通過1-Wire技術(shù)簡化TWS耳塞設(shè)計

本文演示了一種設(shè)計，該設(shè)計首次將ADI獨特的1-Wire技術(shù)應(yīng)用于真正的無線立體聲（TWS）耳塞解決方案。該設(shè)計采用DS2488 1-Wire雙端口鏈路，在滿足功率傳輸和數(shù)據(jù)通信要求的基礎(chǔ)上，具有低成本、低功耗、高精度、小尺寸、高效率等優(yōu)點。該設(shè)計是TWS耳塞應(yīng)用的理想解決方案。

介紹

TWS耳塞最吸引人的特點是無線佩戴的便利性。與傳統(tǒng)藍(lán)牙耳塞相比，TWS耳塞具有體積小、音質(zhì)好、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點，以及一定的防水性和智能化，迅速引起了消費者的興趣。TWS耳塞的出貨量和總市場規(guī)模隨著該技術(shù)在消費者領(lǐng)域的研究和開發(fā)而不斷擴(kuò)大。

系統(tǒng)架構(gòu)

本文介紹的1-Wire TWS耳塞解決方案MAXREFDES1302包括充電座和耳塞兩部分。整體系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1.1-Wire TWS充電座和耳塞的系統(tǒng)架構(gòu)。

充電座使用3.7 V、1500 mAh單節(jié)鋰離子電池為系統(tǒng)供電，并使用支持USB Type-C協(xié)議的MAX77651充電器為電池充電。用戶可以使用一根USB Type-C電纜為整個系統(tǒng)充電。對于電源軌，充電座使用MAX17224升壓模塊將MAX77651的系統(tǒng)電壓升壓至5 V，MAX38640降壓模塊從該5 V產(chǎn)生3.3 V電壓，為MAX32655微控制器供電。5 V也通過1-Wire控制電路傳輸?shù)蕉麄?cè)，作為為耳塞系統(tǒng)充電的電源。充電座采用MAX17262電量計和內(nèi)部電流檢測電阻來監(jiān)測電池。MAX17262將傳統(tǒng)的庫侖法熱儀與新型ModelGauge? m5 EZ算法相結(jié)合;它具有靈活的配置和易用性，并且沒有電池特性。充電座使用帶有藍(lán)牙5.2模塊和內(nèi)部SIMO電源模塊的MAX32655作為微控制器。除常用通信接口外，部分GPIO還可配置為1-Wire接口，用于控制耳塞的DS2488，為1-Wire通信和充電提供了極大的便利。充電座的SWD接口可以連接到MAX32625PICO編程平臺，該平臺可以更新充電座MAX32655的固件，還可以通過虛擬串口在計算機(jī)上顯示電池信息。電池信息也可以顯示在充電座的OLED屏幕上。

耳塞采用3.7 V、130 mAh單節(jié)鋰離子電池為系統(tǒng)供電，采用DS2488 1-Wire雙端口鏈路實現(xiàn)耳塞與充電座之間的數(shù)據(jù)通信，同時控制來自充電座的5 V充電電源。耳塞還使用MAX32655微控制器，該微控制器使用UART接口模擬1-Wire時序來讀寫DS2488。耳塞的MAX32655同樣使用SWD接口連接到MAX32625PICO編程平臺以刷新程序。對于電源軌，耳塞的MAX77734充電器具有3.3 V LDO輸出，為MAX32655微控制器供電。同時，3.3 V與MAX32655內(nèi)部SIMO模塊產(chǎn)生的1.8 V和1.2 V電源構(gòu)成MAX98050音頻編解碼器的電源軌。耳塞還使用MAX17262電量計監(jiān)測電池。

圖 2 顯示了設(shè)計的照片。充電座的實際尺寸為10.20厘米×5.80厘米，耳塞的實際尺寸為10.20厘米×6.50厘米。由于這是協(xié)助客戶進(jìn)行設(shè)計、測試和研究的原型，如果簡化測試點，產(chǎn)品尺寸可以進(jìn)一步減小，以滿足實際TWS耳塞應(yīng)用的尺寸要求。

