自制藍牙音箱的手冊

 

綜述

本文是藍牙音箱的手冊。

藍牙音箱做爲禮物，面向的是用戶，可是這位用戶同時又是開發者，所以音箱的設計原則是實現必定的功能，並提供足夠的擴展接口、開放設計文檔。

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硬件

音箱由外殼、3塊PCB、揚聲器、麪包板、若干鏈接線和電源適配器組成。

1. 外殼包括亞克力材質的底板、面板和側板。底板和麪板之間用不鏽鋼合頁鏈接，可調整至側板上有缺口的角度處固定，可用的角度有60、6五、70、75和90度。

2. 3塊PCB中，底板包含電源與控制部分，2塊面板中下側的一塊爲外設，右上的爲音頻。

   16*8點陣屏爲主要輸出設備，4個按鍵（標號爲0到3）的功能在下一節中介紹。

   3個旋鈕中，右上調節低頻增益，左上調節低頻範圍，下面的調節音量，逆時針旋到底可靜音。

   控制板上的綠燈指示藍牙鏈接，斷開J5以禁用；音頻板上的紅燈指示輸出開啓，把R19移到旁邊的焊盤上以禁用。

   控制板和外設板、音頻板之間分別用八、4針排線鏈接，標「1」的位置對應；控制板和音頻板之間還需2根電源線，「+」「-」對應。

3. 電源適配器爲市售的12V/1A直流電源，5.5-2.1插頭，內正外負。

控制板接12V電源，LDO降壓到5V給板載設備，不分數字模擬。12V有過流保護，5V有過壓保護。外設板經過排針從控制板上取5V，音頻板經過端子從控制板上取12V，並用LDO降壓到10V用於音頻信號放大。

藍牙模塊JDY-67輸出左右聲道音頻信號，左、右與混合爲3個信號源；6.35mm輔助輸入的左聲道爲信號源，增益可經過控制板左下方的電位器調整；另外一信號源爲分壓後的單片機定時器輸出。以上信號源經CD4051選擇一路（SRC）送到音頻板上，10倍放大並調整直流電位到2.5V後送回（AUD）。此信號經過截止頻率可調的低通濾波器、放大倍數爲0到大約3可調的共射放大電路（反相），進入帶恆流源的、放大倍數爲1的雙端輸入、單端輸出差分放大電路，另外一路爲AUD。差分放大電路輸出用射極跟隨器緩衝，進入D類功放芯片PAM8320，增益26dB。

AUD在控制板上經低通濾波器進入全波整流電路，信號幅度ENV輸出給單片機ADC。AUD串聯10kΩ電阻後接ADC。ADC還接有光敏電阻和熱敏電阻，後者在音頻板上，靠近PAM8320底部焊盤。

單片機採用ATmega328P，頻率20MHz。UART的RX直接引出，TX用CD4053複用爲2路引出，TXDS信號選擇通道，可用跳線鏈接藍牙模塊。SPI鏈接LED驅動與按鍵掃描芯片TM1629與時鐘芯片DS1302，前者在外設板上。兩芯片均爲半雙工IO設計，用SS信號驅動CD4053切換通道。

擴展接口共4組。控制板與外設板右側可插MEDS模塊，也可鏈接其餘I²C設備；麪包板右上方爲UART區域，M和B分別表示單片機和藍牙模塊，ETX爲TXDS高電平時單片機串口輸出；右下方爲單片機GPIO與5V電源，PC可接ADC，PD可接定時器0；下方爲模擬區域，從左到右分別爲藍牙左、右、放大後的輔助輸入、2.5V電源、CD4051通道六、7，2.5V電源在音頻域中輸出100mA時波紋小於50mV。

已知問題與解決方案：

1. 面板固定不牢固，建議在插槽處安裝螺絲，把面板卡在側板的缺口處。

2. 側板上有45度缺口，但調整至該角度時杜邦線會受擠壓，所以不可用。

3. SS應鏈接CD4053的11號引腳，TXDS應鏈接9號，PCB設計錯誤，已經魔改解決。

4. 藍牙模塊已改成直連5V並鏈接MLCC，AMS1117-5.0輸出增長470Ω電阻以知足10mA最小電流要求，但仍不能完全消除噪音。

5. TF卡沒法使用，多是由於CLK沒有上拉。

6. 音頻板上L1和L2不焊，短接，由於貼片磁珠額定電流不夠。

7. D1應改成1206封裝，TM1629引腳超出焊盤，6.35mm插座的封裝中缺口位置錯誤，但這些都不影響裝配。

 

