【導讀】本設計將ADI公司獨有的1-Wire?技術首次運用到TWS耳機解決方案中，使用1-Wire雙向橋接器DS2488，在滿足能量傳輸和數據通信要求的基礎上，具備低成本、低功耗、高精度、小尺寸、高效率等諸多優(yōu)勢，是TWS耳機的理想解決方案。
簡介
TWS耳機最引人注目的特點是其無線佩戴的便捷性。相比于傳統(tǒng)的藍牙耳機，TWS耳機具備體積小、音質好、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)勢，還具有一定的防水性和智能性，因而迅速吸引了消費者們的視線。目前，TWS耳機的出貨量和總體市場規(guī)模都在不斷擴大，是目前消費類電子的熱點研發(fā)領域。
系統(tǒng)架構
本文中介紹的1-Wire TWS耳機解決方案MAXREFDES1302包括充電盒和耳機兩個部分，系統(tǒng)整體硬件架構如圖1所示。
圖1.1-Wire TWS充電盒和耳機系統(tǒng)架構。
充電盒使用3.7V 1500mAh的單節(jié)鋰電池給系統(tǒng)供電，采用支持USB Type-C協(xié)議的充電器MAX77651給鋰電池充電，用戶只需使用單根USB Type-C數據線便可對整機進行充電。在電源軌方面，充電盒采用MAX17224升壓模塊將充電器的系統(tǒng)電壓升壓至5V電壓，該5V電壓通過MAX38640降壓模塊產生3.3V電壓為微控制器MAX32655供電，同時，該5V電壓還通過1-Wire控制電路傳輸至耳機，作為耳機系統(tǒng)的充電電源。在電量監(jiān)控方面，充電盒采用內置檢流電阻的電量計MAX17262對電池進行監(jiān)控。該電量計將傳統(tǒng)的庫倫計數方法與創(chuàng)新的ModelGauge? m5 EZ算法相結合，無需電池特征分析，配置靈活，使用簡便。在微控制器方面，充電盒采用具備BLE 5.2模塊和內置SIMO電源模塊的微處理器MAX32655，該處理器資源豐富，除了常用的通信接口，其GPIO還可以被配置為1-Wire通信接口，可對耳機側的DS2488進行讀寫控制，為1-Wire通信和充電提供極大便利。充電盒的SWD接口可連接至MAX32625PICO下載器，既可為充電盒的MAX32655更新固件，也可通過虛擬串口在計算機上顯示電池的信息。電池的信息也可以通過充電盒上的OLED屏幕顯示。
耳機使用3.7V 130mAh的單節(jié)鋰電池給系統(tǒng)供電，使用DS2488雙向1-Wire橋接器實現(xiàn)耳機和充電盒的數據交互，同時實現(xiàn)對源自充電盒的5V充電電源的控制。在控制器方面，耳機同樣使用MAX32655作為微控制器，該微控制器使用UART接口模擬1-Wire時序對DS2488進行讀寫控制，同樣使用SWD接口連接MAX32625PICO下載器下載程序。在電源軌方面，耳機采用的充電器MAX77734自帶的一路3.3V的LDO輸出為微控制器MAX32655供電，同時，該3.3V和MAX32655內置SIMO模塊產生的1.8V和1.2V電源一起，組成音頻編解碼器MAX98050的電源軌。在電量監(jiān)控方面，耳機同樣采用電量計MAX17262對電池進行監(jiān)控。
圖2為1-Wire TWS充電盒和耳機的實物圖。充電盒的實際尺寸為10.20cm × 5.80cm，耳機的實際尺寸為10.20cm × 6.50cm，由于本設計為輔助客戶進行設計、測試和研究的樣機，在精簡測試點的情況下，現(xiàn)實產品的尺寸可以大幅壓縮，以滿足TWS耳機實際應用的尺寸要求。
圖2.1-Wire TWS充電盒和耳機PCBA實物圖。
1-Wire數據通信和能量傳輸
