市场介绍

在消费升级的背景下，越来越多的家庭由 “生活功能型”逐步向“生活品质型”升级， 代表着未来智慧生活的全屋智能应运而生。智能音箱是全屋智能的其中一个产物，集传统音箱能力与AI智能交互能力于一体，为家庭消费者提供语音交互、手势控制等多模态交互体验，提供海量内容服务及更多智能控制体验。

项目介绍与设计思路

智能音箱通俗的理解为“音箱+智能”，有着普通蓝牙音箱的听歌功能，同时搭载了人工智能。用户可以使用它进行语音交互，同时下达命令、控制家居等一系列人机交互操作。此方案集成了乐鑫的 ESP32 无线 SoC 芯片和 360 度拾音的双麦克风阵列，具备语音功能、连接 IoT 平台的功能。

设计方案

方案框图

得捷网站链接如下：https://www.digikey.cn/schemeit/project/123-3bcfe80133bb435abae0143ec4b0cfd0

本项目的系统框图设计如下：

以上系统框图是使用 Scheme-it 工具绘制。

Scheme-it 是一款在线原理图和图表绘制工具，能让用户在浏览器网页中创建并分享自己的技术布局设计。 该工具包括了构建电路所需的一整套原理图符号以及集成式 Digi-Key 目录，支持将产品图片和图像插入用户的设计中。该工具还包括一个集成式物料清单 (BOM)，以便用户将每个通用符号或制造商元件与Digi-Key 零件编号相关联。

主要元器件

• 无线模组乐鑫ESP32-WROVER-E
• 数字信号处理器TI TAS3108
• 音频编解码器TI TLV320ADC5140 
• 音频功率放大器TI TPA3128

无线模组：乐鑫ESP32-WROVER-E

这款 ESP32 模组内置 ESP32-D0WD-V3 芯片、128 Mbit flash¹ 和 64 Mbit PSRAM，可灵活存储数据，具有 Wi-Fi / BT 连接和数据处理能力。

ESP32-D0WD-V3芯片具有可扩展、自适应的特点。两个 CPU 核可以被单独控制。CPU 时钟频率的调节范围为 80 MHz 到 240MHz。用户可以关闭 CPU 的电源，利用低功耗协处理器监测外设的状态变化或某些模拟量是否超出阈值。ESP32还集成了丰富的外设，包括电容式触摸传感器、霍尔传感器、SD 卡接口、以太网接口、高速 SPI、UART、I2S和 I2C 等。

模组集成了传统蓝牙、低功耗蓝牙和 Wi-Fi，具有广泛的用途：Wi-Fi 支持极大范围的通信连接，也支持通过路由器直接连接互联网；而蓝牙可以让用户连接手机或者广播 BLE Beacon 以便于信号检测。ESP32 芯片的睡眠电流小于 5 µA，使其适用于电池供电的可穿戴电子设备。模组支持的数据传输速率高达 150 Mbps，天线输出功率达到 20 dBm，可实现最大范围的无线通信。

数字信号处理器：TI TAS3108

TAS3108 DSP配有专为音频处理进行优化的全套工具，能高效实施专有算法与标准特性，其中包括均衡技术、音色与音量控制等。有关工具基本分为两个部分，一是图形开发环境(GDE)，二是集成开发环境(IDE)。GDE是支持拖放功能的图形化开发环境，用户只需将预先优化的组件放入适当的位置即可。这样，用户就能对每个组件进行实时编程与控制，并利用专有算法发布其自主组件。IDE是传统的工具，其中包括编辑器以及仿真器/调试工具。编辑器将根据客户工作环境的不同显示不同颜色，以帮助客户了解需要输入的内容，从而加快编程速度，减少错误。仿真器/调试工具则能提供基于PC的环境，以使客户通过代码检测，实现调试目的，并查看存储器和设置断点。

音频编解码器：TI TLV320ADC5140

TLV320ADC5140是业界具备同等性能的体积更小的四通道音频ADC，是TI新推出的三款Burr-Brown™音频ADC系列产品之一，可以在嘈杂的环境中实现低失真录音，还可以在任何环境中进行远场高保真录音。

TLV320ADC5140的主要特性和优势

• 利用波束形成系统，在任何环境中都可以清晰地采集音频：TLV320ADC5140具有内置的120dB动态范围增强器（DRE）。在系统层面，即使在非常靠近音箱输出的情况下，DRE方案仍可在保持低失真录音的同时增强低音量音频信号。DRE还可以改善所有环境中的远场高保真录音。
• 优质麦克风提供了高品质的语音兼容性：TLV320ADC5140是首款完全支持超过106dB动态范围的最新高信噪比麦克风的ADC。
• 领先的集成支持多功能系统设计：TLV320ADC5140最多可支持麦克风输入的四个模拟通道或八个数字通道（或其组合）进行同步采样，从而确保了系统灵活性，另外还提供增益和相位校准等可编程功能，以均衡麦克风阵列失配。其他功能包括可编程增益放大器、高通滤波器、通道混合以及线性相位或超低延迟滤波器。
• 体积小，系统功耗低：TLV320ADC5140的内置功能可以帮助工程师减轻数字信号处理任务的负担，从而可以在不牺牲系统可靠性的情况下缩小设计体积。在48kHz时，每个通道的功耗仅为9.5mW。

音频功率放大器：TI TPA3128

TPA3130D2 是一款 支持无滤波器操作的 15W 立体声、30W 单声道、4.5V 至 26V 电源电压、模拟输入 D 类音频放大器。

• 支持多路输出配置
– 在 24V 电压下，为 8Ω BTL 负载提供 2 × 30W负载
• 宽电压范围：4.5V 至 26V
• 高效 D 类运行
– 采用推荐的 LC 滤波器配置时静态电流超低：<23mA
– 功率效率达 90% 以上且静态损耗低，因此无需散热器
– 基于输出功率的自适应调制机制
– 智能放大器驱动器可降低对 RC 缓冲器的要求
• 多重开关频率
– AM 抑制
– 主从同步
– 300kHz 至 1.2MHz 开关频率
• 采用具有高 PSRR 的反馈功率级架构，降低了PSU 要求
• 可编程功率限制
• 支持并联 BTL 模式和单通道模式
• 支持单电源和双电源供电模式
• 集成式自保护电路，包括过压、欠压、过热、直流检测和短路等保护，并且具有错误报告功能

心得体会

希望后续有时间做出实物，通过此次活动，加深了我对智能音箱的认识，让我在短时间内学会新方案和掌握开发新项目的工具。