運(yùn)用1-Wire技術(shù)簡化TWS耳機(jī)解決方案

TWS耳機(jī)最引人注目的特點(diǎn)在于無線佩戴的便捷性。相較于傳統(tǒng)的藍(lán)牙耳機(jī)，TWS耳機(jī)具備體積小、音質(zhì)好、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)勢(shì)，還具有一定的防水性和智慧性，因而迅速吸引了消費(fèi)者們的視線。目前，TWS耳機(jī)的出貨量和整體市場規(guī)模都在不斷擴(kuò)大，是目前消費(fèi)類電子的熱點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域。

系統(tǒng)架構(gòu)
本文中介紹的1-Wire TWS耳機(jī)解決方案MAXREFDES1302包括充電盒和耳機(jī)兩個(gè)部分，系統(tǒng)整體硬件架構(gòu)，如圖一所示。

 
圖一 : 1-Wire TWS充電盒和耳機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

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為鋰電池充電，用戶只需使用單根USB Type-C數(shù)據(jù)線便可對(duì)整機(jī)進(jìn)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電壓透過MAX38640降壓模塊產(chǎn)生3.3V電壓為微控制器MAX32655供電，同時(shí)，該5V電壓并透過1-Wire控制電路傳輸至耳機(jī)，作為耳機(jī)系統(tǒng)的充電電源。在電量監(jiān)控方面，充電盒采用內(nèi)建檢流電阻的電量計(jì)MAX17262對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控。該電量計(jì)將傳統(tǒng)的庫倫計(jì)數(shù)方法與創(chuàng)新的ModelGauge m5 EZ算法相結(jié)合，無需電池特征分析，配置彈性，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(nèi)建SIMO電源模塊的微處理器MAX32655，該處理器資源豐富，除了常用的通訊接口，其GPIO還可以被配置為1-Wire通訊接口，可對(duì)耳機(jī)側(cè)的DS2488進(jìn)行讀寫控制，為1-Wire通訊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更新韌體，也可透過虛擬串行端口在計(jì)算機(jī)上顯示電池的信息。電池的信息也可以透過充電盒上的OLED屏幕顯示。

耳機(jī)使用3.7V 130mAh的單顆鋰電池為系統(tǒng)供電，使用DS2488雙向1-Wire網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)耳機(jī)和充電盒的數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)源自充電盒的5V充電電源的控制。在控制器方面，耳機(jī)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(shí)序?qū)S2488進(jìn)行讀寫控制，同樣使用SWD界面連接MAX32625PICO下載器下載程序。在電源軌方面，耳機(jī)采用的充電器MAX77734自附的一路3.3V的LDO輸出為微控制器MAX32655供電，同時(shí)，該3.3V和MAX32655內(nèi)建SIMO模塊產(chǎn)生的1.8V和1.2V電源一起，組成音訊編解碼器MAX98050的電源軌。在電量監(jiān)控方面，耳機(jī)同樣采用電量計(jì)MAX17262對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控。

圖二為1-Wire TWS充電盒和耳機(jī)的實(shí)物圖。充電盒的實(shí)際尺寸為10.20cm × 5.80cm，耳機(jī)的實(shí)際尺寸為10.20cm × 6.50cm，由于本設(shè)計(jì)為輔助客戶進(jìn)行設(shè)計(jì)、測試和研究的樣機(jī)，在精簡測試點(diǎn)的情況下，現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的尺寸可以大幅壓縮，以滿足TWS耳機(jī)實(shí)際應(yīng)用的尺寸要求。
 
圖二 : 1-Wire TWS充電盒和耳機(jī)PCBA實(shí)物圖

1-Wire數(shù)據(jù)通訊和能量傳輸
在TWS耳機(jī)應(yīng)用中，用可靠便捷的方法實(shí)現(xiàn)充電盒與耳機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊和能量傳輸非常重要。目前市場上常見的TWS耳機(jī)通常使用3個(gè)或更多的觸點(diǎn)與充電盒連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和能量傳輸?shù)墓δ?。但是，過多的觸點(diǎn)通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加，這對(duì)低成本的可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)極為不利。由于更多的觸點(diǎn)通常需要更大的空間，這和TWS耳機(jī)的小尺寸要求相互違背。此外，更多的觸點(diǎn)往往會(huì)增加故障發(fā)生的可能性。