圖2.1線TWS充電座和耳塞原型PCBA照片。

1線數(shù)據(jù)通信和電力傳輸

在TWS耳塞應(yīng)用中，可靠、便捷地實現(xiàn)充電座和耳塞之間的數(shù)據(jù)通信和電力傳輸非常重要。目前市場上許多常見的TWS耳塞通常使用三個或更多觸摸點連接到充電座以交換消息和傳輸電源。然而，接觸點過多通常會導(dǎo)致更高的系統(tǒng)成本，這對低成本的可穿戴產(chǎn)品極為不利。此外，更多的觸摸點通常需要更大的尺寸，這與TWS耳塞的小尺寸要求相反。此外，更多的接觸點往往會增加系統(tǒng)故障的可能性。面對這些困難，該設(shè)計采用了ADI專有的1-Wire雙鏈路端口DS2488，該端口專為TWS解決方案設(shè)計，可在耳塞和充電座之間進(jìn)行功率傳輸和數(shù)據(jù)通信。DS2488支持1-Wire協(xié)議，可通過單線交換數(shù)據(jù)和傳輸電源。由于系統(tǒng)需要一個額外的觸摸點來連接耳塞的GND和充電座的GND，因此整個解決方案只需要兩個觸摸點，可以顯著提高可靠性并降低系統(tǒng)的尺寸和成本。本設(shè)計的1-Wire通信和充電電路框圖如圖3所示。

圖3.1-Wire通信和充電框圖

DS2488的工作原理

如圖3所示，DS2488為1-Wire雙端口鏈路，具有兩個1-Wire通信引腳IOA和IOB，由兩側(cè)的微控制器控制。IOA引腳由充電座的微控制器控制，IOB引腳由耳塞的微控制器控制。IOA引腳可支持高達(dá)5.5 V的輸入電壓，并支持1-Wire總線（IOA）上的不同通信和充電電平。作為1-Wire器件，每個DS2488都有一個唯一的64位ROM ID，供用戶識別和認(rèn)證。DS2488還具有內(nèi)部8字節(jié)緩沖器，可由微控制器讀寫，實時更新兩端的電池信息。在該設(shè)計中，存儲在緩沖器中的信息如表1所示。

DS2488的TOKEN引腳表示DS2488的控制狀態(tài)：TOKEN邏輯低表示充電座側(cè)的微控制器已獲得DS2488的控制權(quán)限，而TOKEN邏輯高電平表示耳塞側(cè)的微控制器已獲得DS2488的控制權(quán)限。DS2488的CD/PIOC引腳控制充電座為耳塞充電：當(dāng)1-Wire總線（IOA）上的電壓低于4 V時，CD/PIOC引腳為高阻抗，因此晶體管關(guān)閉并停止充電。當(dāng)1-Wire（IOA）上的電壓高于4 V時，CD/PIOC引腳邏輯為低電平。晶體管導(dǎo)通，因此1-Wire總線（IOA）上的電壓直接傳遞到耳塞的充電器，并開始充電。連接到 5 V 的 MOSFET 決定何時充電和何時通信。MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷由充電座的微控制器控制。耳塞和充電座的使用大致可分為以下三種情況。

耳塞在底座中，底座蓋打開

在這種情況下，充電座的微控制器關(guān)閉MOSFET，獲得DS2488的控制權(quán)限。在這種情況下，TOKEN引腳邏輯低電平，CD/PIOC引腳高阻抗。充電座通過1-Wire總線（IOA）讀取DS2488的8字節(jié)緩沖器以讀取耳塞電池信息，并寫入8字節(jié)緩沖器以更新充電座電池信息。此時，充電停止并開始通信。

耳塞在底座中，底座蓋已關(guān)閉

在這種情況下，底座的微控制器打開MOSFET，因此5 V通過1-Wire總線（IOA）直接傳輸?shù)蕉?。在這種情況下，TOKEN引腳為邏輯高電平，CD/PIOC引腳為邏輯低電平。來自底座的 5 V 傳輸?shù)蕉麄?cè)為耳塞電池充電。同時，耳塞的微控制器獲取DS2488的控制權(quán)限，更新耳塞電池信息，并通過1-Wire總線（IOB）讀寫DS2488的8字節(jié)緩沖器來讀取底座電池信息。此時，通信停止并開始充電。

耳塞不在底座中，或者底座電池快沒電了

在這種情況下，1-Wire總線（IOA）為高阻抗，TOKEN引腳為邏輯高電平，CD/PIOC引腳為高阻抗。此時，耳塞的微控制器獲取DS2488的控制權(quán)限，并通過1-Wire總線（IOB）寫入DS2488的8字節(jié)緩沖器來更新耳塞電池信息。

