Привет, Хабр!

Пожалуй, многие из вас, как и я, неравнодушны к музыке, особенно когда она звучит по-настоящему качественно. В прошлых своих статьях я уже делился опытом реализации портативной беспроводной акустики, где в качестве транспорта аудиопотока используется Wi‑Fi вместо «классического» Bluetooth. Но год эксплуатации и накопленный пользовательский опыт подтолкнули меня к созданию улучшенной версии. А что из этого вышло – читайте далее.

▦ Начало

Несмотря на то, что предыдущая версия акустики для прослушивания стриминговых сервисов в Hi-Fi/Hi-Res качестве оказалась достаточно удачной, меня не устраивает несколько моментов:

• Вычислительная платформа построена на одноплатнике Mango Pi с постоянной памятью на SD-карте — решение не самое надежное. Хотелось бы перейти на на что-то со встроенной eMMC, как в промышленных устройствах;

• Аналоговый звуковой тракт. И здесь проблема опять упирается в используемую Mango Pi: не удалось полноценно реализовать цифровой аудиоинтерфейс I²S, поэтому пришлось использовать встроенный ЦАП со всеми вытекающими — шумами, щелчками, с которыми приходится бороться сигналом отключения усилителя;

• Корпус акустической системы не особо адаптирован для 3D-печати :) (здесь моя вина, очень торопился с реализацией);

• Сложный процесс использования и настройки акустики для обычного пользователя.

В новой версии беспроводной Wi‑Fi‑акустики я постарался учесть эти недостатки и сделать устройство максимально юзер-френдли.

▦ «Все мои детальки»

И здесь мы резко подошли к аппаратной реализации нашей акустики.

Недавно для тестов я заказал вычислительный модуль Luckfox Core1106, который мне очень понравился, поэтому было решено оказать ему честь поработать в этом проекте в качестве вычислительной платформы. Тем более на борту у него уже есть eMMC — это автоматически снимает первую из описанных проблем.

В качестве усилителя (УМЗЧ) я искал решение с цифровым входом и после непродолжительных поисков остановился на микросхеме TAS5828MDADR — это относительно свежий чип 2021 года разработки со встроенным сигнальным процессором (DSP) и отличными характеристиками. Более подробно с характеристиками чипа вы можете ознакомиться в технической документации. Если коротко — чип просто конфетка!

И по традиции, для вывода информации, я оставлю OLED-дисплей SSD1315 с разрешением 64×48 — уж очень сильно он мне нравится, а его белое свечение придаёт колонке какой-то особенный стимпанк-стиль.

Давайте же перейдём к принципиальным схемам. Ранее в своей статье я уже описывал схему подключения модуля Luckfox Core1106, где был реализован I²S-интерфейс. Для полноценной работы акустики необходимо задействовать шину I²C и некоторые пины для управления питанием. Ниже приведена итоговая схема системного модуля:

А так как для достижения максимальной эффективности усилителя TAS5828MDADR я использую бортовое питание напряжением 20 В, то необходимо понизить его до 5 В для питания вычислительного модуля Luckfox Core1106. Для этого я выбрал высокоэффективный синхронный понижающий преобразователь на микросхеме CN3903.

Как и в предыдущих версиях, для внешнего питания акустики используется USB Type-C с модулем-триггером на 20 В. А так как я придерживаюсь максимального минимализма в физических элементах управления акустикой, мы будем использовать единственный элемент: кнопку питания без фиксации с LED подсветкой и диаметром 16 мм, которая подключается к разъёму J8.

Для оценки технической красоты, ниже представлен рендер печатной платы.

На этапе реализации я решил пока разделить системную плату и плату усилителя на два модуля. Поэтому усилитель будет реализован на отдельной плате, и, чтобы не изобретать велосипед и сэкономить время, я решил воспользоваться уже готовым решением, которое нашёл на GitHub. Ниже представлены схема и разводка платы.

Разработчик платы ошибся в указании полярности на разъёме J2, а я заботливо подправил в графическом редакторе.

А так как в данный момент я не имею необходимых инструментов (и дополнительных средств для их приобретения) для производства прототипов плат в домашних условиях, пришлось заказать производство в Китае. И спустя пару недель прототипы плат у меня на руках.

Обе платы имеют одинаковые габариты, которые составляют 70 х 50 мм.

▦ Корпус акустики

Как и в предыдущей версии, используется тип акустического оформления ЗЯ с ПИ, а на человеческом языке — закрытый ящик с пассивным излучателем. В отличие от предыдущей версии, здесь я постарался более детально продумать элементы корпуса, чтобы обеспечить печать на 3D-принтере без каких-либо проблем. И как всегда, корпус проектировался во FreeCAD, ниже вы можете видеть результат проектирования.