界面

可切換的有5個界面：時鐘、鬧鐘、通道選擇、頻譜和動畫。還有一個鬧鐘響起的界面。按鍵0用於切換至下一界面。

1. 時鐘界面

   顯示時間。按下按鍵2，依次顯示年份、日期、星期幾與小時。使用按鍵3在分秒和時分之間切換。

   按下按鍵1後可用按鍵二、3調整分鐘，再按按鍵1調整秒鐘，再按保存。

2. 鬧鐘界面

   與上面相似，依次調整小時、分鐘的十位和分鐘的個位，最後按下按鍵1保存。

   若是已經設定鬧鐘，會顯示目標時間。按下按鍵1取消。

3. 鬧鐘響起界面

   閃爍顯示時間。按任意按鍵返回鬧鐘響起前的界面。

4. 通道選擇

   可選擇的通道有0、一、二、3和5，分別爲靜音、藍牙左、藍牙右、藍牙左右混合和放大後的輔助輸入。按鍵3切換，按鍵1選擇。

   按鍵2可關閉點陣屏。

5. 頻譜

   顯示頻譜。按鍵無用。

6. 動畫

   與低頻信號響度有關的動畫。按鍵無用。

已知問題與解決方案：

1. 點陣屏顯示的內容越多噪音越大，也許和亮度也有關係，建議享受音樂時關閉點陣屏。

2. 切換至通道0會爆音。建議用旋鈕來靜音。拔電源時也會爆音，建議一直插着。

 

軟件

開發環境Atmel Studio 7.0。BluetoothSpeaker包含driver和program等多個項目，driver爲各設備API，program爲可執行程序，其他都是開發單個功能時的代碼。

driver中的各API就對照着實現顧名思義吧。注意TM1629和DS1302相關的數字都是BCD表示的。除了UART之外，全部操做都是阻塞的。

程序使用一種有點像操做系統的任務管理方式。每一個界面稱爲一個「page」（「process」或「thread」更合適），每一個page包含cdtor、listener和thread三個函數指針字段：

1. cdtor爲page的構造和析構函數，進入和退出時調用。函數switch_page封裝了這一過程。

2. listener爲監聽器，按鍵按下時調用。按鍵響應有兩種方式，一種是在listener內部處理，另外一種是調用button_forward把事件存儲在flag中，在thread中調用button_read讀取。

3. thread爲主線程，界面控制在此執行。函數不得返回。

main函數先初始化，而後進入第一個頁面。在定時器中斷中，程序讀取按鍵，在有按鍵動做時調用當前頁面的listener。listener內部調用switch_page，其中依次關全局中斷、調用dtor、配置頁面、調用ctor，把棧指針SP寫爲內存最高地址以防止內存溢出、開全局中斷，最後調用新頁面的thread。

independent_listener是獨立於頁面的監聽器，負責鬧鐘的計時。

頻譜頁面使用了Arduino FHT庫，規模256，計算線性幅度，取前64個分組累加，最後對數映射輸出。

動畫頁面根據ENV信號的電壓檢測峯值，按照信號是否超過最大值的3/4分兩種狀況。屏幕上一個點在對角線方向上移動，碰到邊緣反彈，電壓高時點變大且移動加快。

已知問題與解決方案：

1. UART接收的ISR中，若是有操做會打開中斷，必定要確保UDR已經讀取，不然會遞歸進ISR。

2. ADC注意精度問題，有時8位不夠。

3. 若是SPI的SS爲輸入，低電平時MSTR位會清零，置位前沒法做爲主機發起通訊，因此要在初始化SPI寄存器以前開上拉電阻或配置輸出。

4. DS1302在寫入RTC寄存器時會從新開始計秒。

5. 代碼第604行對i == 15會復位，不知道是哪裏出問題了。

 

設計提示

硬件：

1. 鏈接MEDS模塊（I²C本身寫哦）。

2. 側板上加燈條。

3. *改用電池供電。

4. 魔改外設板供電。

5. 藍牙音頻與輔助輸入混合。

軟件：

1. 重構。

2. 與藍牙模塊通訊，實現暫停、下一曲等功能。

3. 讓單片機像藍牙模塊那樣，容許用戶經過串口控制設備。

4. *智能校訂時間。

5. 根據光強調整點陣屏亮度。

6. 顯示溫度、過溫保護。

7. *節奏檢測。