【導(dǎo)讀】本設(shè)計(jì)將ADI公司獨(dú)有的1-Wire?技術(shù)首次運(yùn)用到TWS耳機(jī)解決方案中，使用1-Wire雙向橋接器DS2488，在滿足能量傳輸和數(shù)據(jù)通信要求的基礎(chǔ)上，具備低成本、低功耗、高精度、小尺寸、高效率等諸多優(yōu)勢(shì)，是TWS耳機(jī)的理想解決方案。
簡(jiǎn)介
TWS耳機(jī)最引人注目的特點(diǎn)是其無(wú)線佩戴的便捷性。相比于傳統(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能性，因而迅速吸引了消費(fèi)者們的視線。目前，TWS耳機(jī)的出貨量和總體市場(chǎng)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1所示。
圖1.1-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給鋰電池充電，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電壓通過(guò)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電壓還通過(guò)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)置檢流電阻的電量計(jì)MAX17262對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控。該電量計(jì)將傳統(tǒng)的庫(kù)倫計(jì)數(shù)方法與創(chuàng)新的ModelGauge? m5 EZ算法相結(jié)合，無(wú)需電池特征分析，配置靈活，使用簡(jiǎn)便。在微控制器方面，充電盒采用具備BLE 5.2模塊和內(nèi)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(duì)耳機(jī)側(cè)的DS2488進(jìn)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(guò)虛擬串口在計(jì)算機(jī)上顯示電池的信息。電池的信息也可以通過(guò)充電盒上的OLED屏幕顯示。
耳機(jī)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(shí)現(xiàn)耳機(jī)和充電盒的數(shù)據(jù)交互，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接口連接MAX32625PICO下載器下載程序。在電源軌方面，耳機(jī)采用的充電器MAX77734自帶的一路3.3V的LDO輸出為微控制器MAX32655供電，同時(shí)，該3.3V和MAX32655內(nèi)置SIMO模塊產(chǎn)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(jī)同樣采用電量計(jì)MAX17262對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控。
圖2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(cè)試和研究的樣機(jī)，在精簡(jiǎn)測(cè)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2.1-Wire TWS充電盒和耳機(jī)PCBA實(shí)物圖。
1-Wire數(shù)據(jù)通信和能量傳輸
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)通信和能量傳輸至關(guān)重要。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)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)通信和能量傳輸?shù)墓δ?。但是，過(guò)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。另外，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雙向橋接器DS2488實(shí)現(xiàn)耳機(jī)與充電盒之間的能量傳輸和數(shù)據(jù)交互。DS2488支持1-Wire總線協(xié)議，可用單導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)通信和充電的功能。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)，可大大提高系統(tǒng)可靠性，降低尺寸和成本。本設(shè)計(jì)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(gè)1-Wire通訊引腳供兩側(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）上傳輸不同的通信和充電電平。作為1-Wire器件，每個(gè)DS2488器件還具備唯一的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)更新存儲(chǔ)兩側(cè)的電池信息。在本設(shè)計(jì)中，緩沖器存儲(chǔ)的信息如表1所示。
表1.DS2488緩沖器存儲(chǔ)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(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引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(kāi)始。耳機(jī)充電和通信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倉(cāng)蓋開(kāi)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)。充電盒通過(guò)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)行通信。
耳機(jī)在充電盒中且充電盒倉(cāng)蓋關(guān)閉
此時(shí)，充電盒的微控制器將MOSFET開(kāi)啟，5V直接通過(guò)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，通過(guò)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)通信停止，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(guò)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)通信
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)的微控制器的橋接器，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)微控制器之間的數(shù)據(jù)交互。DS2488支持典型的1-Wire通信協(xié)議，協(xié)議的時(shí)序分為復(fù)位與響應(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4和圖5所示。各時(shí)序高低電平階段的時(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4. DS2488 1-Wire復(fù)位和響應(yīng)時(shí)序。
圖5.DS2488 1-Wire讀寫時(shí)序。
