通过1-Wire技术简化TWS耳塞设计

本文演示了一种设计，该设计首次将ADI独特的1-Wire技术应用于真正的无线立体声（TWS）耳塞解决方案。该设计采用DS2488 1-Wire双端口链路，在满足功率传输和数据通信要求的基础上，具有低成本、低功耗、高精度、小尺寸、高效率等优点。该设计是TWS耳塞应用的理想解决方案。

介绍

TWS耳塞最吸引人的特点是无线佩戴的便利性。与传统蓝牙耳塞相比，TWS耳塞具有体积小、音质好、稳定性高等诸多优点，以及一定的防水性和智能化，迅速引起了消费者的兴趣。TWS耳塞的出货量和总市场规模随着该技术在消费者领域的研究和开发而不断扩大。

系统架构

本文介绍的1-Wire TWS耳塞解决方案MAXREFDES1302包括充电座和耳塞两部分。整体系统硬件架构如图1所示。

图1.1-Wire TWS充电座和耳塞的系统架构。

充电座使用3.7 V、1500 mAh单节锂离子电池为系统供电，并使用支持USB Type-C协议的MAX77651充电器为电池充电。用户可以使用一根USB Type-C电缆为整个系统充电。对于电源轨，充电座使用MAX17224升压模块将MAX77651的系统电压升压至5 V，MAX38640降压模块从该5 V产生3.3 V电压，为MAX32655微控制器供电。5 V也通过1-Wire控制电路传输到耳塞侧，作为为耳塞系统充电的电源。充电座采用MAX17262电量计和内部电流检测电阻来监测电池。MAX17262将传统的库仑法热仪与新型ModelGauge™ m5 EZ算法相结合;它具有灵活的配置和易用性，并且没有电池特性。充电座使用带有蓝牙5.2模块和内部SIMO电源模块的MAX32655作为微控制器。除常用通信接口外，部分GPIO还可配置为1-Wire接口，用于控制耳塞的DS2488，为1-Wire通信和充电提供了极大的便利。充电座的SWD接口可以连接到MAX32625PICO编程平台，该平台可以更新充电座MAX32655的固件，还可以通过虚拟串口在计算机上显示电池信息。电池信息也可以显示在充电座的OLED屏幕上。

耳塞采用3.7 V、130 mAh单节锂离子电池为系统供电，采用DS2488 1-Wire双端口链路实现耳塞与充电座之间的数据通信，同时控制来自充电座的5 V充电电源。耳塞还使用MAX32655微控制器，该微控制器使用UART接口模拟1-Wire时序来读写DS2488。耳塞的MAX32655同样使用SWD接口连接到MAX32625PICO编程平台以刷新程序。对于电源轨，耳塞的MAX77734充电器具有3.3 V LDO输出，为MAX32655微控制器供电。同时，3.3 V与MAX32655内部SIMO模块产生的1.8 V和1.2 V电源构成MAX98050音频编解码器的电源轨。耳塞还使用MAX17262电量计监测电池。

图 2 显示了设计的照片。充电座的实际尺寸为10.20厘米×5.80厘米，耳塞的实际尺寸为10.20厘米×6.50厘米。由于这是协助客户进行设计、测试和研究的原型，如果简化测试点，产品尺寸可以进一步减小，以满足实际TWS耳塞应用的尺寸要求。

图2.1线TWS充电座和耳塞原型PCBA照片。

1线数据通信和电力传输

在TWS耳塞应用中，可靠、便捷地实现充电座和耳塞之间的数据通信和电力传输非常重要。目前市场上许多常见的TWS耳塞通常使用三个或更多触摸点连接到充电座以交换消息和传输电源。然而，接触点过多通常会导致更高的系统成本，这对低成本的可穿戴产品极为不利。此外，更多的触摸点通常需要更大的尺寸，这与TWS耳塞的小尺寸要求相反。此外，更多的接触点往往会增加系统故障的可能性。面对这些困难，该设计采用了ADI专有的1-Wire双链路端口DS2488，该端口专为TWS解决方案设计，可在耳塞和充电座之间进行功率传输和数据通信。DS2488支持1-Wire协议，可通过单线交换数据和传输电源。由于系统需要一个额外的触摸点来连接耳塞的GND和充电座的GND，因此整个解决方案只需要两个触摸点，可以显着提高可靠性并降低系统的尺寸和成本。本设计的1-Wire通信和充电电路框图如图3所示。

