Android是一個開放、自由的移動終端平臺，其開放性保證了該平臺不存在任何阻礙移動產業創新的專有權障礙，一經推出就深受業內人士的認可。隨著電子科技的發展，Android平臺不僅僅應用于移動互聯網上的開發，在工程上的開發前景也得到了廣泛的關注[1]。

    Android平臺使用Java語言進行開發，支持SQLite數據庫、2D/3D圖形加速、多媒體播放和攝像頭等硬件設備，并設置了豐富的應用程序，如電子郵件客戶端、鬧鐘、Web瀏覽器、計數器、通信錄和MP3播放器等。Android采用了軟件堆層(Software Stack)的架構，共分為4層：第一層是Linux內核，提供由操作系統內核管理的底層基礎功能；第二層是中間件層，由函數庫和Android運行時所需的虛擬機構成；第三層是應用程序框架層，提供了Android平臺基本的管理功能和組件重用機制；第四層是應用程序層，提供了一系列核心應用程序[2]。數據信號的采集一般是通過USB、藍牙、WiFi等方法，而本文是通過Android手機的麥克端來采集數字信號，從而實現了一種新型的數據采集的方法。
1 硬件系統設計
1.1 硬件結構
    Android手機的麥克端不能接收任意頻率的信號，只能接收頻率在20 Hz～20 kHz范圍內（即達到音頻信號的范圍）的信號，因為只有音頻信號才能被人耳聽到，才能被麥克采集到。本文采集的信號是一電壓信號，而電壓信號不能直接被Android手機的麥克端接收。因此在硬件系統設計中，需要把電壓信號轉換成頻率范圍在20 Hz～20 kHz之間的頻率信號，即達到音頻信號的標準。電壓信號轉換成頻率信號的方法有很多，本文采用V/F轉換器LM331實現把電壓信號轉換成頻率在20 Hz～20 kHz范圍內的音頻信號，其硬件框圖如圖1所示。

    經調整電路后的頻率信號就是標準的音頻信號了，但信號并不能直接連接到送話器讓Android手機的麥克端接收，因為不能保證周圍絕對安靜， 誤差會很大，而是要把音頻信號與耳機中的送話器線相連，再把耳機與Android手機相連，這樣就可以大大減少失真的程度。
1.2 V/F轉換器LM331模塊
    LM331是美國NS公司生產的性價比較高的集成芯片，它是當前最簡單的一種高精度V/F轉換器，將電壓信號轉換成脈沖頻率信號，輸出頻率嚴格正比于輸入電壓。LM331為雙列直插式8引腳芯片，線性度好，最大非線性失真小于0.01%，工作頻率為0.1 Hz時仍有較好的線性；變換精度高，分辨率可達16位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便地構成V/F轉換器，并且容易保持轉換精度。LM331在4.0 V的電壓供電的情況下，就可在整個工作溫度范圍內高精度地工作[3]。V/F轉換電路如圖2所示。

2 音頻格式
    音頻的格式有很多種，但在Android的API中與音頻有關的包是android.media，其中有兩個類是與音頻采集有關的，分別是MediaRecorder和AudioRecord。用Media-Recorder采集的音頻信號經過壓縮編碼后變成的聲音數據為AMR格式。但因為數據是被壓縮的，所以在讀取數據時，要面臨解壓縮的問題。而用AudioRecord采集音頻可以直接獲得無壓縮的PCM數據，即可以直接讀取音頻數據，數據不再需要解壓縮。基于AudioRecord的方便性與實用性，本文采用AudioRecord來采集音頻信號。
    脈沖編碼調制PCM(Pulse Code Modulation)是將音頻數字化的最好途徑，聲音經過麥克風，轉換成一系列電壓變化的信號。要將這樣的信號轉換成PCM格式，要使用聲道數、采樣位數和采樣頻率3個參數來表示聲音：(1)聲道數可分為單聲道和立體聲，單聲道即用一個傳聲器拾取聲音，用一個揚聲器來播放聲音；而立體聲則是由兩個傳聲器輪流拾取聲音，用兩個揚聲器來播放聲音。(2)采樣位數即采樣值，它是用來衡量聲音動態波動變化的一個參數，其值越大，分辨率就越高，在Android提供的API中，所提供的分辨率有8 bit和16 bit兩種。(3)采樣頻率(即取樣頻率)指的是每秒鐘采得聲音樣本的次數，采樣頻率越高，聲音的質量也就越好，聲音的還原越真實，同時它占用的資源也比較多。通常選用的采樣頻率一般有11 025 Hz、22 050 Hz和44 100 Hz。11 025 Hz、8 bit的聲音稱為電話音質；22 050 Hz、16 bit的聲音稱為廣播音質；44 100 Hz、16 bit已達到CD的音質了[4]。
3 Android平臺下的軟件系統設計
    首先是建立Android工程(即MediaPCM)，其中包括主界面MainActivity，在主界面上有MediaFile和Recorder兩個圖標，分別代表音頻文件列表和音頻信號采集，如圖3所示。