在TWS耳機應用中，用可靠便捷的方法實現(xiàn)充電盒與耳機之間的數據通信和能量傳輸至關重要。目前市場上常見的TWS耳機通常使用3個或更多的觸點與充電盒連接，以實現(xiàn)數據通信和能量傳輸的功能。但是，過多的觸點通常會導致系統(tǒng)成本的增加，這對低成本的可穿戴產品設計極為不利。另外，更多的觸點通常需要更大的空間，這和TWS耳機的小尺寸要求相違背。此外，更多的觸點往往會增加故障發(fā)生的可能性。本設計采用為TWS方案設計的ADI專有的1-Wire雙向橋接器DS2488實現(xiàn)耳機與充電盒之間的能量傳輸和數據交互。DS2488支持1-Wire總線協(xié)議，可用單導線實現(xiàn)通信和充電的功能。由于系統(tǒng)需要額外一個觸點用于將耳機和充電盒的地相連，整體解決方案僅需要使用兩個觸點，可大大提高系統(tǒng)可靠性，降低尺寸和成本。本設計采用的1-Wire通信充電電路框圖如圖3所示。
圖3.1-Wire通信充電電路框圖。
DS2488工作原理
如圖3所示，DS2488為1-Wire雙向橋接器，具備IOA和IOB兩個1-Wire通訊引腳供兩側的微控制器控制，其中IOA由充電盒的微控制器控制，IOB由耳機的微控制器控制。IOA支持最高可達5.5V的輸入電壓，支持在1-Wire總線（IOA）上傳輸不同的通信和充電電平。作為1-Wire器件，每個DS2488器件還具備唯一的64位ROM ID，供用戶進行識別、認證。DS2488內部還具備8字節(jié)的緩沖器，可供微控制器進行讀寫，以實時更新存儲兩側的電池信息。在本設計中，緩沖器存儲的信息如表1所示。
表1.DS2488緩沖器存儲的信息
DS2488的TOKEN引腳指示DS2488的控制狀態(tài)：TOKEN為低指示充電盒的微控制器取得DS2488的控制權限；TOKEN為高指示耳機側的微控制器取得DS2488的控制權限。DS2488的CD/PIOC引腳控制充電盒是否為耳機充電：當1-Wire總線（IOA）上的電壓小于4V時，CD/PIOC為高阻態(tài)，晶體管關斷，充電停止；當1-Wire總線（IOA）上的電壓大于4V時，CD/PIOC為低，晶體管導通，1-Wire總線上（IOA）的電壓直接加到耳機的充電器上，充電開始。耳機充電和通信的選擇邏輯主要由一個連接至5V的MOSFET實現(xiàn)，該MOSFET的通斷由充電盒的微控制器控制，充電盒與耳機的使用主要分為以下幾種情況。
耳機在充電盒中且充電盒倉蓋開啟
此時，充電盒的微控制器將MOSFET關斷，并取得DS2488的控制權限，TOKEN為低，CD/PIOC為高阻態(tài)。充電盒通過IOA對DS2488的內部8字節(jié)的緩沖器進行讀寫，讀取耳機電池的字節(jié)信息，并更新寫入充電盒電池的字節(jié)信息。此時充電停止，進行通信。
耳機在充電盒中且充電盒倉蓋關閉
此時，充電盒的微控制器將MOSFET開啟，5V直接通過1-Wire總線（IOA）傳輸至耳機，此時TOKEN為高，CD/PIOC為低。充電盒的5V電壓被傳輸至耳機側，為耳機的鋰電池進行充電。同時，耳機的微控制器取得DS2488的控制權限，通過IOB對DS2488的內部8字節(jié)的緩沖器進行讀寫，更新寫入耳機電池的字節(jié)信息，并讀取充電盒電池的字節(jié)信息。此時通信停止，進行充電。
耳機不在充電盒中或充電盒電池耗盡
此時，1-Wire總線（IOA）呈現(xiàn)高阻態(tài)，此時TOKEN為高，CD/PIOC為高阻態(tài)。此時，耳機的微控制器取得DS2488的控制權限，通過IOB對DS2488的內部8字節(jié)的緩沖器進行讀寫，并更新寫入耳機電池的字節(jié)信息。
DS2488 1-Wire數據通信
如上文所述，本設計使用DS2488作為充電盒和耳機兩側的微控制器的橋接器，實現(xiàn)兩側微控制器之間的數據交互。DS2488支持典型的1-Wire通信協(xié)議，協(xié)議的時序分為復位與響應時序和讀寫時序，讀寫時序又分為寫0時隙、寫1時隙和讀時隙，如圖4和圖5所示。各時序高低電平階段的時間范圍的詳細數據可參考DS2488的數據手冊。
圖4. DS2488 1-Wire復位和響應時序。