图3.1-Wire通信和充电框图

DS2488的工作原理

如图3所示，DS2488为1-Wire双端口链路，具有两个1-Wire通信引脚IOA和IOB，由两侧的微控制器控制。IOA引脚由充电座的微控制器控制，IOB引脚由耳塞的微控制器控制。IOA引脚可支持高达5.5 V的输入电压，并支持1-Wire总线（IOA）上的不同通信和充电电平。作为1-Wire器件，每个DS2488都有一个唯一的64位ROM ID，供用户识别和认证。DS2488还具有内部8字节缓冲器，可由微控制器读写，实时更新两端的电池信息。在该设计中，存储在缓冲器中的信息如表1所示。

 

指数	信息
位 7	保留
位 6	底座电池CAP（千百位）（毫安时）
位 5	底座电池上限（十和一位）（毫安时）
位 4	底座电池 SOC （%）
位 3	右耳塞电池盖 （毫安时）
位 2	右耳塞电池 SOC （%）
位 1	左耳塞电池盖 （毫安时）
位 0	左耳塞电池 SOC （%）

 

DS2488的TOKEN引脚表示DS2488的控制状态：TOKEN逻辑低表示充电座侧的微控制器已获得DS2488的控制权限，而TOKEN逻辑高电平表示耳塞侧的微控制器已获得DS2488的控制权限。DS2488的CD/PIOC引脚控制充电座为耳塞充电：当1-Wire总线（IOA）上的电压低于4 V时，CD/PIOC引脚为高阻抗，因此晶体管关闭并停止充电。当1-Wire（IOA）上的电压高于4 V时，CD/PIOC引脚逻辑为低电平。晶体管导通，因此1-Wire总线（IOA）上的电压直接传递到耳塞的充电器，并开始充电。连接到 5 V 的 MOSFET 决定何时充电和何时通信。MOSFET 的导通和关断由充电座的微控制器控制。耳塞和充电座的使用大致可分为以下三种情况。

耳塞在底座中，底座盖打开

在这种情况下，充电座的微控制器关闭MOSFET，获得DS2488的控制权限。在这种情况下，TOKEN引脚逻辑低电平，CD/PIOC引脚高阻抗。充电座通过1-Wire总线（IOA）读取DS2488的8字节缓冲器以读取耳塞电池信息，并写入8字节缓冲器以更新充电座电池信息。此时，充电停止并开始通信。

耳塞在底座中，底座盖已关闭

在这种情况下，底座的微控制器打开MOSFET，因此5 V通过1-Wire总线（IOA）直接传输到耳塞。在这种情况下，TOKEN引脚为逻辑高电平，CD/PIOC引脚为逻辑低电平。来自底座的 5 V 传输到耳塞侧为耳塞电池充电。同时，耳塞的微控制器获取DS2488的控制权限，更新耳塞电池信息，并通过1-Wire总线（IOB）读写DS2488的8字节缓冲器来读取底座电池信息。此时，通信停止并开始充电。

耳塞不在底座中，或者底座电池快没电了

在这种情况下，1-Wire总线（IOA）为高阻抗，TOKEN引脚为逻辑高电平，CD/PIOC引脚为高阻抗。此时，耳塞的微控制器获取DS2488的控制权限，并通过1-Wire总线（IOB）写入DS2488的8字节缓冲器来更新耳塞电池信息。

DS2488 1线数据通信

如前所述，本设计使用DS2488作为充电座侧和耳塞侧微控制器之间的桥梁，以实现两侧的消息交换。DS2488支持典型的1-Wire通信协议。该协议包括复位和响应时序以及读/写时序。读/写时序包括一个写零时隙、一个写一时隙和一个读数据时隙，如图4和图5所示。时隙持续时间详情列于DS2488数据资料中。

图4.DS2488 1-Wire复位和存在时序

图5.DS2488 1线读/写时序

所有1-Wire器件都有一个内部状态机，其状态转换图如图6所示。如图4所示，当微控制器向DS2488发送复位信号时，1-Wire总线将被拉低48 μs至80 μs，然后通过上拉电阻将总线释放至高电平。如果总线上有DS2488，DS2488将响应复位信号，在总线释放48 μs后再次将1-Wire总线拉低6 μs至10 μs。此时，微控制器可以检测总线上的电平变化，即通过检测总线是否再次被拉低来确定1-Wire总线上是否连接了DS2488。