本設(shè)計(jì)采用為TWS方案設(shè)計(jì)的ADI專有的1-Wire雙向網(wǎng)橋DS2488，實(shí)現(xiàn)耳機(jī)與充電盒之間的能量傳輸和數(shù)據(jù)通訊。DS2488支持1-Wire總線協(xié)議，可用單導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)通訊和充電的功能。由于系統(tǒng)需要額外一個(gè)觸點(diǎn)用于將耳機(jī)和充電盒的地相連，整體解決方案僅需要使用兩個(gè)觸點(diǎn)，可大幅提升系統(tǒng)可靠性，降低尺寸和成本。本設(shè)計(jì)采用的1-Wire通訊充電電路框圖，如圖3所示。

 
圖三 : 1-Wire通訊充電電路框圖

DS2488工作原理
如圖三所示，DS2488為1-Wire雙向網(wǎng)橋，具備IOA和IOB兩個(gè)1-Wire通訊接腳供兩側(cè)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(jī)的微控制器控制。IOA支持最高可達(dá)5.5V的輸入電壓，支持在1-Wire總線（IOA）上傳輸不同的通訊和充電位準(zhǔn)。作為1-Wire組件，每個(gè)DS2488組件并具備唯一的64位ROM ID，供用戶進(jìn)行識(shí)別、認(rèn)證。DS2488內(nèi)部還具備8字節(jié)的緩沖器，可供微控制器進(jìn)行讀寫，以實(shí)時(shí)更新儲(chǔ)存兩側(cè)的電池信息。在本設(shè)計(jì)中，緩沖器儲(chǔ)存的信息如表一所示。

表一DS2488緩沖器儲(chǔ)存的信息

DS2488的TOKEN接腳指示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(quán)限；TOKEN為高指示耳機(jī)側(cè)的微控制器取得DS2488的控制權(quán)限。DS2488的CD/PIOC接腳控制充電盒是否為耳機(jī)充電：當(dāng)1-Wire總線（IOA）上的電壓小于4V時(shí)，CD/PIOC為高阻態(tài)，晶體管關(guān)斷，充電停止；當(dāng)1-Wire總線（IOA）上的電壓大于4V時(shí)，CD/PIOC為低，晶體管導(dǎo)通，1-Wire總線上（IOA）的電壓直接加到耳機(jī)的充電器上，充電開始。耳機(jī)充電和通訊的選擇邏輯主要由一個(gè)連接至5V的MOSFET實(shí)現(xiàn)，該MOSFET的通斷由充電盒的微控制器控制，充電盒與耳機(jī)的使用主要分為以下幾種情況。

耳機(jī)在充電盒中且充電盒蓋開啟
此時(shí)，充電盒的微控制器將MOSFET關(guān)斷，并取得DS2488的控制權(quán)限，TOKEN為低，CD/PIOC為高阻態(tài)。充電盒透過IOA對(duì)DS2488的內(nèi)部8字節(jié)的緩沖器進(jìn)行讀寫，讀取耳機(jī)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(shí)充電停止，進(jìn)行通訊。

耳機(jī)在充電盒中且充電盒蓋關(guān)閉
此時(shí)，充電盒的微控制器將MOSFET開啟，5V直接透過1-Wire總線（IOA）傳輸至耳機(jī)，此時(shí)TOKEN為高，CD/PIOC為低。充電盒的5V電壓被傳輸至耳機(jī)側(cè)，為耳機(jī)的鋰電池進(jìn)行充電。同時(shí)，耳機(jī)的微控制器取得DS2488的控制權(quán)限，透過IOB對(duì)DS2488的內(nèi)部8字節(jié)的緩沖器進(jìn)行讀寫，更新寫入耳機(jī)電池的字節(jié)信息，并讀取充電盒電池的字節(jié)信息。此時(shí)通訊停止，進(jìn)行充電。

耳機(jī)不在充電盒中或充電盒電池耗盡
此時(shí)，1-Wire總線（IOA）呈現(xiàn)高阻態(tài)，此時(shí)TOKEN為高，CD/PIOC為高阻態(tài)。此時(shí)，耳機(jī)的微控制器取得DS2488的控制權(quán)限，通過IOB對(duì)DS2488的內(nèi)部8字節(jié)的緩沖器進(jìn)行讀寫，并更新寫入耳機(jī)電池的字節(jié)信息。

