陳冠博

（南京師范大學附屬中學，江蘇 南京）

引言

音箱是一種常見的聲音信號輸出設備。其作用是把音頻電信號轉換成聲信號，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，給信息獲取和交流帶來了諸多不便。而且電纜時間長了會發(fā)生老化、工作不穩(wěn)定等現(xiàn)象。以及各種線纜是針對不同應用設備制造的，所以它們大部分之間是不可以相互替代的。而無線連接技術隨著各行各業(yè)的發(fā)展得到了迅速的普及，它可用于替代數(shù)字設備間的有線連接，讓人們不再為有線連接所帶來的麻煩而苦惱。

藍牙技術是一種無線通信技術，使得現(xiàn)代一些易攜帶的移動通信設備和電腦設備不必借助電纜就能聯(lián)網(wǎng)[1-2]，并且支持各種移動設備相互進行短距離無線通信。在無線測控系統(tǒng)中，用藍牙通信技術實現(xiàn)控制與測量已經成為一種應用的趨勢，具有成本低、功耗低的特點。藍牙技術在信息化家電、移動通信技術等領域都有諸多方面的應用。目前大部分消費類電子產品都支持藍牙通信，是應用最廣泛的近距離無線通信技術之一[3-4]。

本文介紹了一種雙聲道帶音頻指示的藍牙音箱的設計和制作，實現(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 藍牙技術

藍牙技術[5]是一種近距離無線通訊技術，是世界著名的5 家大公司愛立信、諾基亞、東芝、國際商用機器公司和英特爾于1998 年聯(lián)合宣布的一種無線通信新技術。藍牙技術所使用的技術標準是全球公開的，該技術剛開始公開時，就得到了各個領域的廣泛認同。如今，在近距離的無線通信中，藍牙技術很受企業(yè)和社會的歡迎。

藍牙由無線射頻單元、鏈路控制單元、鏈路管理單元、藍牙協(xié)議軟件單元和主機應用軟件單元組成，如圖1 所示。藍牙技術是建立在IEEE802.11 技術之上的，延承無線局域網(wǎng)技術的優(yōu)勢，并彌補該技術存在的不足。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展技術，頻譜在2.4 GHz 和2.480 GHz 之間。鏈路控制單元的主要職責是對基帶鏈路控制器的規(guī)范進行描述，完成基帶協(xié)議和其它底層鏈路程序的運行。鏈路管理單元的主要功能是完成對鏈路的控制，包括對其數(shù)據(jù)的設置、建立連接權力的鑒定和對鏈路硬件進行配置。鏈路管理層對鏈路控制器回饋的服務進行處理來實現(xiàn)上述這些功能。

圖1 藍牙系統(tǒng)的組成方框圖

藍牙協(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)范的應用設備可以實現(xiàn)相互之間的通信。為了讓設備之間能夠建立連接和實現(xiàn)相互的通信，應用程序在連接的電子設備上必須以相同的協(xié)議棧運行。藍牙協(xié)議棧的體系結構如圖2 所示。

圖2 藍牙協(xié)議棧

最新的藍牙版本是5.4 版本，是由藍牙技術聯(lián)盟于2023 年1 月31 日批準并已正式公開發(fā)布。藍牙5.4 規(guī)范的主要改進之一是引入了一種新的邏輯傳輸“Periodic Advertising with Responses(PAwR)”，能夠支持無連接的雙向應用程序數(shù)據(jù)通信，單個接入點可以與數(shù)千個終端節(jié)點進行雙向通信。該版本的新增特性進一步增強了藍牙無線通信技術的安全性、有助于提升藍牙Mesh 網(wǎng)絡及基于GATT 的各類藍牙應用的用戶體驗、并將在新特性的基礎上開發(fā)全新藍牙應用規(guī)范[6]。

對于現(xiàn)代近距離的通信，藍牙技術給人們帶來了一場技術上的改革，能夠使得便攜電子設備之間方便地通信，也使得這些設備很容易與互聯(lián)網(wǎng)進行通信，為無線通信拓寬了道路。因此，藍牙無線傳輸技術的應用前景非常廣闊。

2 藍牙音箱的原理分析與設計制作

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

2.1 藍牙信號接收和功放模塊

藍牙信號接收和功放模塊與音頻播放設備的藍牙配對，接收從音頻播放設備無線發(fā)送過來的音頻信號，然后把信號放大后輸出到喇叭，驅動喇叭發(fā)出聲音。

藍牙信號接收和功放模塊主要有一塊定制芯片和兩塊LTK8002D 芯片組成。定制芯片內嵌了藍牙功能，通過PCB 天線可以實現(xiàn)和音頻播放設備的藍牙設備通信。LTK8002D 是單聲道AB 類音頻功率放大芯片。在5 V 輸入電壓、負載4 Ω 時的平均功率為3 W，且失真度不超過10%。而對于設備而言，當VDD作用于關斷端時，LTK8002D 將會進入關斷模式，此時的功耗極低，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計的，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，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現(xiàn)左右聲道信號放大。完整的元件電路如圖3 所示。

圖3 藍牙信號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 計數(shù)器，具有10 個譯碼輸出端，CP、CR、INH輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制。INH 為低電平時，計數(shù)器在時鐘上升沿計數(shù)。

圖4 音頻LED 指示模塊

麥克風MIC 把接收到的聲音信號轉換成電信號，經三極管Q1 放大后，從三極管的集電極輸出送至CD4017 的CLK 引腳。調節(jié)電阻VR1，以使輸入至CD4017 的電壓超過CD4017 轉換閾值，保證至CD4017 輸入端的電壓能有效地驅動芯片工作。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CD4017 的某一輸出端為高電平時，其余各端均為低電平，因此與高電平端相鄰的LED 點亮顯示。本電路僅示出一組發(fā)光二極管連接情況，若需擴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列的LED 顯示陣列。擴展個數(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 指示模塊實物如圖5所示。

圖5 音頻LED 指示模塊實物

2.3 電源模塊

電源模塊給藍牙信號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板，可實現(xiàn)過流、過壓、過放保護。由于2 個喇叭的額定功率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、負載4 Ω 時的平均功率為3 W。所以喇叭選負載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 實際測試

制作完成的成品藍牙音箱實物如圖6 所示。

圖6 藍牙音箱實物

首先測試配對功能。分別用常見的筆記本電腦、手機、PAD、話筒等便攜設備、產品和制作的雙通道藍牙音箱配對，測試結果顯示藍牙音箱均可以在2 秒內快速建立穩(wěn)定的連接，即使不播放聲音文件也不會無故掉線。然后隨機在連接到的設備上播放音樂，藍牙音箱可以無延時的播放出來，音質優(yōu)美，沒有失真。

接著測試音頻發(fā)光二極管指示模塊的功能。當播放不同音量的音樂時，只有當音量超過設定的閾值時發(fā)光二極管才點亮。用家中的鋼琴產生不同頻率的聲音，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。

實際測試中發(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牙音響供電。質量不好的電源容易導致供電不穩(wěn)。

經實際測試，該藍牙音箱有配對快、無延遲、音質優(yōu)美等特點，有斷電記憶等相關功能，而且可以直觀的“看”到聲音的變化。

4 結論

文中介紹了藍牙技術及一款雙聲道藍牙音箱的原理和設計制作過程，并進行了實際測試。該音箱不僅實現(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、配對快、無延遲、音質優(yōu)美等優(yōu)點，具有良好的應用前景。