图6.1-Wire器件的状态转换图

一旦DS2488响应复位信号，微控制器将发送ROM功能命令。所有1-Wire器件都具有相同的ROM功能命令。表 2 总结了一些常见的 ROM 功能命令。在设计中，两个DS2488连接到1-Wire总线（IOA），因为充电座中通常有两个耳塞。读取ROM命令（0x33）和匹配ROM命令（0x55）用于读取1-Wire总线（IOA）上两个DS2488的ROM ID，并将DS2488与特定的ROM ID进行匹配，以实现左耳塞或右耳塞的识别和选择。

 

ROM 功能命令	法典	描述
搜索光盘	0xF0	读取所有设备的 ROM ID 在巴士上
读取只读存储器	0x33	读取总线上唯一设备的 ROM ID
匹配光盘	0x55	选择具有特定 ROM ID 的设备
跳过只读存储器	0xCC	选择总线上唯一的设备

 

发送ROM功能命令后，微控制器将发送设备功能命令，对设备进行进一步控制。不同的1-Wire器件具有不同的器件功能命令。对于DS2488，表3总结了一些常见的器件功能命令。该设计使用写入缓冲器（0x33）和读取缓冲器（0x44）命令读写DS2488的8字节缓冲器，实现充电座和耳塞之间的电池信息交换。

 

设备功能命令	法典	描述
写入配置	0x11	编写DS2488配置
读取配置	2xp2	阅读DS2488配置
写入缓冲区	0x33	写入DS2488的缓冲器
读取缓冲区	0x44	读取DS2488的缓冲器
读取状态	0x55	读取DS2488的状态

 

底座MAX32655微控制器的两组GPIO（P0.6和P0.7、P0.18和P0.19）可配置为1-Wire模块的OWM_IO引脚和OWM_PE引脚，分别实现与DS2488和5 V传输的通信。在该设计中，MAX32655的OWM_IO引脚连接到DS2488的IOA引脚，以实现底座微控制器与耳塞DS2488之间的1-Wire通信功能。

不同的是，考虑到市面上有些微控制器没有1-Wire接口，为了设计方便，耳塞的MAX32655微控制器采用UART接口模拟1-Wire时序，通过IOB引脚与DS2488通信，如图3所示。微控制器可以通过配置特定的UART波特率和发送特定的代码模式来实现此功能。以图4所示的复位和存在序列为例，当波特率为115200时，UART发送或接收1位数据的持续时间约为8.68 μs。因此，1字节数据的持续时间约为69.44 μs。由于0xE0（11100000，LSB优先）与1-Wire复位时序完全一致，因此可以作为1-Wire复位信号发送。在这种情况下，如果微控制器通过TX引脚发送0xE0（1-Wire复位信号），则1-Wire总线（IOB）上的DS2488将响应该1-Wire复位信号，并将总线拉低6 μs至10 μs。此时，RX引脚接收到的信号应为0xC0（11000000）或0x80（10000000）。总之，微控制器可以通过UART实现仿真1-Wire时序的功能，方法是发送和接收不同的代码模式，并比较接收和发送的信号。

DS2488 1线式电能传输

如图3所示，底座MAX32655微控制器的OWM_PE引脚控制MOSFET的导通和关断。当MOSFET关闭时，系统进行1-Wire通信。当MOSFET导通时，5 V电压通过1-Wire总线（IOA）传输到耳塞侧。一旦DS2488检测到5 V，CD/PIOC引脚将输出低电平以打开晶体管，将5 V传输到MAX77734充电器，以便为耳塞电池充电。

