自制蓝牙音箱的手册

综述

本文是蓝牙音箱的手册。

蓝牙音箱作为礼物，面向的是用户，但是这位用户同时又是开发者，因此音箱的设计原则是实现一定的功能，并提供足够的扩展接口、开放设计文档。

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硬件

音箱由外壳、3块PCB、扬声器、面包板、若干连接线和电源适配器组成。

外壳包括亚克力材质的底板、面板和侧板。底板和面板之间用不锈钢合页连接，可调整至侧板上有缺口的角度处固定，可用的角度有60、65、70、75和90度。
3块PCB中，底板包含电源与控制部分，2块面板中下侧的一块为外设，右上的为音频。

16*8点阵屏为主要输出设备，4个按键（标号为0到3）的功能在下一节中介绍。

3个旋钮中，右上调节低频增益，左上调节低频范围，下面的调节音量，逆时针旋到底可静音。

控制板上的绿灯指示蓝牙连接，断开J5以禁用；音频板上的红灯指示输出开启，把R19移到旁边的焊盘上以禁用。

控制板和外设板、音频板之间分别用8、4针排线连接，标“1”的位置对应；控制板和音频板之间还需2根电源线，“+”“-”对应。
电源适配器为市售的12V/1A直流电源，5.5-2.1插头，内正外负。

控制板接12V电源，LDO降压到5V给板载设备，不分数字模拟。12V有过流保护，5V有过压保护。外设板通过排针从控制板上取5V，音频板通过端子从控制板上取12V，并用LDO降压到10V用于音频信号放大。

蓝牙模块JDY-67输出左右声道音频信号，左、右与混合为3个信号源；6.35mm辅助输入的左声道为信号源，增益可通过控制板左下方的电位器调整；另一信号源为分压后的单片机定时器输出。以上信号源经CD4051选择一路（SRC）送到音频板上，10倍放大并调整直流电位到2.5V后送回（AUD）。此信号通过截止频率可调的低通滤波器、放大倍数为0到大约3可调的共射放大电路（反相），进入带恒流源的、放大倍数为1的双端输入、单端输出差分放大电路，另一路为AUD。差分放大电路输出用射极跟随器缓冲，进入D类功放芯片PAM8320，增益26dB。

AUD在控制板上经低通滤波器进入全波整流电路，信号幅度ENV输出给单片机ADC。AUD串联10kΩ电阻后接ADC。ADC还接有光敏电阻和热敏电阻，后者在音频板上，靠近PAM8320底部焊盘。

单片机采用ATmega328P，频率20MHz。UART的RX直接引出，TX用CD4053复用为2路引出，TXDS信号选择通道，可用跳线连接蓝牙模块。SPI连接LED驱动与按键扫描芯片TM1629与时钟芯片DS1302，前者在外设板上。两芯片均为半双工IO设计，用SS信号驱动CD4053切换通道。

扩展接口共4组。控制板与外设板右侧可插MEDS模块，也可连接其他I²C设备；面包板右上方为UART区域，M和B分别表示单片机和蓝牙模块，ETX为TXDS高电平时单片机串口输出；右下方为单片机GPIO与5V电源，PC可接ADC，PD可接定时器0；下方为模拟区域，从左到右分别为蓝牙左、右、放大后的辅助输入、2.5V电源、CD4051通道6、7，2.5V电源在音频域中输出100mA时波纹小于50mV。

已知问题与解决方案：

面板固定不牢固，建议在插槽处安装螺丝，把面板卡在侧板的缺口处。
侧板上有45度缺口，但调整至该角度时杜邦线会受挤压，因此不可用。
SS应连接CD4053的11号引脚，TXDS应连接9号，PCB设计错误，已经魔改解决。
蓝牙模块已改为直连5V并连接MLCC，AMS1117-5.0输出增加470Ω电阻以满足10mA最小电流要求，但仍不能彻底消除噪音。
TF卡无法使用，可能是因为CLK没有上拉。
音频板上L1和L2不焊，短接，因为贴片磁珠额定电流不够。
D1应改为1206封装，TM1629引脚超出焊盘，6.35mm插座的封装中缺口位置错误，但这些都不影响装配。