DS2488 1-Wire數(shù)據(jù)通訊
如上文所述，本設(shè)計(jì)使用DS2488作為充電盒和耳機(jī)兩側(cè)的微控制器的網(wǎng)橋，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)微控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。DS2488支持典型的1-Wire通訊協(xié)議，協(xié)議的時(shí)序分為復(fù)位與回應(yīng)時(shí)序和讀寫時(shí)序，讀寫時(shí)序又分為寫0時(shí)隙、寫1時(shí)隙和讀時(shí)隙，如圖四和圖五所示。各時(shí)序高低位準(zhǔn)階段的時(shí)間范圍的詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考DS2488的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

 

圖四 : DS2488 1-Wire復(fù)位和回應(yīng)時(shí)序

 
圖五 : DS2488 1-Wire讀寫時(shí)序

所有1-Wire組件內(nèi)部均是由狀態(tài)機(jī)組成的，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖六所示。如圖四所示，當(dāng)微控制器向DS2488組件發(fā)送復(fù)位訊號(hào)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(yīng)該復(fù)位訊號(hào)，在總線被釋放48μs之后再次將1-Wire總線拉低6μs到10μs。此時(shí)微控制器可以檢測總線上的位準(zhǔn)變化，即透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。


 
圖六 : 1-Wire組件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

當(dāng)DS2488響應(yīng)復(fù)位訊號(hào)后，微控制器將發(fā)送ROM功能命令（ROM Function Command）。所有1-Wire組件的ROM功能命令都相同，一些常用的ROM功能命令如表二所示。

由于TWS耳機(jī)設(shè)計(jì)中，充電盒內(nèi)通常需要容納兩個(gè)耳機(jī)，所以1-Wire總線（IOA）上通常會(huì)掛接兩個(gè)DS2488。本設(shè)計(jì)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(gè)DS2488的ROM ID和匹配特定ROM ID的DS2488組件，實(shí)現(xiàn)左右耳機(jī)的身份識(shí)別和選擇。

表二 常用的1-Wire ROM功能命令

當(dāng)發(fā)送ROM功能命令后，微控制器將發(fā)送裝置功能命令（Device Function Command）對(duì)組件進(jìn)行進(jìn)一步的操作。不同1-Wire組件的裝置功能命令各不相同，對(duì)DS2488而言，一些常用的裝置功能命令如表三所示。本設(shè)計(jì)采用Write Buffer命令（0x33）和Read Buffer命令（0x44）對(duì)DS2488內(nèi)部的8字節(jié)緩沖器進(jìn)行讀寫，實(shí)現(xiàn)充電盒和耳機(jī)電池信息的交互。

表三 常用的DS2488裝置功能命令

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接腳和OWM_PE接腳，分別實(shí)現(xiàn)與DS2488之間的通訊和5V的傳輸。本設(shè)計(jì)將MAX32655的OWM_IO接腳連接至DS2488的IOA接腳，實(shí)現(xiàn)充電盒和DS2488之間的1-Wire通訊功能。

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(shè)計(jì)方便起見，耳機(jī)的微控制器MAX32655采用UART接口模擬1-Wire時(shí)序，透過IOB對(duì)DS2488進(jìn)行通訊，如圖三所示。微控制器透過配置特定的UART波特率和發(fā)送特定的碼形即可實(shí)現(xiàn)這一功能。

以圖四所示的復(fù)位與回應(yīng)時(shí)序?yàn)槔?，?dāng)波特率為115200時(shí)，UART收發(fā)每一位數(shù)據(jù)的時(shí)間長度約為8.68μs。因此，1個(gè)字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)的時(shí)間長度約為69.44μs，而0xE0（二進(jìn)制：11100000）（UART先發(fā)送低位數(shù)據(jù)）則剛好對(duì)應(yīng)1-Wire復(fù)位訊號(hào)的時(shí)序。此時(shí)，若微控制器透過TX發(fā)送0xE0（復(fù)位訊號(hào)），1-Wire總線（IOB）上的DS2488將響應(yīng)此復(fù)位訊號(hào)并將總線拉低6μs至10μs，此時(shí)RX上收到的訊號(hào)應(yīng)為0xC0（二進(jìn)制：11000000）或0x80（二進(jìn)制：10000000）。微控制器透過收發(fā)不同的碼形，并將接收和發(fā)送的訊號(hào)相互比較，即可實(shí)現(xiàn)透過UART模擬1-Wire時(shí)序的功能。

