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PXUA-XU316-KIT硬件设计

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  • 已查阅了XU316-1024-QF60B-PP24_Datasheet和参考设计
  • 已确认PXUA-XU316-KIT USB Audio方案性能可满足导入项目产品中

XU316 datasheet 导读

查看XU316-1024-QF60B-PP24_Datasheet,其描述的为XU316裸片(不含固件)的硬件特性。了解基本的硬件数据,电气特性。

基本特性

商用温度等级(0 °C to 70 °C) 60-pin QFN封装 0.4mm间距 300mA(3.3V & 1.8V &0.9V)典型工作电流 I/O 驱动能力为4mA 订购型号:XU316-1024-QF60B-PP24; 丝印:V16A0 PP MCYYWW.P2

电源

根据datasheet的最小系统框图,XU316的需要三路电压供应,3.3V、1.8V和0.9V。

其中3.3V提供给I/O, USB , Flash等外设使用;

0.9V提供给XU316逻辑核心使用;

1.8V提供给USB物理层使用

复位检测

与XU208不同,XU316不需要外部有复位检测芯片,XU316拥有on-chip Power-on-Reset(POR),在提供给XU316电源稳定后,POR复位整个设备到一个已定义的状态,包括PLL配置、XTAG逻辑、PHYs和核心。

Flash

XU316需要外置 Flash(PXUA-XU316-KIT评估板使用的是QSPI Flash,型号UC25HQ16),其主要是存储固件,所以项目设备需要预先烧录固件方能使用。

类型管脚定义传输速度
QSPI FlashSCLK, CS, IO0, IO1, IO2, IO3480Mbits/s
  • 使用QSPI Flash烧录器烧录需要配置QE=1,并且勾选写入配置进行烧录。以IS25LP016D型号FLASH为例,其QSPI烧录步骤如下截图:(区分于SPI Flash,SPI Flash不需要勾选写入配置,即截图步骤5勾选为空)

  • 图示Flash烧录器为硕飞SP8-B专业级高速编程器(SP8-B专业版),支持QSPI、SPI Flash烧录。对于其他品牌烧录器,同样需要支持QSPI烧录,配置QE=1,并且勾选写入配置进行烧录。

    注意

    对于XU316上使用的UC25HQ16型号的Flash,您需要使用 硕飞SP20B 烧录固件。不同的烧录器支持的Flash型号不同,如需购买,请您提前询问卖家

  • 项目立项后,样板固件烧录以及产品批量烧录都需要Flash烧录器,这部分烧录工作由客户工程负责,客户需要提前预备自行购买Flash烧录器,并完成固件烧录。

I/O 映射

XU316的逻辑I/O接口的功能使用由固件定义,datasheet 无描述I/O 功能使用,需参考木瓜电子或者XMOS官方提供的的原理来选择使用特定的I/O map。

XU316芯片DATASHEET对I/O有详细说明。

其中16个1bit口包括1A~1D,1L~1P。 4bit口包括4B,4D,4E以及4F口。 8bit口包括8D0~8D7,其中8D0~8D3与1bit口复用。

XU316 I/O map
提示

IO类型可通过XU316软件编程定义,用户无需过多研究。

时钟信号

XU316外部需要24MHz无源晶振接入作为启动晶振,接入到CLK 引脚,而音频时钟44.1KHz 和48KHz采样率及其倍频采样率仍需要一个外部的45.1584MHz、49.152MHz音频时钟晶体接入作为音频主时钟使用。

原理图和PCB

根据我司或者XMOS官方的提供的参考原理,结合XU316的datasheet最小系统。用户可以比较轻易完成XU316的最小系统设计,包含了电源,时钟,FLASH,XTAG等。

原理图设计框图

下图为PXUA-XU316-KIT的设计框图:

Schematic diagram of PXUA-XU316-KIT

从框图之中,可以简单列举为几个模块:USB接口、电源、FLASH、时钟、JTAG(XTAG)以及其他通讯接口。下面进行简述。

电源设计

1.USB设计

XMOS有两种电源输入方式选择,对应的电路也略有不同。XMOS系统所需要电源提供方式,可分为下面两种:

  • USB内部供电
  • 外部电源供电

USB内部供电:XMOS系统需要的电源是由USB 的5V电源VBUS分压得到,整个XMOS系统的供电来源都由USB。

img1

外部电源供电:即XMOS所需的两组电源由外部系统分压过来,而非USB。采用这种供电系统时,USB VBUS必须链接到XU316 XnDnn引脚上作为枚举检测信号。

img2
注意

USB一般电流的设计额定限度是500mA,超过该限额设备将无法正常枚举通讯,所以在设计时需要注意使用USB VBUS给系统其他模块供电是否会超过限额,如果超过该限额,建议系统其他模块使用外置电源。

2.电源系统说明

下图为XU316电源系统框图:

XU316 power supply system block diagram

其中3V3提供给XU316及其集成的部分的 I/O供电,1V8为USB模拟电源,0V9供应XU316核心及其集成组件的核心使用。

3V3 供应部分

  • 3V3电压范围(3.135 ~ 3.465 V)
  • VDDIO (3.3V): 数字 I/O 供电, VDDIOL(左),VDDIOR(右),VDDIOT(上)
  • USB_VDD33 (3.3V): USB 模拟供电,供电给 USB-PHY

1V8 供应部分

  • 1V8电压范围(1.62 ~ 1.98 V)
  • VDDIOB18(1.8V):数字 I/O 供电 (下)
  • USB_VDD18(1.8V):USB 模拟供电

