双声道便携蓝牙音箱的设计与实现

陈冠博

（南京师范大学附属中学，江苏 南京）

引言

音箱是一种常见的声音信号输出设备。其作用是把音频电信号转换成声信号，并辐射到周围空间，供人的耳朵接收。

音箱与音频输出接口之间的连接有有线和无线两种方式。传统的有线方式需要电缆的连接才能传递信号，给信息获取和交流带来了诸多不便。而且电缆时间长了会发生老化、工作不稳定等现象。以及各种线缆是针对不同应用设备制造的，所以它们大部分之间是不可以相互替代的。而无线连接技术随着各行各业的发展得到了迅速的普及，它可用于替代数字设备间的有线连接，让人们不再为有线连接所带来的麻烦而苦恼。

蓝牙技术是一种无线通信技术，使得现代一些易携带的移动通信设备和电脑设备不必借助电缆就能联网[1-2]，并且支持各种移动设备相互进行短距离无线通信。在无线测控系统中，用蓝牙通信技术实现控制与测量已经成为一种应用的趋势，具有成本低、功耗低的特点。蓝牙技术在信息化家电、移动通信技术等领域都有诸多方面的应用。目前大部分消费类电子产品都支持蓝牙通信，是应用最广泛的近距离无线通信技术之一[3-4]。

本文介绍了一种双声道带音频指示的蓝牙音箱的设计和制作，实现了声音的双声道播放，用发光二极管（LED）指示声音的频谱高低，用聚合物锂电池供电。

1 蓝牙技术

蓝牙技术[5]是一种近距离无线通讯技术，是世界著名的5 家大公司爱立信、诺基亚、东芝、国际商用机器公司和英特尔于1998 年联合宣布的一种无线通信新技术。蓝牙技术所使用的技术标准是全球公开的，该技术刚开始公开时，就得到了各个领域的广泛认同。如今，在近距离的无线通信中，蓝牙技术很受企业和社会的欢迎。

蓝牙由无线射频单元、链路控制单元、链路管理单元、蓝牙协议软件单元和主机应用软件单元组成，如图1 所示。蓝牙技术是建立在IEEE802.11 技术之上的，延承无线局域网技术的优势，并弥补该技术存在的不足。它使用2.4 GHz 的ISM 全球通自由波段，采用的是频谱的跳变和扩展技术，频谱在2.4 GHz 和2.480 GHz 之间。链路控制单元的主要职责是对基带链路控制器的规范进行描述，完成基带协议和其它底层链路程序的运行。链路管理单元的主要功能是完成对链路的控制，包括对其数据的设置、建立连接权力的鉴定和对链路硬件进行配置。链路管理层对链路控制器回馈的服务进行处理来实现上述这些功能。

图1 蓝牙系统的组成方框图

蓝牙协议需要制定统一的规范，主要是为了使得所有满足协议规范的应用设备可以实现相互之间的通信。为了让设备之间能够建立连接和实现相互的通信，应用程序在连接的电子设备上必须以相同的协议栈运行。蓝牙协议栈的体系结构如图2 所示。

图2 蓝牙协议栈

最新的蓝牙版本是5.4 版本，是由蓝牙技术联盟于2023 年1 月31 日批准并已正式公开发布。蓝牙5.4 规范的主要改进之一是引入了一种新的逻辑传输“Periodic Advertising with Responses(PAwR)”，能够支持无连接的双向应用程序数据通信，单个接入点可以与数千个终端节点进行双向通信。该版本的新增特性进一步增强了蓝牙无线通信技术的安全性、有助于提升蓝牙Mesh 网络及基于GATT 的各类蓝牙应用的用户体验、并将在新特性的基础上开发全新蓝牙应用规范[6]。

对于现代近距离的通信，蓝牙技术给人们带来了一场技术上的改革，能够使得便携电子设备之间方便地通信，也使得这些设备很容易与互联网进行通信，为无线通信拓宽了道路。因此，蓝牙无线传输技术的应用前景非常广阔。

