雙聲道便攜藍(lán)牙音箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳冠博

（南京師范大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇 南京）

引言

音箱是一種常見(jiàn)的聲音信號(hào)輸出設(shè)備。其作用是把音頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，并輻射到周圍空間，供人的耳朵接收。

音箱與音頻輸出接口之間的連接有有線和無(wú)線兩種方式。傳統(tǒng)的有線方式需要電纜的連接才能傳遞信號(hào)，給信息獲取和交流帶來(lái)了諸多不便。而且電纜時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)發(fā)生老化、工作不穩(wěn)定等現(xiàn)象。以及各種線纜是針對(duì)不同應(yīng)用設(shè)備制造的，所以它們大部分之間是不可以相互替代的。而無(wú)線連接技術(shù)隨著各行各業(yè)的發(fā)展得到了迅速的普及，它可用于替代數(shù)字設(shè)備間的有線連接，讓人們不再為有線連接所帶來(lái)的麻煩而苦惱。

藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù)，使得現(xiàn)代一些易攜帶的移動(dòng)通信設(shè)備和電腦設(shè)備不必借助電纜就能聯(lián)網(wǎng)[1-2]，并且支持各種移動(dòng)設(shè)備相互進(jìn)行短距離無(wú)線通信。在無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)中，用藍(lán)牙通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制與測(cè)量已經(jīng)成為一種應(yīng)用的趨勢(shì)，具有成本低、功耗低的特點(diǎn)。藍(lán)牙技術(shù)在信息化家電、移動(dòng)通信技術(shù)等領(lǐng)域都有諸多方面的應(yīng)用。目前大部分消費(fèi)類電子產(chǎn)品都支持藍(lán)牙通信，是應(yīng)用最廣泛的近距離無(wú)線通信技術(shù)之一[3-4]。

本文介紹了一種雙聲道帶音頻指示的藍(lán)牙音箱的設(shè)計(jì)和制作，實(shí)現(xiàn)了聲音的雙聲道播放，用發(fā)光二極管（LED）指示聲音的頻譜高低，用聚合物鋰電池供電。

1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)[5]是一種近距離無(wú)線通訊技術(shù)，是世界著名的5 家大公司愛(ài)立信、諾基亞、東芝、國(guó)際商用機(jī)器公司和英特爾于1998 年聯(lián)合宣布的一種無(wú)線通信新技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)所使用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是全球公開(kāi)的，該技術(shù)剛開(kāi)始公開(kāi)時(shí)，就得到了各個(gè)領(lǐng)域的廣泛認(rèn)同。如今，在近距離的無(wú)線通信中，藍(lán)牙技術(shù)很受企業(yè)和社會(huì)的歡迎。

藍(lán)牙由無(wú)線射頻單元、鏈路控制單元、鏈路管理單元、藍(lán)牙協(xié)議軟件單元和主機(jī)應(yīng)用軟件單元組成，如圖1 所示。藍(lán)牙技術(shù)是建立在IEEE802.11 技術(shù)之上的，延承無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并彌補(bǔ)該技術(shù)存在的不足。它使用2.4 GHz 的ISM 全球通自由波段，采用的是頻譜的跳變和擴(kuò)展技術(shù)，頻譜在2.4 GHz 和2.480 GHz 之間。鏈路控制單元的主要職責(zé)是對(duì)基帶鏈路控制器的規(guī)范進(jìn)行描述，完成基帶協(xié)議和其它底層鏈路程序的運(yùn)行。鏈路管理單元的主要功能是完成對(duì)鏈路的控制，包括對(duì)其數(shù)據(jù)的設(shè)置、建立連接權(quán)力的鑒定和對(duì)鏈路硬件進(jìn)行配置。鏈路管理層對(duì)鏈路控制器回饋的服務(wù)進(jìn)行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)上述這些功能。

圖1 藍(lán)牙系統(tǒng)的組成方框圖

藍(lán)牙協(xié)議需要制定統(tǒng)一的規(guī)范，主要是為了使得所有滿足協(xié)議規(guī)范的應(yīng)用設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)相互之間的通信。為了讓設(shè)備之間能夠建立連接和實(shí)現(xiàn)相互的通信，應(yīng)用程序在連接的電子設(shè)備上必須以相同的協(xié)議棧運(yùn)行。藍(lán)牙協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 藍(lán)牙協(xié)議棧

