1-Wire TWS耳機(jī)解決方案架構(gòu)和設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用

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TWS耳機(jī)引人注目的特點(diǎn)是其無線佩戴的便捷性。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，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-WireTWS耳機(jī)解決方案MAXREFDES1302包括充電盒和耳機(jī)兩個部分，系統(tǒng)整體硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1.1-WireTWS充電盒和耳機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)。

充電盒使用3.7V1500mAh的單節(jié)鋰電池給系統(tǒng)供電，采用支持USBType-C協(xié)議的充電器MAX77651給鋰電池充電，用戶只需使用單根USBType-C數(shù)據(jù)線便可對整機(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MAX38640降壓模塊產(chǎn)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(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MAX17262對電池進(jìn)行監(jiān)控。該電量計將傳統(tǒng)的庫倫計數(shù)方法與創(chuàng)新的ModelGaugem5EZ算法相結(jié)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BLE5.2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(jī)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(jī)使用3.7V130mAh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，同時實(shí)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(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時序?qū)S2488進(jìn)行讀寫控制，同樣使用SWD接口連接MAX32625PICO器程序。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，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MAX17262對電池進(jìn)行監(jiān)控。

圖2為1-WireTWS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)計為輔助客戶進(jìn)行設(shè)計、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2.1-WireTWS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。目前市場上常見的TWS耳機(jī)通常使用3個或更多的觸點(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，過多的觸點(diǎn)通常會導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加，這對低成本的可穿戴產(chǎn)品設(shè)計極為不利。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)往往會增加故障發(fā)生的可能性。本設(shè)計采用為TWS方案設(shè)計的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)計采用的1-Wire通信充電電路框圖如圖3所示。

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(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DS2488器件還具備的64位ROMID，供用戶進(jìn)行識別、。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)時更新存儲兩側(cè)的電池信息。在本設(shè)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(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，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，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)充電和通信的選擇邏輯主要由一個連接至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蓋開啟

此時，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IOA對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。此時充電停止，進(jìn)行通信。

耳機(jī)在充電盒中且充電盒倉蓋關(guān)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(jī)，此時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，耳機(jī)的微控制器取得DS2488的控制權(quán)限，通過IOB對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，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(jī)的微控制器取得DS2488的控制權(quán)限，通過IOB對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。

DS24881-Wire數(shù)據(jù)通信

如上文所述，本設(shè)計使用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)議的時序分為復(fù)位與響應(yīng)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(xì)數(shù)據(jù)可參考DS2488的數(shù)據(jù)手冊。

圖4.DS24881-Wire復(fù)位和響應(yīng)時序。

圖5.DS24881-Wire讀寫時序。

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，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(zhuǎn)移圖。

當(dāng)DS2488響應(yīng)復(fù)位信號后，微控制器將發(fā)送ROM功能命令（ROMFunctionCommand）。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)計中，充電盒內(nèi)通常需要容納兩個耳機(jī)，所以1-Wire總線（IOA）上通常會掛接兩個DS2488。本設(shè)計首先采用ReadROM命令（0x33）和MatchROM命令（0x55）分別讀取1-Wire總線（IOA）上兩個DS2488的ROMID和匹配特定ROMID的DS2488器件，實(shí)現(xiàn)左右耳機(jī)的身份識別和選通。

表2.常用的1-WireROM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（DeviceFunctionCommand）對器件進(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DS2488而言，一些常用的設(shè)備功能命令如表3所示。本設(shè)計采用WriteBuffer命令（0x33）和ReadBuffer命令（0x44）對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)計方便起見，耳機(jī)的微控制器MAX32655采用UART接口模擬1-Wire時序，通過IOB對DS2488進(jìn)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(shí)現(xiàn)這一功能。以圖4所示的復(fù)位與響應(yīng)時序?yàn)槔?，?dāng)波特率為115200時，UART收發(fā)每一位數(shù)據(jù)的時間長度約為8.68μs。因此，1個字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)的時間長度約為69.44μs，而0xE0（二進(jìn)制：11100000）（UART先發(fā)送低位數(shù)據(jù)）則剛好對應(yīng)1-Wire復(fù)位信號的時序。此時，若微控制器通過TX發(fā)送0xE0（復(fù)位信號），1-Wire總線（IOB）上的DS2488將響應(yīng)此復(fù)位信號并將總線拉低6μs至10μs，此時RX上收到的信號應(yīng)為0xC0（二進(jìn)制：11000000）或0x80（二進(jìn)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(shí)現(xiàn)通過UART模擬1-Wire時序的功能。

DS24881-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，系統(tǒng)進(jìn)行1-Wire通信；當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，5V電壓通過1-Wire總線（IOA）傳輸至耳機(jī)側(cè)，此時DS2488檢測到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USBType-C充電器MAX77751、電量計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。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，對應(yīng)的電阻分別為2.4kΩ和8.06kΩ。電量計MAX17262具備ModelGaugem5EZ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)后即可自動對電池進(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(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，每路均可通過寄存器配置輸出不同的電壓。

固件設(shè)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(jìn)行輪詢。如果充電盒倉蓋關(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(jī)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(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GPI