电池管理和电源配置

充电座的电池管理和电源配置系统由MAX77751 USB Type-C充电器、MAX17262电量计、MAX17224升压DC-DC转换器和MAX38640降压DC-DC转换器组成。通常，单节锂离子电池的终止电压为4.2 V，因此选择MAX77751CEFG+作为充电器的特定部件号。其充电电流由连接到 IFAST 引脚和 ITOPOFF 引脚的电阻器配置。考虑设计需要，选择500 mA的快速充电电流和100 mA的浮充电电流，相应的电阻分别为2.4 kΩ和8.06 kΩ。MAX17262电量计采用ModelGauge m5 EZ算法，在配置电池容量、终止电流和充电电压门限等电池参数后，可自动测量电池，无需额外的电池特性。MAX17224升压DC-DC转换器和MAX38640降压DC-DC转换器的输出电压分别由连接到SEL引脚和RSEL引脚的电阻配置。在该设计中，选择0 Ω和56.2 kΩ电阻分别输出5 V和3.3 V。

耳塞的电池管理和电源配置系统由MAX77734充电器和MAX17262电量计组成。MAX32655微控制器SIMO模块的输出还为系统提供1.8 V和1.2 V电源轨。由于只需要一个3.3 V LDO输出，因此选择MAX77734GENP+作为充电器的特定部件号。充电器还可以通过 I 配置为出厂状态、关机状态和待机状态2C 以延长电池寿命。MAX32655微控制器提供4路SIMO输出，每路可配置为输出不同的电压。

固件设计

充电座固件的流程图如图7所示。上电后，充电座的微控制器将初始化GPIO，并配置MAX17262电量计和OLED模块。然后，微控制器轮询底座盖的状态。如果底座关闭，微控制器将禁用1-Wire模块，并向1-Wire总线（IOA）施加5 V充电电压，为耳塞充电。在这种情况下，如果微控制器检测到底座电池的剩余电量小于5%，则充电将停止。如果底座打开，微控制器将禁用5 V充电电压，使能1-Wire模块读写DS2488缓冲器。底座和耳塞的电池信息通过OLED模块或虚拟串行端口显示。

图7.底座固件流程图。

耳塞固件的流程图如图8所示。上电后，耳塞的微控制器将初始化GPIO，并配置MAX17262电量计和MAX77734充电器。然后，微控制器轮询来自充电器的输入电压是否有效。如果输入电压有效且大于4 V，微控制器将启用充电器并开始充电。此时，微控制器轮询 TOKEN 引脚的状态。如果TOKEN引脚逻辑为低电平，则底座具有读取和写入DS2488的控制权限。如果TOKEN引脚逻辑为高电平，则耳塞具有读取和写入DS2488的控制权限。在这种情况下，微控制器将耳塞电池信息写入DS2488的缓冲器，供底座读取。

图8.耳塞固件流程图。

测试结果

底座和耳塞电源轨的设计要求和测试结果如表4和表5所示。这种设计可以满足系统设计要求。

 

参数	象征	测量值	设计要求
电池电压	.BAT	4.08 伏	3.1 V 至 4.6 V
USB 输入电压	中金	4.94 V	4.8 V 至 5.2 V
升压模块的 5 V 输出	5 V	5.16 伏	4.8 V 至 5.2 V
降压模块的 3.3 V 输出	3V3	3.30 伏	3.2 V 至 3.4 V

参数	象征	测量值	设计要求
电池电压	V.BAT	3.71 伏	3.3 V 至 4.6 V
充电器的 3.3 V 输出	V抄送_3.3	3.32 伏	3.2 V 至 3.4 V
微控制器的 1.8 V 输出	V抄送_1.8	1.82 伏	1.7 V 至 1.9 V
微控制器的 1.2 V 输出	V抄送_1.2	1.12 伏	1.1 V 至 1.3 V

 

开放式摇篮和封闭式摇篮的测试结果分别如图9和图10所示。这种设计可以实时显示底座电池和耳塞电池的信息，并读取和显示耳塞DS2488的ROM ID。

图9.封闭式摇篮的测试结果。

图 10.开放式摇篮的测试结果。

结论

TWS耳塞解决方案的原型设计是一项挑战，需要在易用性、低成本、便携性和稳定性之间取得平衡。DS2488 1-Wire双端口链路为低功耗、高稳定性、高性能的TWS耳塞解决方案铺平了道路，外形尺寸更小，成本更低。MAXREFDES1302基于DS2488，包括硬件设计和固件设计，是一款易于使用的TWS耳塞原型，仅通过两个触摸点即可进行功率传输和数据通信。

审核编辑：郭婷