圖5.DS2488 1-Wire讀寫時序。
所有1-Wire器件內部均是由狀態(tài)機組成的，其狀態(tài)轉移圖如圖6所示。如圖4所示，當微控制器向DS2488器件發(fā)送復位信號后，1-Wire總線將被拉低48μs到80μs，隨后總線被上拉電阻拉高釋放。如果總線上連接有DS2488，DS2488將響應該復位信號，在總線被釋放48μs之后再次將1-Wire總線拉低6μs到10μs。此時微控制器可以檢測總線上的電平變化，即通過檢測到總線是否被再次拉低來判斷是否有DS2488連接至1-Wire總線。
圖6.1-Wire器件的狀態(tài)轉移圖。
當DS2488響應復位信號后，微控制器將發(fā)送ROM功能命令（ROM Function Command）。所有1-Wire器件的ROM功能命令都相同，一些常用的ROM功能命令如表2所示。由于TWS耳機設計中，充電盒內通常需要容納兩個耳機，所以1-Wire總線（IOA）上通常會掛接兩個DS2488。本設計首先采用Read ROM命令（0x33）和Match ROM命令（0x55）分別讀取1-Wire總線（IOA）上兩個DS2488的ROM ID和匹配特定ROM ID的DS2488器件，實現(xiàn)左右耳機的身份識別和選通。
表2.常用的1-Wire ROM功能命令
當發(fā)送ROM功能命令后，微控制器將發(fā)送設備功能命令（Device Function Command）對器件進行進一步的操作。不同1-Wire器件的設備功能命令各不相同，對DS2488而言，一些常用的設備功能命令如表3所示。本設計采用Write Buffer命令（0x33）和Read Buffer命令（0x44）對DS2488內部的8字節(jié)緩沖器進行讀寫，實現(xiàn)充電盒和耳機電池信息的交互。
表3.常用的DS2488設備功能命令
充電盒的微控制器MAX32655的兩組GPIO（P0.6與P0.7，P0.18與P0.19）可被配置為1-Wire模塊的OWM_IO引腳和OWM_PE引腳，分別實現(xiàn)與DS2488之間的通信和5V的傳輸。本設計將MAX32655的OWM_IO引腳連接至DS2488的IOA引腳，實現(xiàn)充電盒和DS2488之間的1-Wire通信功能。
與此不同的是，考慮到市面上部分微控制器并不具備1-Wire接口，為用戶設計方便起見，耳機的微控制器MAX32655采用UART接口模擬1-Wire時序，通過IOB對DS2488進行通信，如圖3所示。微控制器通過配置特定的UART波特率和發(fā)送特定的碼形即可實現(xiàn)這一功能。以圖4所示的復位與響應時序為例，當波特率為115200時，UART收發(fā)每一位數據的時間長度約為8.68μs。因此，1個字節(jié)（8位）的數據的時間長度約為69.44μs，而0xE0（二進制：11100000）（UART先發(fā)送低位數據）則剛好對應1-Wire復位信號的時序。此時，若微控制器通過TX發(fā)送0xE0（復位信號），1-Wire總線（IOB）上的DS2488將響應此復位信號并將總線拉低6μs至10μs，此時RX上收到的信號應為0xC0（二進制：11000000）或0x80（二進制：10000000）。微控制器通過收發(fā)不同的碼形，并將接收和發(fā)送的信號相比較，即可實現(xiàn)通過UART模擬1-Wire時序的功能。
DS2488 1-Wire能量傳輸
如圖3所示，充電盒的微控制器MAX32655的OWM_PE引腳控制MOSFET的通斷，當MOSFET關斷時，系統(tǒng)進行1-Wire通信；當MOSFET導通時，5V電壓通過1-Wire總線（IOA）傳輸至耳機側，此時DS2488檢測到5V，CD/PIOC引腳變?yōu)榈碗娖绞咕w管導通，將5V電壓傳至充電器給耳機的鋰電池充電。
電池管理與電源配置