DS2488 1線數(shù)據(jù)通信

如前所述，本設(shè)計使用DS2488作為充電座側(cè)和耳塞側(cè)微控制器之間的橋梁，以實現(xiàn)兩側(cè)的消息交換。DS2488支持典型的1-Wire通信協(xié)議。該協(xié)議包括復(fù)位和響應(yīng)時序以及讀/寫時序。讀/寫時序包括一個寫零時隙、一個寫一時隙和一個讀數(shù)據(jù)時隙，如圖4和圖5所示。時隙持續(xù)時間詳情列于DS2488數(shù)據(jù)資料中。

圖4.DS2488 1-Wire復(fù)位和存在時序

圖5.DS2488 1線讀/寫時序

所有1-Wire器件都有一個內(nèi)部狀態(tài)機(jī)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示。如圖4所示，當(dāng)微控制器向DS2488發(fā)送復(fù)位信號時，1-Wire總線將被拉低48 μs至80 μs，然后通過上拉電阻將總線釋放至高電平。如果總線上有DS2488，DS2488將響應(yīng)復(fù)位信號，在總線釋放48 μs后再次將1-Wire總線拉低6 μs至10 μs。此時，微控制器可以檢測總線上的電平變化，即通過檢測總線是否再次被拉低來確定1-Wire總線上是否連接了DS2488。

圖6.1-Wire器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

一旦DS2488響應(yīng)復(fù)位信號，微控制器將發(fā)送ROM功能命令。所有1-Wire器件都具有相同的ROM功能命令。表 2 總結(jié)了一些常見的 ROM 功能命令。在設(shè)計中，兩個DS2488連接到1-Wire總線（IOA），因為充電座中通常有兩個耳塞。讀取ROM命令（0x33）和匹配ROM命令（0x55）用于讀取1-Wire總線（IOA）上兩個DS2488的ROM ID，并將DS2488與特定的ROM ID進(jìn)行匹配，以實現(xiàn)左耳塞或右耳塞的識別和選擇。

發(fā)送ROM功能命令后，微控制器將發(fā)送設(shè)備功能命令，對設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步控制。不同的1-Wire器件具有不同的器件功能命令。對于DS2488，表3總結(jié)了一些常見的器件功能命令。該設(shè)計使用寫入緩沖器（0x33）和讀取緩沖器（0x44）命令讀寫DS2488的8字節(jié)緩沖器，實現(xiàn)充電座和耳塞之間的電池信息交換。

底座MAX32655微控制器的兩組GPIO（P0.6和P0.7、P0.18和P0.19）可配置為1-Wire模塊的OWM_IO引腳和OWM_PE引腳，分別實現(xiàn)與DS2488和5 V傳輸?shù)耐ㄐ?。在該設(shè)計中，MAX32655的OWM_IO引腳連接到DS2488的IOA引腳，以實現(xiàn)底座微控制器與耳塞DS2488之間的1-Wire通信功能。

不同的是，考慮到市面上有些微控制器沒有1-Wire接口，為了設(shè)計方便，耳塞的MAX32655微控制器采用UART接口模擬1-Wire時序，通過IOB引腳與DS2488通信，如圖3所示。微控制器可以通過配置特定的UART波特率和發(fā)送特定的代碼模式來實現(xiàn)此功能。以圖4所示的復(fù)位和存在序列為例，當(dāng)波特率為115200時，UART發(fā)送或接收1位數(shù)據(jù)的持續(xù)時間約為8.68 μs。因此，1字節(jié)數(shù)據(jù)的持續(xù)時間約為69.44 μs。由于0xE0（11100000，LSB優(yōu)先）與1-Wire復(fù)位時序完全一致，因此可以作為1-Wire復(fù)位信號發(fā)送。在這種情況下，如果微控制器通過TX引腳發(fā)送0xE0（1-Wire復(fù)位信號），則1-Wire總線（IOB）上的DS2488將響應(yīng)該1-Wire復(fù)位信號，并將總線拉低6 μs至10 μs。此時，RX引腳接收到的信號應(yīng)為0xC0（11000000）或0x80（10000000）?？傊?，微控制器可以通過UART實現(xiàn)仿真1-Wire時序的功能，方法是發(fā)送和接收不同的代碼模式，并比較接收和發(fā)送的信號。

DS2488 1線式電能傳輸

如圖3所示，底座MAX32655微控制器的OWM_PE引腳控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)MOSFET關(guān)閉時，系統(tǒng)進(jìn)行1-Wire通信。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，5 V電壓通過1-Wire總線（IOA）傳輸?shù)蕉麄?cè)。一旦DS2488檢測到5 V，CD/PIOC引腳將輸出低電平以打開晶體管，將5 V傳輸?shù)組AX77734充電器，以便為耳塞電池充電。

