本文演示了一種設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)首次將ADI獨(dú)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(jì)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(diǎn)。該設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)，以及一定的防水性和智能化，迅速引起了消費(fèi)者的興趣。TWS耳塞的出貨量和總市場(chǎng)規(guī)模隨著該技術(shù)在消費(fèi)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(gè)系統(tǒng)充電。對(duì)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(jì)和內(nèi)部電流檢測(cè)電阻來監(jiān)測(cè)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(tái)，該平臺(tái)可以更新充電座MAX32655的固件，還可以通過虛擬串口在計(jì)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(shí)現(xiàn)耳塞與充電座之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)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(shí)序來讀寫DS2488。耳塞的MAX32655同樣使用SWD接口連接到MAX32625PICO編程平臺(tái)以刷新程序。對(duì)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(shí)，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(jì)監(jiān)測(cè)電池。

圖 2 顯示了設(shè)計(jì)的照片。充電座的實(shí)際尺寸為10.20厘米×5.80厘米，耳塞的實(shí)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(jì)、測(cè)試和研究的原型，如果簡(jiǎn)化測(cè)試點(diǎn)，產(chǎn)品尺寸可以進(jìn)一步減小，以滿足實(shí)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(shí)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(chǎng)上許多常見的TWS耳塞通常使用三個(gè)或更多觸摸點(diǎn)連接到充電座以交換消息和傳輸電源。然而，接觸點(diǎn)過多通常會(huì)導(dǎo)致更高的系統(tǒng)成本，這對(duì)低成本的可穿戴產(chǎn)品極為不利。此外，更多的觸摸點(diǎn)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(diǎn)往往會(huì)增加系統(tǒng)故障的可能性。面對(duì)這些困難，該設(shè)計(jì)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(jì)，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(gè)額外的觸摸點(diǎn)來連接耳塞的GND和充電座的GND，因此整個(gè)解決方案只需要兩個(gè)觸摸點(diǎn)，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(jì)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(gè)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(gè)DS2488都有一個(gè)唯一的64位ROM ID，供用戶識(shí)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(shí)時(shí)更新兩端的電池信息。在該設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)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(shí)，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(shí)，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(shí)充電和何時(shí)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(shí)，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Ｔ谶@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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jì)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(shí)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(shí)序以及讀/寫時(shí)序。讀/寫時(shí)序包括一個(gè)寫零時(shí)隙、一個(gè)寫一時(shí)隙和一個(gè)讀數(shù)據(jù)時(shí)隙，如圖4和圖5所示。時(shí)隙持續(xù)時(shí)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(shí)序

圖5.DS2488 1線讀/寫時(shí)序

所有1-Wire器件都有一個(gè)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(hào)時(shí)，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(hào)，在總線釋放48 μs后再次將1-Wire總線拉低6 μs至10 μs。此時(shí)，微控制器可以檢測(cè)總線上的電平變化，即通過檢測(cè)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(hào)，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(jì)中，兩個(gè)DS2488連接到1-Wire總線（IOA），因?yàn)槌潆娮型ǔＳ袃蓚€(gè)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(gè)DS2488的ROM ID，并將DS2488與特定的ROM ID進(jìn)行匹配，以實(shí)現(xiàn)左耳塞或右耳塞的識(shí)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(duì)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(duì)于DS2488，表3總結(jié)了一些常見的器件功能命令。該設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)與DS2488和5 V傳輸?shù)耐ㄐ?。在該設(shè)計(jì)中，MAX32655的OWM_IO引腳連接到DS2488的IOA引腳，以實(shí)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(jì)方便，耳塞的MAX32655微控制器采用UART接口模擬1-Wire時(shí)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(shí)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(shí)，UART發(fā)送或接收1位數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間約為8.68 μs。因此，1字節(jié)數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間約為69.44 μs。由于0xE0（11100000，LSB優(yōu)先）與1-Wire復(fù)位時(shí)序完全一致，因此可以作為1-Wire復(fù)位信號(hào)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(hào)），則1-Wire總線（IOB）上的DS2488將響應(yīng)該1-Wire復(fù)位信號(hào)，并將總線拉低6 μs至10 μs。此時(shí)，RX引腳接收到的信號(hào)應(yīng)為0xC0（11000000）或0x80（10000000）?？傊?，微控制器可以通過UART實(shí)現(xiàn)仿真1-Wire時(shí)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(hào)。

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(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行1-Wire通信。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，5 V電壓通過1-Wire總線（IOA）傳輸?shù)蕉麄?cè)。一旦DS2488檢測(cè)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(jì)、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(hào)。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(jì)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(jì)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(dòng)測(cè)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(jì)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(jì)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(gè)3.3 V LDO輸出，因此選擇MAX77734GENP+作為充電器的特定部件號(hào)。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(jì)

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(jì)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(cè)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(jì)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(shí)，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(cè)試結(jié)果

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

開放式搖籃和封閉式搖籃的測(cè)試結(jié)果分別如圖9和圖10所示。這種設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)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(cè)試結(jié)果。

圖 10.開放式搖籃的測(cè)試結(jié)果。

結(jié)論

TWS耳塞解決方案的原型設(shè)計(jì)是一項(xiàng)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(jì)和固件設(shè)計(jì)，是一款易于使用的TWS耳塞原型，僅通過兩個(gè)觸摸點(diǎn)即可進(jìn)行功率傳輸和數(shù)據(jù)通信。

審核編輯：郭婷