本设计将AD公司独有的1-Wire技术首次应用TWS在耳机解决方案中使用1-Wire双向桥接器DS2488，在满足能量传输和数据通信要求的基础上，具备低成本、低功耗、高精度、小尺寸、高效率等诸多优势，是TWS理想的耳机解决方案。

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简介

TWS耳机最引人注目的特点是无线佩戴的方便性。与传统的蓝牙耳机相比，TWS耳机具有体积小、音质好、稳定性高等优点，也具有一定的防水性和智能性，因此迅速吸引了消费者的注意。TWS耳机出货量和整体市场规模不断扩大，是消费电子研发的热点领域。

系统架构

本文介绍1-Wire TWS耳机解决方案MAXREFDES1302包括充电箱和耳机，以及系统的整体硬件架构。

图1.1-Wire TWS充电箱和耳机系统架构。

充电盒使用3.7V 1500mAh支持单节锂电池向系统供电USB Type-C协议的充电器MAX给锂电池充电77651，用户只需使用一个USB Type-C数据线可以给整机充电。在电源轨用电源轨MAX1724升压模块将充电器的系统电压升压到5V电压，该5V电压通过MAX38640降压模块产生38640降压模块.3V电压为微控制器MAX32655同时供电，5V电压还通过1-Wire作为耳机系统的充电电源，将控制电路传输到耳机。在电量监测方面，充电箱采用内置检流电阻的电量计MAX17262监控电池。传统的库伦计数方法和创新电量计ModelGauge m5 EZ结合算法，无需分析电池特性，配置灵活，使用方便。在微控制器方面，充电箱是可用的BLE 5.2模块和内置SIMO微处理器的电源模块MAX除了常用的通信接口外，32655处理器资源丰富。GPIO也可配置为1-Wire通信接口可以对准耳机侧DS2488读写控制为1-Wire通信和充电提供极大便利。充电盒的SWD接口可以连接到MAX32625PICO下载器可用作充电箱MAX32655更新固件，电池信息也可以通过虚拟串口显示在计算机上。电池箱上也可以使用电池信息OLED屏幕显示。

耳机使用3.7V 130mAh单节锂电池供电系统，使用DS2488双向1-Wire桥接器实现耳机与充电箱的数据交互，同时实现来自充电箱的5V控制充电电源。耳机也用于控制器MAX32655用作微控制器UART接口模拟1-Wire时序对DS2488也用于读写控制SWD接口连接MAX32625PICO下载程序。在电源轨道方面，耳机使用的充电器MAX77734自带的一路3.3V的LDO输出为微控制器MAX同时，32655供电.3V和MAX32655内置SIMO模块产生的1.8V和1.2V电源组成音频编解码器MAX98050的电源轨。在电量监测方面，耳机也使用电量计MAX17262监控电池。

图2为1-Wire TWS充电箱和耳机的实物图。充电箱的实际尺寸为10.20cm × 5.80cm，耳机的实际尺寸为10.20cm × 6.50cm，由于本设计是辅助客户设计、测试和研究的样机，在简化试验点的情况下，可以大大压缩实际产品的尺寸，以满足需求TWS耳机实际应用的尺寸要求。

图3.1-Wire通信充电电路框图。

DS2488工作原理

，DS2488为1-Wire双向桥接器，有IOA和IOB两个1-Wire通信引脚由两侧的微控制器控制，其中IOA由充电箱微控制器控制，IOB由耳机的微控制器控制。IOA最高支持5.5V支持1的输入电压-Wire总线（IOA）传输不同的通信和充电电平。作为1-Wire器件，每个DS2488器件也有唯一的64位ROM ID，识别和认证用户。DS2488还有一个8字节的缓冲器供微控制器读写，以实时更新存储两侧的电池信息。缓冲器存储的信息如表1所示。

表1.DS2488缓冲器存储的信息

DS2488的TOKEN引脚指示DS2488控制状态：TOKEN为低指示充电盒的微控制器取得DS控制权限为2488；TOKEN获得高指示耳机侧的微控制器DS控制权限为2488。DS2488的CD/PIOC引脚控制充电箱是否为耳机充电-Wire总线（IOA）上部电压小于4V时，CD/PIOC晶体管关闭，充电停止；当1-Wire总线（IOA）上部电压大于4V时，CD/PIOC为低，晶体管导通，1-Wire总线上（IOA）电压直接加到耳机的充电器上，充电开始。耳机充电和通信的选择逻辑主要由一个连接到5V的MOSFET实现，该MOSFET由充电箱的微控制器控制，充电箱和耳机的使用主要分为以下几种情况。