Как вы можете заметить, панели корпуса рассчитаны на установку акустических головок 130 мм (мидбас) и 50 мм (твиттер). О них — чуть ниже.

А в тыловой части размещаются пассивные излучатели диаметром 139 мм.

Как и в прошлой версии, центральный отсек корпуса отведён под электронику: нижний уровень — для аккумулятора, верхний — для печатных плат.

Корпус печатал на принтере Flashforge Adventurer 5M. В этот раз использовал PETG вместо HIPS — акустические свойства чуть хуже, зато проблем при печати заметно меньше. Всего на весь корпус ушло 1,5 кг филамента при заполнении 15% и высоте слоя 0,34 мм.

▦ Сборка

Пожалуй, это самый увлекательный процесс: на этом этапе ты видишь, как материализуется твоя инженерная мысль.

Для начала нужно спаять печатные платы усилителя и системной платы, делается это просто с помощью нагревательного стола и паяльника:

После монтажа всех компонентов на печатную плату можно приступать к тесту работоспособности. Так как микросхема TAS5828MDADR имеет широкий диапазон питающего напряжения от 4,5 до 26,4 В, для тестов будем использовать минимальное напряжение 5 В.

После сборки системной платы нам необходимо сначала убедиться в корректной работе понижающего синхронного преобразователя, подав на него напряжение чуть больше 5 В, например 12 В, и убедиться, что на выходе стабильные 5 В. И только после этого можно припаивать сам вычислительный модуль Luckfox Core1106.

С платами разобрались, теперь можно приступить к самому интересному — к полной сборке.

Пожалуй, начнём с аккумуляторной батареи. В этой версии я увеличил ёмкость аккумулятора вдвое — теперь она составляет 4000 мАч. Используется та же BMS-плата, что и в прошлой версии — QS-B305ABL-50А. После сборки аккумулятор выглядит следующим образом.

И как можно заметить, фиксирующие аккумуляторы элементы тоже были напечатаны на 3D-принтере.

Далее приступим к сборке акустических модулей нашей акустики, для этого нужно немного рассказать об используемых динамиках. А так как качественные динамики под наши задачи обычно стоят недешево, для экономии бюджета заглянем, как всегда, в сторону автозвука. Для данной версии акустики я выбрал двухкомпонентный набор динамиков с мидбасом на 130 мм и твиттером на 50 мм от одного известного производителя. Ниже представлено изображение этого набора:

Заявленные производителем технические характеристики:

В комплекте, кстати, есть и кроссовер. Сначала давайте займёмся кроссовером — удалим с него всё лишнее: корпус и клеммник, они нам только мешают.

Далее монтируем динамики на ранее распечатанную фронтовую панель модуля акустики:

Припаиваем кроссовер. Твиттер аккуратно запрессовывается в отверстие панели, а вывод провода обязательно нужно загерметизировать термоклеем, иначе из-за звукового давления внутри корпуса акустики может повредиться мембрана твиттера.

К кроссоверу припаиваем входной провод ШВВП 2х0,75 и крепим плату к корпусу на наноскотч — отличное решение. Далее поверх кроссовера мы уже можем разместить слой синтепона, чтобы снизить акустические переотражения внутри корпуса акустического модуля.

Синтепон приклеивается на обычный резиновый клей. И, как вы могли заметить, на задней панели уже красуется мембрана пассивного излучателя. Давайте же перейдём и к ней.

Мембраны для пассивного излучателя я приобрёл на китайской торговой площадке — их диаметр составляет 139 мм. Для герметизации использовал тонкий наноскотч.

Далее аккуратно накладывается мембрана и плотно прижимается.

И финальная фиксация выполняется с помощью прижимного кольца и саморезов 4х25 мм.

Как вы могли заметить, основные панели крепятся к корпусу с помощью обычных винтов M3х15, и для максимальной герметичности используется напечатанные прокладки из TPU пластика.

И для первоначальных тестов «подсобираем» модули, результат вы можете наблюдать ниже.

Для эстетики позже я закупил чёрные винты, чтобы использовать их на фронтальных панелях. А дальше — первый тест акустических модулей. И…  результат превзошёл мои ожидания! Очень приятный звук, мощные низкие, всё прекрасно! Значит, идём дальше и собираем акустику полностью!

Соединяем акустические модули с центральным блоком — и вот как это выглядит на винтажном полу :).