最新的藍(lán)牙版本是5.4 版本，是由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟于2023 年1 月31 日批準(zhǔn)并已正式公開(kāi)發(fā)布。藍(lán)牙5.4 規(guī)范的主要改進(jìn)之一是引入了一種新的邏輯傳輸“Periodic Advertising with Responses(PAwR)”，能夠支持無(wú)連接的雙向應(yīng)用程序數(shù)據(jù)通信，單個(gè)接入點(diǎn)可以與數(shù)千個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向通信。該版本的新增特性進(jìn)一步增強(qiáng)了藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)的安全性、有助于提升藍(lán)牙Mesh 網(wǎng)絡(luò)及基于GATT 的各類藍(lán)牙應(yīng)用的用戶體驗(yàn)、并將在新特性的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)全新藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范[6]。

對(duì)于現(xiàn)代近距離的通信，藍(lán)牙技術(shù)給人們帶來(lái)了一場(chǎng)技術(shù)上的改革，能夠使得便攜電子設(shè)備之間方便地通信，也使得這些設(shè)備很容易與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，為無(wú)線通信拓寬了道路。因此，藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。

2 藍(lán)牙音箱的原理分析與設(shè)計(jì)制作

雙通道便攜藍(lán)牙音箱主要由藍(lán)牙信號(hào)接收和功放模塊、音頻LED 指示模塊、喇叭、電源模塊、外殼組成。

2.1 藍(lán)牙信號(hào)接收和功放模塊

藍(lán)牙信號(hào)接收和功放模塊與音頻播放設(shè)備的藍(lán)牙配對(duì)，接收從音頻播放設(shè)備無(wú)線發(fā)送過(guò)來(lái)的音頻信號(hào)，然后把信號(hào)放大后輸出到喇叭，驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)出聲音。

藍(lán)牙信號(hào)接收和功放模塊主要有一塊定制芯片和兩塊LTK8002D 芯片組成。定制芯片內(nèi)嵌了藍(lán)牙功能，通過(guò)PCB 天線可以實(shí)現(xiàn)和音頻播放設(shè)備的藍(lán)牙設(shè)備通信。LTK8002D 是單聲道AB 類音頻功率放大芯片。在5 V 輸入電壓、負(fù)載4 Ω 時(shí)的平均功率為3 W，且失真度不超過(guò)10%。而對(duì)于設(shè)備而言，當(dāng)VDD作用于關(guān)斷端時(shí)，LTK8002D 將會(huì)進(jìn)入關(guān)斷模式，此時(shí)的功耗極低，電流典型值小于1 μA。LTK8002D 是為提供大功率、高保真音頻輸出而專門設(shè)計(jì)的，它僅僅需要少量的外圍元器件，并且能工作在寬電壓條件下（2.5-6 V）。LTK8002D 不需要耦合電容，自舉電容或者緩沖網(wǎng)絡(luò)，所以非常適用于便捷音箱。由于是單聲道芯片，所以需要用二片分別實(shí)現(xiàn)左右聲道信號(hào)放大。完整的元件電路如圖3 所示。

圖3 藍(lán)牙信號(hào)接收和功放模塊電路板

2.2 音頻LED 指示模塊

音頻LED 指示模塊根據(jù)播放聲音的頻率和大小，用LED 燈帶閃爍的方式直觀指示出聲音的變化情況。音頻LED 指示模塊由麥克風(fēng)聲音放大電路、LED 發(fā)光指示電路和電源組成。電路原理如圖4 所示。圖4中U1 為CD4017 集成電路芯片。CD4017 是5 位Johnson 計(jì)數(shù)器，具有10 個(gè)譯碼輸出端，CP、CR、INH輸入端。時(shí)鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無(wú)限制。INH 為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)。