界面

可切换的有5个界面：时钟、闹钟、通道选择、频谱和动画。还有一个闹钟响起的界面。按键0用于切换至下一界面。

时钟界面

显示时间。按下按键2，依次显示年份、日期、星期几与小时。使用按键3在分秒和时分之间切换。

按下按键1后可用按键2、3调整分钟，再按按键1调整秒钟，再按保存。
闹钟界面

与上面类似，依次调整小时、分钟的十位和分钟的个位，最后按下按键1保存。

如果已经设定闹钟，会显示目标时间。按下按键1取消。
闹钟响起界面

闪烁显示时间。按任意按键返回闹钟响起前的界面。
通道选择

可选择的通道有0、1、2、3和5，分别为静音、蓝牙左、蓝牙右、蓝牙左右混合和放大后的辅助输入。按键3切换，按键1选择。

按键2可关闭点阵屏。
频谱

显示频谱。按键无用。
动画

与低频信号响度有关的动画。按键无用。

已知问题与解决方案：

点阵屏显示的内容越多噪音越大，也许和亮度也有关系，建议享受音乐时关闭点阵屏。
切换至通道0会爆音。建议用旋钮来静音。拔电源时也会爆音，建议一直插着。

软件

开发环境Atmel Studio 7.0。BluetoothSpeaker包含driver和program等多个项目，driver为各设备API，program为可执行程序，其余都是开发单个功能时的代码。

driver中的各API就对照着实现顾名思义吧。注意TM1629和DS1302相关的数字都是BCD表示的。除了UART以外，所有操作都是阻塞的。

程序使用一种有点像操作系统的任务管理方式。每个界面称为一个“page”（“process”或“thread”更合适），每个page包含cdtor、listener和thread三个函数指针字段：

cdtor为page的构造和析构函数，进入和退出时调用。函数switch_page封装了这一过程。
listener为监听器，按键按下时调用。按键响应有两种方式，一种是在listener内部处理，另一种是调用button_forward把事件存储在flag中，在thread中调用button_read读取。
thread为主线程，界面控制在此执行。函数不得返回。

main函数先初始化，然后进入第一个页面。在定时器中断中，程序读取按键，在有按键动作时调用当前页面的listener。listener内部调用switch_page，其中依次关全局中断、调用dtor、配置页面、调用ctor，把栈指针SP写为内存最高地址以防止内存溢出、开全局中断，最后调用新页面的thread。

independent_listener是独立于页面的监听器，负责闹钟的计时。

频谱页面使用了Arduino FHT库，规模256，计算线性幅度，取前64个分组累加，最后对数映射输出。

动画页面根据ENV信号的电压检测峰值，按照信号是否超过最大值的3/4分两种情况。屏幕上一个点在对角线方向上移动，碰到边缘反弹，电压高时点变大且移动加快。

已知问题与解决方案：

UART接收的ISR中，如果有操作会打开中断，一定要确保UDR已经读取，否则会递归进ISR。
ADC注意精度问题，有时8位不够。
如果SPI的SS为输入，低电平时MSTR位会清零，置位前无法作为主机发起通信，所以要在初始化SPI寄存器之前开上拉电阻或配置输出。
DS1302在写入RTC寄存器时会重新开始计秒。
代码第604行对i == 15会复位，不知道是哪里出问题了。

设计提示

硬件：

连接MEDS模块（I²C自己写哦）。
侧板上加灯条。
*改用电池供电。
魔改外设板供电。
蓝牙音频与辅助输入混合。

软件：

重构。
与蓝牙模块通信，实现暂停、下一曲等功能。
让单片机像蓝牙模块那样，允许用户通过串口控制设备。
*智能校正时间。
根据光强调整点阵屏亮度。
显示温度、过温保护。
*节奏检测。