DS2488 1-Wire能量傳輸
如圖三所示，充電盒的微控制器MAX32655的OWM_PE接腳控制MOSFET的通斷，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行1-Wire通訊；當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，5V電壓透過1-Wire總線（IOA）傳輸至耳機(jī)側(cè)，此時(shí)DS2488檢測到5V，CD/PIOC接腳變?yōu)榈臀粶?zhǔn)使晶體管導(dǎo)通，將5V電壓傳至充電器給耳機(jī)的鋰電池充電。

電池管理與電源方案
充電盒的電池管理和電源方案系統(tǒng)由USB Type-C充電器MAX77751、電量計(jì)MAX17262、升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器MAX17224和降壓DC/DC轉(zhuǎn)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(hào)。該充電器的充電電流由連接至IFAST接腳和ITOPOFF接腳的電阻配置，考慮到實(shí)際需要，選擇500mA的快充電流和100mA的終止電流，對(duì)應(yīng)的電阻分別為2.4kΩ和8.06kΩ。

電量計(jì)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(shù)后即可自動(dòng)對(duì)電池進(jìn)行測量，無需額外的電池建模。升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器MAX17224和降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器MAX38640的輸出電壓均由連接至SEL接腳和RSEL接腳的電阻配置，這里選擇0Ω和56.2kΩ的電阻以分別輸出5V和3.3V。

耳機(jī)的電池管理和電源方案系統(tǒng)由充電器MAX77734和電量計(jì)MAX17262組成，微控制器MAX32655的SIMO輸出也同時(shí)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(hào)為MAX77734GENP+。該充電器還可透過I2C配置成出廠運(yùn)輸模式、關(guān)斷模式和待機(jī)模式，從而延長電池壽命。微控制器MAX32655提供四路SIMO輸出，每路均可透過緩存器配置輸出不同的電壓。

韌體設(shè)計(jì)
充電盒的韌體流程圖如圖七所示。上電后，充電盒的微控制器將初始化GPIO，并配置電量計(jì)MAX17262和OLED模塊。然后，微控制器對(duì)充電盒倉蓋的狀態(tài)進(jìn)行輪詢。如果充電盒蓋關(guān)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(jī)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(huì)停止。如果充電盒蓋打開，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(jī)的電池信息透過OLED模塊或者虛擬串行端口顯示。

 
圖七 : 充電盒韌體流程圖

耳機(jī)的韌體流程圖如圖八所示。上電后，耳機(jī)的微控制器將初始化GPIO，配置電量計(jì)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(shí)，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(quán)限。如果 TOKEN 為高，則耳機(jī)擁有DS2488的讀寫權(quán)限，此時(shí)微控制器將耳機(jī)的電池信息寫入 DS2488 的緩沖器，供充電盒讀取。

 
圖八 : 耳機(jī)韌體流程圖

測試結(jié)果
充電盒和耳機(jī)的電源軌的設(shè)計(jì)要求和測試結(jié)果如表四和表五所示?？梢姳驹O(shè)計(jì)能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

表四 充電盒電源軌的設(shè)計(jì)要求與測試結(jié)果

表五 耳機(jī)電源軌的設(shè)計(jì)要求與測試結(jié)果

充電盒蓋關(guān)閉時(shí)和充電盒蓋開啟時(shí)的測試結(jié)果如圖九和圖十所示?？梢姳驹O(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)顯示充電盒和耳機(jī)電池的信息，并讀取顯示耳機(jī)上DS2488的ROM ID。

 

圖十 : 充電盒倉蓋打開時(shí)的測試結(jié)果


結(jié)論
對(duì)于工程師而言，在易用性、低成本、可移植性和穩(wěn)定性之間取得平衡，從而對(duì)TWS耳機(jī)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)通常是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。DS2488 1-Wire雙向網(wǎng)橋?yàn)橐愿〉目臻g和更低的成本實(shí)現(xiàn)低功耗、高穩(wěn)定性、高性能的TWS耳機(jī)解決方案鋪路。MAXREFDES1302以DS2488為基礎(chǔ)，包括硬件和韌體設(shè)計(jì)，僅透過兩個(gè)接觸點(diǎn)即可進(jìn)行電力傳輸和數(shù)據(jù)通訊，是一款易用的TWS耳機(jī)原型。

（本文作者Yi Xin為ADI 應(yīng)用工程師）

參考電路
[1] 方良、賈寧，基于MAXIM PLC技術(shù)的TWS解決方案。電子產(chǎn)品世界，2021年5月。
[2] MAX32655用戶指南。Maxim Integrated，2021年3月。