圖4 音頻LED 指示模塊

麥克風(fēng)MIC 把接收到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)三極管Q1 放大后，從三極管的集電極輸出送至CD4017 的CLK 引腳。調(diào)節(jié)電阻VR1，以使輸入至CD4017 的電壓超過(guò)CD4017 轉(zhuǎn)換閾值，保證至CD4017 輸入端的電壓能有效地驅(qū)動(dòng)芯片工作。在CD4017 的Q0-Q9 端，每相鄰兩輸出端之間連接一只額定電壓匹配LED。當(dāng)CD4017 的某一輸出端為高電平時(shí)，其余各端均為低電平，因此與高電平端相鄰的LED 點(diǎn)亮顯示。本電路僅示出一組發(fā)光二極管連接情況，若需擴(kuò)展可用同樣連接方式并聯(lián)組成另一組發(fā)光二極管以形成一長(zhǎng)列的LED 顯示陣列。擴(kuò)展個(gè)數(shù)及排列形狀可根據(jù)各自需要確定。

根據(jù)圖4 制作的音頻LED 指示模塊實(shí)物如圖5所示。

圖5 音頻LED 指示模塊實(shí)物

2.3 電源模塊

電源模塊給藍(lán)牙信號(hào)接收和功放模塊以及音頻LED 指示模塊供電，輸出5 V。為了便攜，用可充電聚合物鋰電池供電，也可外接5 V 直流電源供電。電源模塊含充放電電路和保護(hù)板，可實(shí)現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)放保護(hù)。由于2 個(gè)喇叭的額定功率6 W，再加上其它模塊耗電，電源模塊的輸出額定電流要大于1.5 A，即電源的輸出功率不小于7.5 W，否則有可能不能正常工作。

2.4 喇叭

喇叭要和功率放大芯片輸出的阻抗和功率匹配。LTK8002D 在5 V 輸入電壓、負(fù)載4 Ω 時(shí)的平均功率為3 W。所以喇叭選負(fù)載4 Ω、功率3 W 為宜。由于是雙聲道，所以總體額定功率6 W。

3 實(shí)際測(cè)試

制作完成的成品藍(lán)牙音箱實(shí)物如圖6 所示。

圖6 藍(lán)牙音箱實(shí)物

首先測(cè)試配對(duì)功能。分別用常見(jiàn)的筆記本電腦、手機(jī)、PAD、話筒等便攜設(shè)備、產(chǎn)品和制作的雙通道藍(lán)牙音箱配對(duì)，測(cè)試結(jié)果顯示藍(lán)牙音箱均可以在2 秒內(nèi)快速建立穩(wěn)定的連接，即使不播放聲音文件也不會(huì)無(wú)故掉線。然后隨機(jī)在連接到的設(shè)備上播放音樂(lè)，藍(lán)牙音箱可以無(wú)延時(shí)的播放出來(lái)，音質(zhì)優(yōu)美，沒(méi)有失真。

接著測(cè)試音頻發(fā)光二極管指示模塊的功能。當(dāng)播放不同音量的音樂(lè)時(shí)，只有當(dāng)音量超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)發(fā)光二極管才點(diǎn)亮。用家中的鋼琴產(chǎn)生不同頻率的聲音，可以看到聲音的頻率越高，發(fā)光二極管閃爍的越快。發(fā)光二極管隨著聲音的大小和節(jié)奏而變化。

實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)最好用額定電壓5 V、額定電流2 A 及以上的直流電源給藍(lán)牙音響供電。質(zhì)量不好的電源容易導(dǎo)致供電不穩(wěn)。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該藍(lán)牙音箱有配對(duì)快、無(wú)延遲、音質(zhì)優(yōu)美等特點(diǎn)，有斷電記憶等相關(guān)功能，而且可以直觀的“看”到聲音的變化。

4 結(jié)論

文中介紹了藍(lán)牙技術(shù)及一款雙聲道藍(lán)牙音箱的原理和設(shè)計(jì)制作過(guò)程，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。該音箱不僅實(shí)現(xiàn)了聲音的播放，而且用LED 燈帶直觀顯示聲音音量和節(jié)奏的變化。它有體積小、便于攜帶、配對(duì)快、無(wú)延遲、音質(zhì)優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。