耳机打开充电箱的充电箱盖

此时，充电箱的微控制器将MOSFET关闭并获得DS控制权限为2488，TOKEN为低，CD/PIOC高阻态。充电箱通过。IOA对DS读写2488内部8字节缓冲器，读取耳机电池的字节信息，更新写入充电箱电池的字节信息。此时，停止充电和通信。

耳机在充电箱内，充电箱盖关闭

此时，充电箱的微控制器将MOSFET开启，5V直接通过1-Wire总线（IOA）此时传输到耳机TOKEN为高，CD/PIOC为低。充电盒的5V电压传输到耳机侧，为耳机的锂电池充电。同时，获得耳机的微控制器DS通过2488控制权限，通过IOB对DS读写2488字节的缓冲器，更新写入耳机电池的字节信息，读取充电箱电池的字节信息。此时通信停止，充电。

耳机不在充电箱或充电箱中耗尽电池

此时，1-Wire总线（IOA）此时出现高阻态TOKEN为高，CD/PIOC为高阻态。此时，获得耳机微控制器DS通过2488控制权限，通过IOB对DS读写2488字节的缓冲器，更新写入耳机电池的字节信息。

DS2488 1-Wire数据通信

如上述所述，本设计的使用DS2488作为充电箱和耳机两侧微控制器的桥接器，实现两侧微控制器之间的数据交互。DS2488支持典型的1-Wire通信协议，协议时序分为复位响应时序和读写时序，读写时序分为0时间隙、1时间隙和读写时间隙。详细数据可参考各时序高低电平阶段的时间范围DS2488的数据手册。

图4. DS2488 1-Wire复位和响应顺序。

图5.DS2488 1-Wire读写时序。

所有1-Wire设备内部由状态机组成，其状态转移图。，当微控制器向DS1488装置发送复位信号后-Wire总线将被拉低48μs到80μs，然后总线被上拉电阻拉高释放。若总线上有连接DS2488，DS该复位信号将在总线上响应μs之后再次将1-Wire总线拉低6μs到10μs。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降低来判断是否有电平变化DS2488连接至1-Wire总线。

图6.1-Wire设备状态转移图。

当DS微控制器将在响应复位信号后发送2488ROM功能命令（ROM Function Command）。所有1-Wire器件的ROM功能命令是相同的，一些常用的ROM如表2所示。由于TWS在耳机设计中，充电箱通常需要容纳两个耳机，所以1-Wire总线（IOA）两个通常挂在上面DS2488。本设计首先采用Read ROM命令（0x33）和Match ROM命令（0x55）分别读取1-Wire总线（IOA）上两个DS2488的ROM ID和匹配特定ROM ID的DS2488装置，实现左右耳机的识别和选择。

表2.常用的1-Wire ROM功能命令

当发送ROM功能命令后，微控制器将发送设备功能命令（Device Function Command）进一步操作设备。不同1-Wire设备的功能命令不同，对DS2488而言，一些常用的设备功能命令如表3所示。本设计采用Write Buffer命令（0x33）和Read Buffer命令（0x44）对DS读写2488内的8字节缓冲器，实现充电箱与耳机电池信息的交互。

表3.常用的DS2488设备功能命令

微控制器的充电箱MAX32655的两组GPIO（P0.6与P0.7，P0.18与P0.19)可配置为1-Wire模块的OWM_IO引脚和OWM_PE引脚，分别实现和DS2488之间的通信和5V传输。本设计将MAX32655的OWM_IO引脚连接至DS2488的IOA引脚，实现充电箱和DS2488之间的1-Wire通信功能。

不同的是，考虑到市场上一些微控制器没有1-Wire耳机的微控制器为用户设计方便MAX32655采用UART接口模拟1-Wire时序，通过IOB对DS通信，2488。微控制器配置特定的微控制器UART该功能可以通过波特率和发送特定码形来实现。以图4所示的复位和响应时序为例，当波特率为115200时，UART每个数据数据的时间长度约为8.68μs。因此，1个字节（8位）的数据的时间长度约为69.44μs，而0xE(二进制:1100000（UART先发送低位数据，对应1-Wire时序复位信号。此时，如果微控制器通过TX发送0xE0(复位信号)，1-Wire总线（IOB）上的DS2488将响应此复位信号并将总线拉低6μs至10μs，此时RX上面收到的信号应该是0xC0(二进制:1.0万x80(二进制:1万)。通过收发不同的码形，比较接收和发送的信号，微控制器可以实现UART模拟1-Wire时序功能。