充電盒的電池管理和電源配置系統(tǒng)由USB Type-C充電器MAX77751、電量計MAX17262、升壓DC/DC轉換器MAX17224和降壓DC/DC轉換器MAX38640組成。通常，單節(jié)鋰電池的充電終止電壓為4.2V，因此選擇MAX77751CEFG+作為具體的充電器型號。該充電器的充電電流由連接至IFAST引腳和ITOPOFF引腳的電阻配置，考慮到實際需要，選擇500mA的快充電流和100mA的終止電流，對應的電阻分別為2.4kΩ和8.06kΩ。電量計MAX17262具備ModelGauge m5 EZ算法，在配置電池容量、終止電流、充電電壓門限等電池參數后即可自動對電池進行測量，無需額外的電池建模。升壓DC/DC轉換器MAX17224和降壓DC/DC轉換器MAX38640的輸出電壓均由連接至SEL引腳和RSEL引腳的電阻配置，這里選擇0Ω和56.2kΩ的電阻以分別輸出5V和3.3V。
耳機的電池管理和電源配置系統(tǒng)由充電器MAX77734和電量計MAX17262組成，微控制器MAX32655的SIMO輸出也同時為系統(tǒng)提供1.8V和1.2V的電源軌。由于只需要一路3.3V的LDO輸出，因此選擇充電器的具體型號為MAX77734GENP+。該充電器還可通過I2C配置成出廠運輸模式、關斷模式和待機模式，從而延長電池壽命。微控制器MAX32655提供四路SIMO輸出，每路均可通過寄存器配置輸出不同的電壓。
固件設計
充電盒的固件流程圖如圖7所示。上電后，充電盒的微控制器將初始化GPIO，并配置電量計MAX17262和OLED模塊。然后，微控制器對充電盒倉蓋的狀態(tài)進行輪詢。如果充電盒倉蓋關閉，微控制器將禁用 1-Wire 模塊，并將 5V 的充電電壓加到1-Wire總線（IOA）上為耳機充電。在這種狀態(tài)下，如果微處理器檢測到充電盒電池的剩余電量小于5%，則充電會停止。如果充電盒倉蓋打開，則微控制器將禁用 5V 充電電壓，并啟用 1-Wire 模塊讀寫 DS2488 的緩沖器。充電盒和耳機的電池信息通過OLED模塊或者虛擬串口顯示。
圖7.充電盒固件流程圖。
耳機的固件流程圖如圖8所示。上電后，耳機的微控制器將初始化GPIO，配置電量計MAX17262和充電器MAX77734。然后，微控制器輪詢充電器的輸入電壓是否有效。如果輸入電壓有效且大于4V，則微控制器啟用充電器，開始充電。此時，微控制器輪詢TOKEN的狀態(tài)，如果TOKEN為低，則充電盒擁有DS2488的讀寫權限。如果 TOKEN 為高，則耳機擁有DS2488的讀寫權限，此時微控制器將耳機的電池信息寫入 DS2488 的緩沖器，供充電盒讀取。
圖8.耳機固件流程圖。
測試結果
充電盒和耳機的電源軌的設計要求和測試結果如表4和表5所示?？梢?，本設計能夠滿足系統(tǒng)的設計要求。
表4. 充電盒電源軌的設計要求與測試結果
表5.耳機電源軌的設計要求與測試結果
充電盒倉蓋關閉時和充電盒倉蓋開啟時的測試結果如圖9和圖10所示?？梢?，本設計能夠實時顯示充電盒和耳機電池的信息，并讀取顯示耳機上DS2488的ROM ID。
圖9.充電盒倉蓋關閉時的測試結果。
圖10.充電盒倉蓋打開時的測試結果。
結論
對于工程師而言，在易用性、低成本、便攜性和穩(wěn)定性之間取得平衡，從而對TWS耳機進行原型設計通常是一項巨大的挑戰(zhàn)。DS2488 1-Wire雙向橋接器為以更小的空間和更低的成本實現(xiàn)低功耗、高穩(wěn)定性、高性能的TWS耳機解決方案鋪平了道路。MAXREFDES1302以DS2488為基礎，包括硬件和固件設計，僅通過兩個接觸點即可進行電力傳輸和數據通信，是一款易用的TWS耳機原型。
參考電路
基于MAXIM PLC技術的TWS解決方案。方良、賈寧，電子產品世界，2021年5月。
MAX32655用戶指南。Maxim Integrated，2021年3月。
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