電池管理和電源配置

充電座的電池管理和電源配置系統(tǒng)由MAX77751 USB Type-C充電器、MAX17262電量計、MAX17224升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器和MAX38640降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器組成。通常，單節(jié)鋰離子電池的終止電壓為4.2 V，因此選擇MAX77751CEFG+作為充電器的特定部件號。其充電電流由連接到 IFAST 引腳和 ITOPOFF 引腳的電阻器配置?？紤]設(shè)計需要，選擇500 mA的快速充電電流和100 mA的浮充電電流，相應(yīng)的電阻分別為2.4 kΩ和8.06 kΩ。MAX17262電量計采用ModelGauge m5 EZ算法，在配置電池容量、終止電流和充電電壓門限等電池參數(shù)后，可自動測量電池，無需額外的電池特性。MAX17224升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器和MAX38640降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓分別由連接到SEL引腳和RSEL引腳的電阻配置。在該設(shè)計中，選擇0 Ω和56.2 kΩ電阻分別輸出5 V和3.3 V。

耳塞的電池管理和電源配置系統(tǒng)由MAX77734充電器和MAX17262電量計組成。MAX32655微控制器SIMO模塊的輸出還為系統(tǒng)提供1.8 V和1.2 V電源軌。由于只需要一個3.3 V LDO輸出，因此選擇MAX77734GENP+作為充電器的特定部件號。充電器還可以通過 I 配置為出廠狀態(tài)、關(guān)機(jī)狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)2C 以延長電池壽命。MAX32655微控制器提供4路SIMO輸出，每路可配置為輸出不同的電壓。

固件設(shè)計

充電座固件的流程圖如圖7所示。上電后，充電座的微控制器將初始化GPIO，并配置MAX17262電量計和OLED模塊。然后，微控制器輪詢底座蓋的狀態(tài)。如果底座關(guān)閉，微控制器將禁用1-Wire模塊，并向1-Wire總線（IOA）施加5 V充電電壓，為耳塞充電。在這種情況下，如果微控制器檢測到底座電池的剩余電量小于5%，則充電將停止。如果底座打開，微控制器將禁用5 V充電電壓，使能1-Wire模塊讀寫DS2488緩沖器。底座和耳塞的電池信息通過OLED模塊或虛擬串行端口顯示。

圖7.底座固件流程圖。

耳塞固件的流程圖如圖8所示。上電后，耳塞的微控制器將初始化GPIO，并配置MAX17262電量計和MAX77734充電器。然后，微控制器輪詢來自充電器的輸入電壓是否有效。如果輸入電壓有效且大于4 V，微控制器將啟用充電器并開始充電。此時，微控制器輪詢 TOKEN 引腳的狀態(tài)。如果TOKEN引腳邏輯為低電平，則底座具有讀取和寫入DS2488的控制權(quán)限。如果TOKEN引腳邏輯為高電平，則耳塞具有讀取和寫入DS2488的控制權(quán)限。在這種情況下，微控制器將耳塞電池信息寫入DS2488的緩沖器，供底座讀取。

圖8.耳塞固件流程圖。

測試結(jié)果

底座和耳塞電源軌的設(shè)計要求和測試結(jié)果如表4和表5所示。這種設(shè)計可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

開放式搖籃和封閉式搖籃的測試結(jié)果分別如圖9和圖10所示。這種設(shè)計可以實時顯示底座電池和耳塞電池的信息，并讀取和顯示耳塞DS2488的ROM ID。

圖9.封閉式搖籃的測試結(jié)果。

圖 10.開放式搖籃的測試結(jié)果。

結(jié)論

TWS耳塞解決方案的原型設(shè)計是一項挑戰(zhàn)，需要在易用性、低成本、便攜性和穩(wěn)定性之間取得平衡。DS2488 1-Wire雙端口鏈路為低功耗、高穩(wěn)定性、高性能的TWS耳塞解決方案鋪平了道路，外形尺寸更小，成本更低。MAXREFDES1302基于DS2488，包括硬件設(shè)計和固件設(shè)計，是一款易于使用的TWS耳塞原型，僅通過兩個觸摸點即可進(jìn)行功率傳輸和數(shù)據(jù)通信。

審核編輯：郭婷