DS2488 1-Wire能量传输

，微控制器的充电箱MAX32655的OWM_PE引脚控制MOSFET的通断，当MOSFET关闭时，系统进行1-Wire通信；当MOSFET导通时，5V电压通过1-Wire总线（IOA）此时传输到耳机侧DS2488检测到5V，CD/PIOC将引脚变成低电平，使晶体管导通，将5V给耳机的锂电池充电。

电池管理和电源配置

充电箱的电池管理和电源配置系统由USB Type-C充电器MAX77751、电量计MAX17262、升压DC/DC转换器MAX17224和降压DC/DC转换器MAX38640组成。一般来说，单节锂电池的充电终止电压为4.2V，因此选择MAX77751CEFG 作为特定的充电器型号。充电器的充电电流从连接到IFAST引脚和ITOPOFF考虑到实际需要，引脚的电阻配置选择500mA快充电流和100mA对应的电阻分别为2.4kΩ和8.06kΩ。电量计MAX17262具备ModelGauge m5 EZ配置电池的算法AD官方代理容量、终止电流、充电电压门限等电池参数可自动测量电池，无需额外的电池建模。DC/DC转换器MAX17224和降压DC/DC转换器MAX38640的输出电压从连接到SEL引脚和RSEL引脚电阻配置，这里选0Ω和56.2kΩ电阻分别输出5V和3.3V。

充电器采用耳机的电池管理和电源配置系统MAX77734和电量计MAX由17262组成的微控制器MAX32655的SIMO输出也为系统提供了1.8V和1.2V的电源轨。因为只需要一路3.3V的LDO因此，充电器的具体型号是输出MAX77734GENP 。充电器也可以通过I2C为延长电池寿命，配置出厂运输模式、关闭模式和待机模式。微控制器MAX32655提供四路SIMO输出，每条路都可以通过寄存器输出不同的电压。

固件设计

充电箱固件流程图。上电后，充电箱的微控制器将初始化GPIO，并配置电量计MAX17262和OLED模块。然后，微控制器轮询充电箱盖的状态。如果充电箱盖关闭，微控制器将被禁用 1-Wire 模块，并将 5V 充电电压加到1-Wire总线（IOA）给耳机充电。在这种情况下，如果微处理器检测到充电箱电池的剩余电量小于5%，则充电将停止。如果打开充电箱盖，微控制器将被禁用 5V 并启用充电电压 1-Wire 模块读写 DS2488 的缓冲器。充电箱和耳机的电池信息通过OLED显示模块或虚拟串口。

图7.充电箱固件流程图。

耳机固件流程图。上电后，耳机的微控制器将初始化GPIO，配置电量计MAX17262和充电器MAX77734。然后，微控制器轮询充电器的输入电压是否有效。如果输入电压有效且大于4V，微控制器启用充电器，开始充电。此时，微控制器轮询TOKEN，如果TOKEN为低，则充电箱拥有DS读写权限为2488。如果 TOKEN 如果是高的，耳机就有了DS此时，微控制器将耳机的电池信息写入2488读写权限 DS2488 的缓冲器，供充电盒读取。

图8.耳机固件流程图。

测试结果

充电箱和耳机电源轨的设计要求和测试结果如表4和表5所示。可见，本设计能满足系统的设计要求。

表4. 充电箱电源轨的设计要求及试验结果

表5.耳机电源轨的设计要求和测试结果

当充电箱盖关闭充电箱盖打开时的测试结果。可以看出，该设计可以实时显示充电箱和耳机电池的信息，并读取显示在耳机上DS2488的ROM ID。

图9.充电箱盖关闭时的测试结果。

图10.打开充电箱盖时的测试结果。

结论

对于工程师来说，平衡易用性、低成本、便携性和稳定性TWS耳机的原型设计通常是一个巨大的挑战。DS2488 1-Wire为了实现低功耗、高稳定性稳定性、高性能，空间小，成本低TWS耳机解决方案铺平了道路。MAXREFDES1302以DS基于2488，包括硬件和固件设计，电力传输和数据通信只能通过两个接触点进行，是一种易于使用的方法TWS耳机原型。

参考电路

基于MAXIM PLC技术的TWS解决方案。方良，贾宁，AD/AD2021年5月，代理商。

MAX32655用户指南。Maxim Integrated，2021年3月。