    點擊右邊的Recorder，就會進入到音頻采集界面(即Record-Activity)，實現采集和播放音頻的功能，同時要把采集到的音頻打包成文件存放到SD卡指定的目錄下；點擊左邊MediaFile，就會進入到音頻文件顯示列表界面(即ListActivity)，點擊其中某一項文件，就會進入波形顯示界面(即WaveFormActivity)，就會把音頻文件以二進制數據的形式顯示在Android手機的界面上。軟件系統的整體框架流程圖如圖4所示。

3.1 清單(AndroidManifest)文件
    在每一個Android項目中，都包含了一個清單(AndroidManifest)文件，即AndroidManifest.xml，它存儲在項目層次中的最底層，用于在程序運行之前向Android系統聲明程序的相關信息，這些信息包括應用程序需要的許可、程序運行的最低SDK版本、程序運行所需要的硬件支持和函數庫等。由于本文要用到SD卡的操作和采集音頻信號(即錄音)的操作，所以要在AndroidManifest.xml文件中加入以下兩個權限："android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE"和"android.permission.RECORD_AUDIO"，這樣就可以訪問SD卡和進行采集音頻信號了。
3.2 音頻的采集與播放
    因為音頻的采集需要使用AudioRecord類，與之對應的音頻的播放需要用到AudioTrack類；要把聲音轉化成PCM格式，需要使用采樣頻率、聲道數和采樣位數這三個參數。因此在編寫程序時，要對這三個參數進行初始化，即在本文中表示為frequence、channelConfig和audioEncoding。本文采用的是采樣頻率為44 100 Hz、單聲道16位進行采樣。點擊開始按鈕(startButton)時，就會開始錄音(即采集音頻信號)。其核心代碼如下：
int bufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(frequence,
channelConfig, audioEncoding);
int resource = MediaRecorder.AudioSource.MIC;
AudioRecord record = new AudioRecord(resource, frequence,
channelConfig, audioEncoding, bufferSize);  
record.startRecording();
    其中，bufferSize是根據采樣頻率、聲道和采樣位數三個參數得到一個最小的緩沖區，并且MediaRecorder.AudioSou-rce.MIC聲明了音頻信號的來源是Android手機的麥克端。這樣當調用record的startRecording()方法時就開始錄音(即音頻采集)；當點擊停止按鈕(stopButton)時就會停止采集；點擊播放按鈕(playButton)時，就開始播放已經錄制的音頻；點擊結束按鈕(finishButton)就結束播放音頻。至于播放音頻這一項，對數據的采集并沒有太大的影響。為了完善界面，在沒有硬件電路的情況下，只用一個Android手機也能完成錄音播放的功能。錄音界面如圖5所示。
3.3 打包音頻文件
    只采集音頻信號是遠遠不夠的，還要把采集到的音頻信號打包成文件存放到SD卡指定的目錄中，并把采集到的音頻信號顯示在音頻文件顯示界面上，在SD卡中的位置如圖6所示。

    本文把采集到的文件放在SD卡的MediaFile/File中，并根據當天的日期所建立的文件夾下(如本文的2012/1/12)，確保把當天采集到的音頻文件存放在一起，以便于查詢。
    在現實音頻文件列表時，是根據日歷的形式存儲的，有內容的當天日期會有標記，點擊標記日就會進入音頻文件顯示界面,如圖7所示。

3.4 讀取并顯示音頻文件
    把音頻數據文件保存到SD卡中，工作并沒有結束，最終還要把音頻文件以二進制數據的形式讀出來輸送到Android手機界面上。首先把音頻文件以列表的形式顯示出來（即顯示在ListActivity界面下），點擊采集到的文件MyFile66315.pcm，即以讀的形式打開文件，并把存在文件中的數據以二進制的形式輸送到波形顯示界面上（即本文的WaveFormActivity界面）。波形顯示界面如圖8所示。至此使用Android手機麥克端實現數據采集并顯示的工作已經完成。
    選擇用手機的麥克端來采集數據主要是為了不僅僅只能通過USB、藍牙等的數據采集方法，而開拓出一種新型的數據采集方法。使用手機的麥克端來采集數據，要通過硬件電路把所要采集的數據信號轉換成音頻信號，才能被麥克端采集到。使用Android手機平臺，可以在界面的設計上下一番功夫，設計出自己喜好的界面，與一般的顯示器相比，Android界面更加小巧美觀，在未來，Android平臺勢必會在各行各業中發揮其巨大的作用。
參考文獻
[1] 李楊，馮剛，李亮，等.基于Android的多媒體開發與研究[J].計算機與現代化，2011(4)：149-152.
[2] 王向輝，張國印，沈潔.Android應用程序開發，第1版[M]. 北京：清華大學出版社，2010.
[3] 劉金華，皮大能，程彩云.LM331與PIC16F73單片機實現數據采集[J].自動化技術與應用，2009，28(11)：116-119.
[4] 翟彥.基于LM331和單片機的壓力數據采集[J].電子設計工程，2009，19(3)：95-97.