Далее устанавливаем всю нашу электронику в центральный отсек, дисплей и кнопку туда же.

Для удобства обслуживания я использовал съёмные соединения: провода акустических модулей — на клеммниках, аккумулятор — через силовой разъём XT60, а остальная периферия — через колодки PH2.0.

Вот так выглядит задняя панель блока электроники. Здесь расположены индикатор заряда аккумулятора, выносная антенна, порт зарядки USB Type-C и кнопка активации индикатора. Антенна подключена к выносному SMA разъёму. Кстати, в качестве кнопки я использовал микропереключатель от старой компьютерной мыши — экономика должна быть экономной :). Как и в прошлой версии, синий светодиод над портом USB Type-C сигнализирует о том, что напряжение в норме — в нашем случае это 20 В.

Крепление OLED-дисплея здесь простое: дисплей вставляется в специальную нишу и фиксируется наноскотчем. Наноскотч теперь наше всё.

И, как вы можете заметить, в отличие от прошлой версии, теперь мы можем контролировать уровень заряда аккумулятора с помощью системной платы, благодаря наличию на вычислительном модуле ADC (аналогового) входа.

А вот и сама колонка на том самом принтере, который её напечатал.

Ну и в финале вот полный вид в интерьере.

▦ Управление и стриминг

Однажды мне сказали: «Всё хорошо, но если бы твоя колонка работала как Bluetooth-устройство — для обычного пользователя было бы гораздо проще». Да, некоторые моменты остаются сложными для обычного пользователя. Но я улучшил логику взаимодействия и встроил её в моё приложение, которое изначально проектировалось для работы с этой акустикой (для стриминга и настройки). Ниже представлены скриншоты приложения.

Недавно я добавил функцию настройки подключения акустики к Wi‑Fi с помощью Bluetooth Low Energy (BLE). Приложение автоматически находит колонку и предлагает настроить Wi‑Fi, если подключение отсутствует. Ниже показаны скриншоты приложения с процессом подключения к сети и настройкой времени акустики.

Также мне задавали вопрос: «Как использовать Wi‑Fi-акустику при отсутствии Wi‑Fi, например на природе или на даче?». Да, но этот вопрос был решён ещё при разработке прошлой версии акустики. Для этого на смартфоне запускается режим точки доступа (HotSpot), и приложение уже адаптировано для работы с ним.

Я часто беру акустику в поездки на природу или в деревню — туда, где нет стационарной Wi‑Fi-сети. И она работает идеально: мощный, качественный звук, на который с удивлением обращают внимание случайные прохожие.

И фото для сравнения сравнения габаритов новой и предыдущей версии:

▦ Итоги

Пожалуй, программную часть я вынесу в отдельную статью — чтобы не перегружать эту. Там есть много изменений и нововведений, которые решают последний пункт описанных проблем в начале статьи.

Итак, в завершение статьи резюмируем, чего мы добились:

• Заменили вычислительную платформу на Luckfox Core1106, решив проблему использования SD-карт и добавив новых функций;

• Избавились от аналогового звукового тракта — теперь сигнал источника в исходном виде доходит до самого усилителя;

• Заменили аудиоусилитель на более качественный и современный с цифровым входом и мощным DSP, у которого значительно ниже уровень КГИ+шум (THD+N).

• Разработали новый корпус, применили динамики и пассивные излучатели большего диаметра с улучшенными характеристиками. Например, чувствительность динамиков теперь составляет 90 дБ по сравнению с 88 дБ в предыдущей версии.

На начальном этапе я использовал аппаратный режим (Hardware Mode) конфигурации усилителя TAS5828MDADR. Но так как на системной плате уже есть I²C-интерфейс для управления дисплеем, ничто не мешает перейти на программную конфигурацию усилителя — это уже вопрос дальнейшего развития проекта.

И для тех, кто умеет оценивать качество звука по видео, ниже размещено видео работы акустики.

И в конце давайте подсчитаем примерные финансовые затраты на реализацию аппаратной части проекта. Всё сведём в таблицу:

На этом можно и заканчивать статью. Спасибо за уделённое время! Если у вас остались вопросы или вы хотите поделиться своим опытом — добро пожаловать в комментарии! Всем добра, успехов и интересных проектов!

Ссылки к статье:

• Исходники проекта;

• Проект платы усилителя;

• Некоторая неудобная правда об LDAC;

• Hi-Fi с Wi-Fi. Часть вторая: хочется мощнее;

• Нестандартное решение для стандартных задач: пробуем вычислительный модуль Luckfox.