2 蓝牙音箱的原理分析与设计制作

双通道便携蓝牙音箱主要由蓝牙信号接收和功放模块、音频LED 指示模块、喇叭、电源模块、外壳组成。

2.1 蓝牙信号接收和功放模块

蓝牙信号接收和功放模块与音频播放设备的蓝牙配对，接收从音频播放设备无线发送过来的音频信号，然后把信号放大后输出到喇叭，驱动喇叭发出声音。

蓝牙信号接收和功放模块主要有一块定制芯片和两块LTK8002D 芯片组成。定制芯片内嵌了蓝牙功能，通过PCB 天线可以实现和音频播放设备的蓝牙设备通信。LTK8002D 是单声道AB 类音频功率放大芯片。在5 V 输入电压、负载4 Ω 时的平均功率为3 W，且失真度不超过10%。而对于设备而言，当VDD作用于关断端时，LTK8002D 将会进入关断模式，此时的功耗极低，电流典型值小于1 μA。LTK8002D 是为提供大功率、高保真音频输出而专门设计的，它仅仅需要少量的外围元器件，并且能工作在宽电压条件下（2.5-6 V）。LTK8002D 不需要耦合电容，自举电容或者缓冲网络，所以非常适用于便捷音箱。由于是单声道芯片，所以需要用二片分别实现左右声道信号放大。完整的元件电路如图3 所示。

图3 蓝牙信号接收和功放模块电路板

2.2 音频LED 指示模块

音频LED 指示模块根据播放声音的频率和大小，用LED 灯带闪烁的方式直观指示出声音的变化情况。音频LED 指示模块由麦克风声音放大电路、LED 发光指示电路和电源组成。电路原理如图4 所示。图4中U1 为CD4017 集成电路芯片。CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数。

图4 音频LED 指示模块

麦克风MIC 把接收到的声音信号转换成电信号，经三极管Q1 放大后，从三极管的集电极输出送至CD4017 的CLK 引脚。调节电阻VR1，以使输入至CD4017 的电压超过CD4017 转换阈值，保证至CD4017 输入端的电压能有效地驱动芯片工作。在CD4017 的Q0-Q9 端，每相邻两输出端之间连接一只额定电压匹配LED。当CD4017 的某一输出端为高电平时，其余各端均为低电平，因此与高电平端相邻的LED 点亮显示。本电路仅示出一组发光二极管连接情况，若需扩展可用同样连接方式并联组成另一组发光二极管以形成一长列的LED 显示阵列。扩展个数及排列形状可根据各自需要确定。

根据图4 制作的音频LED 指示模块实物如图5所示。

图5 音频LED 指示模块实物

2.3 电源模块

电源模块给蓝牙信号接收和功放模块以及音频LED 指示模块供电，输出5 V。为了便携，用可充电聚合物锂电池供电，也可外接5 V 直流电源供电。电源模块含充放电电路和保护板，可实现过流、过压、过放保护。由于2 个喇叭的额定功率6 W，再加上其它模块耗电，电源模块的输出额定电流要大于1.5 A，即电源的输出功率不小于7.5 W，否则有可能不能正常工作。

2.4 喇叭

喇叭要和功率放大芯片输出的阻抗和功率匹配。LTK8002D 在5 V 输入电压、负载4 Ω 时的平均功率为3 W。所以喇叭选负载4 Ω、功率3 W 为宜。由于是双声道，所以总体额定功率6 W。

3 实际测试

制作完成的成品蓝牙音箱实物如图6 所示。

图6 蓝牙音箱实物

首先测试配对功能。分别用常见的笔记本电脑、手机、PAD、话筒等便携设备、产品和制作的双通道蓝牙音箱配对，测试结果显示蓝牙音箱均可以在2 秒内快速建立稳定的连接，即使不播放声音文件也不会无故掉线。然后随机在连接到的设备上播放音乐，蓝牙音箱可以无延时的播放出来，音质优美，没有失真。

接着测试音频发光二极管指示模块的功能。当播放不同音量的音乐时，只有当音量超过设定的阈值时发光二极管才点亮。用家中的钢琴产生不同频率的声音，可以看到声音的频率越高，发光二极管闪烁的越快。发光二极管随着声音的大小和节奏而变化。

实际测试中发现最好用额定电压5 V、额定电流2 A 及以上的直流电源给蓝牙音响供电。质量不好的电源容易导致供电不稳。

经实际测试，该蓝牙音箱有配对快、无延迟、音质优美等特点，有断电记忆等相关功能，而且可以直观的“看”到声音的变化。

4 结论

文中介绍了蓝牙技术及一款双声道蓝牙音箱的原理和设计制作过程，并进行了实际测试。该音箱不仅实现了声音的播放，而且用LED 灯带直观显示声音音量和节奏的变化。它有体积小、便于携带、配对快、无延迟、音质优美等优点，具有良好的应用前景。