所有1-Wire器件內(nèi)部均是由狀態(tài)機(jī)組成的，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。如圖4所示，當(dāng)微控制器向DS2488器件發(fā)送復(fù)位信號(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)位信號(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(cè)總線上的電平變化，即通過(guò)檢測(cè)到總線是否被再次拉低來(lái)判斷是否有DS2488連接至1-Wire總線。
圖6.1-Wire器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
當(dāng)DS2488響應(yīng)復(fù)位信號(hào)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(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器件，實(shí)現(xiàn)左右耳機(jī)的身份識(shí)別和選通。
表2.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)送設(shè)備功能命令（Device Function Command）對(duì)器件進(jìn)行進(jìn)一步的操作。不同1-Wire器件的設(shè)備功能命令各不相同，對(duì)DS2488而言，一些常用的設(shè)備功能命令如表3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3.常用的DS2488設(shè)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(shí)現(xiàn)與DS2488之間的通信和5V的傳輸。本設(shè)計(jì)將MAX32655的OWM_IO引腳連接至DS2488的IOA引腳，實(shí)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(shè)計(jì)方便起見(jiàn)，耳機(jī)的微控制器MAX32655采用UART接口模擬1-Wire時(shí)序，通過(guò)IOB對(duì)DS2488進(jìn)行通信，如圖3所示。微控制器通過(guò)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4所示的復(fù)位與響應(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(zhǎng)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(zhǎng)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)位信號(hào)的時(shí)序。此時(shí)，若微控制器通過(guò)TX發(fā)送0xE0（復(fù)位信號(hào)），1-Wire總線（IOB）上的DS2488將響應(yīng)此復(fù)位信號(hào)并將總線拉低6μs至10μs，此時(shí)RX上收到的信號(hào)應(yīng)為0xC0（二進(jìn)制：11000000）或0x80（二進(jìn)制：10000000）。微控制器通過(guò)收發(fā)不同的碼形，并將接收和發(fā)送的信號(hào)相比較，即可實(shí)現(xiàn)通過(guò)UART模擬1-Wire時(shí)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(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行1-Wire通信；當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，5V電壓通過(guò)1-Wire總線（IOA）傳輸至耳機(jī)側(cè)，此時(shí)DS2488檢測(cè)到5V，CD/PIOC引腳變?yōu)榈碗娖绞咕w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(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引腳和ITOPOFF引腳的電阻配置，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(cè)量，無(wú)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(jī)的電池管理和電源配置系統(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+。該充電器還可通過(guò)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(zhǎng)電池壽命。微控制器MAX32655提供四路SIMO輸出，每路均可通過(guò)寄存器配置輸出不同的電壓。
固件設(shè)計(jì)
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(jì)MAX17262和OLED模塊。然后，微控制器對(duì)充電盒倉(cāng)蓋的狀態(tài)進(jìn)行輪詢。如果充電盒倉(cāng)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(cè)到充電盒電池的剩余電量小于5%，則充電會(huì)停止。如果充電盒倉(cāng)蓋打開(kāi)，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)的電池信息通過(guò)OLED模塊或者虛擬串口顯示。
圖7.充電盒固件流程圖。
耳機(jī)的固件流程圖如圖8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(kāi)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8.耳機(jī)固件流程圖。
測(cè)試結(jié)果
充電盒和耳機(jī)的電源軌的設(shè)計(jì)要求和測(cè)試結(jié)果如表4和表5所示。可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
表4. 充電盒電源軌的設(shè)計(jì)要求與測(cè)試結(jié)果
表5.耳機(jī)電源軌的設(shè)計(jì)要求與測(cè)試結(jié)果
充電盒倉(cāng)蓋關(guān)閉時(shí)和充電盒倉(cāng)蓋開(kāi)啟時(shí)的測(cè)試結(jié)果如圖9和圖10所示?？梢?jiàn)，本設(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9.充電盒倉(cāng)蓋關(guān)閉時(shí)的測(cè)試結(jié)果。
圖10.充電盒倉(cāng)蓋打開(kāi)時(shí)的測(cè)試結(jié)果。
結(jié)論
對(duì)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(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雙向橋接器為以更小的空間和更低的成本實(shí)現(xiàn)低功耗、高穩(wěn)定性、高性能的TWS耳機(jī)解決方案鋪平了道路。MAXREFDES1302以DS2488為基礎(chǔ)，包括硬件和固件設(shè)計(jì)，僅通過(guò)兩個(gè)接觸點(diǎn)即可進(jìn)行電力傳輸和數(shù)據(jù)通信，是一款易用的TWS耳機(jī)原型。
參考電路
基于MAXIM PLC技術(shù)的TWS解決方案。方良、賈寧，電子產(chǎn)品世界，2021年5月。
MAX32655用戶指南。Maxim Integrated，2021年3月。
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