步骤712处，附件进入单声道模式(或者用于诸如智能电话之类的电话电子设备的呼叫模式)，并且附件控制IC 320被配置为切换右音频/MIC选择开关373，以将右音频输入端口322直接锁存至MIC输入端口324。同时，左音频输入端口321耦合到左音频输出端口326以及右音频输出端口327，以进行单声道音频信号输出。

在步骤720处，附件控制IC 320检查右音频输入端口322处的信号是否为常规音频信号，其通常具有低于MIC偏置电压的电压。如果是，那么在步骤722处，附件进入立体声模式，其中右音频输入端口322耦合到右音频输出端口327，以连同左音频输出端口326一起提供立体声音频输出。

已经出于清晰和理解的目的描述了本发明的前述说明。这并非旨在将本发明限制于所公开的确切形式。在本申请的范围和等效形式内，各种修改都是可能的。