0V9 供应部分

  • 0V9电压范围(0.855 ~ 0.945 V)
  • VDD (0.9V):数字 tile 供电,供给逻辑核
  • PLL_AVDD (0.9V):模拟供电给PLL
提示

PLL需要一个非常干净的电源,以及一个低通滤波器(例如,一个1μF的多层陶瓷电容和一个在100MHz时为600欧姆、DCR<1欧姆的铁氧体)

其电源设计如下

Power
电源
Min
最小值
Typ
典型值
Max
最大值
Type selection of recommended
选型推荐
electric current
电流
description
描述
0v90.855v0.900v0.945vDC-DC~300mA属于XU316核心电源,电流较大,推荐使用DC-DC
3V33.0v3.3v3.6vLDO~33mA主要是GPIO电源,电流小,涉及USB模拟电源,推荐使用LDO
1V81.62v1.8v1.98vLDO30mA主要是GPIO电源, 电流小,涉及USB模拟电源,推荐和使用LDO

时钟设计

XU316需要三个时钟输入:

24MHz无源晶振是XU316的起振时钟,接XU316 CLK脚。45.1584MHz晶振和49.152MHz晶振为音频晶振,为XU316提供音频参考时钟。 XU316通过软件识别当前音频采样率来进行这两个晶振的使能切换,如当前音频采样率为32bit/44.1KHz,XU316使能441_ENABLE脚,以45.1584MHz时钟为参考,16分频产生2.8224MHz的I2S_BCLK和44.1KHz的I2S_LRCLK时钟。48KHz则对应49.152MHz时钟使能,当PC播放不同采样率音频时,XU316通过端口使能控制所需时钟的使能,从而达到同步切换时钟频率的效果。其设计思路如下框图:

XU316 clock block diagram

FLASH

在XU316的参考原理设计中,Flash的连接方式为QSPI。程序固件存放于QSPI Flash之中,XU316与QSPI flash链接如下:

XU316 with QSPI flash link

XTAG与其他接口

XTAG调试工具作为XMOS芯片专用的调试和烧录工具,用于在线调试和烧录程序,以及高级调试。XTAG对于XMOS芯片开发是必不可少的。

XTAG4是XMOS官方针对XU316芯片推出的新一代在线烧录调试器,其工作电平为0~1.8V。而上一代XTAG3的工作电平为0~3.3V,所以将XTAG3应用于XU316的烧录调试时也可以正常进行烧录,但由于XTAG3提供的是3.3V的电压,长此以往可能会对XU316造成损坏,不建议直接使用XTAG3直接对XU316进行在线调试和烧录程序。

考虑到大多数客户手上只有XTAG3而没有XTAG4。为了解决XTAG3电平与XU316 XTAG引脚电平不匹配的问题,防止长期直接使用XTAG3造成XU316的损坏的情况,需要使用XTAG3转接板将3V3的IO电平转化为1V8的电平,木瓜电子设计了专用转接板来解决电平问题,通过转接板将3V3的IO电平转化为1V8的电平,并最大程度减小板上空间,使用2x5 1.27mm的端子来代替XTAG3的2X10 2.54mm的大端子。

转接原理如下图:

Adapter Principle

转接板实物如下图,用户需要自行焊接转接板的端子,并且遵循其搭建过程

09_xtag_18

其他接口

其他接口如I2S,I2C,UART,SPDIF,MIDI等需要根据需求与我司技术进行定义,优先使用1bit口,如1E、1F和1M;4bit口尽量用于同个功能定义,如4D驱动4个LED.

其他注意事项

关于XMOS最小系统的阻容设计,必须根据木瓜电子提供的参考设计进行设计,阻容值不能随意更改,客户在设计及贴板时务必检查清楚。

用户将电路板交给木瓜电子调试软件之前,需要对硬件做初步检查确认5V/3.3V/1.8v/0.9V电源是否正常。在所有电源检测正常的情况下,木瓜电子会提供一个flash烧录固件,首次烧录flash固件,用户需准备flash编程器,(可在淘宝搜索“硕飞编程器 SP8-B专业版”,其他型号烧录器需要支持硬件所使用的flash烧写)。 用户烧入固件后,用USB连接PC或者其他系统,查看USB设备是否枚举正常。用户烧入固件以后如果发现USB设备无法正常枚举,需要做以下检查:

检查表 Check List

电源

在给设备上电之前,首先检查电源(5V/3.3V/1.8V/0.9V/GND)是否存在短路,如发现短路,需及时检查修复,禁止短路上电,以免 损坏设备 确保设备没有短路后,上电检测所有电源是否正常,如果电源幅值为达到,请检查对应电源电路

时钟

XU316需要三个时钟源:一颗24MHz无源晶振作为启动时钟,另外两颗为有源晶振,作为音频基准时钟 设备在烧录固件后无法枚举,需要检测24MHz无源晶振作是否正常起震 设备枚举后,无法播放测试音频或音频出现阻塞卡滞、音速不对,需要检查两颗有源晶振是否正常,频率、幅值是否正确

USB

USB属于高频信号,检查USB信号与XU316连接是否正确(DM/DP),信号连接走线是否进行等距差分包地走线,走线过长、未按照标 准差分包地,都会影响信号传输,影响设备枚举

复位

如出现设备无法枚举,需检查XU316复位信号是否被拉低, XU316复位信号RET_N为低时处于复位状态,设备无法正常运行

Flash

检查FLASH电源是否正常,片选脚上拉电路是否正确。 确保烧录的固件与实际FLASH IC型号匹配,是否已经正确烧录(QSPI Flash烧录需要配置QE=1,并勾选烧录配置写入)

焊接

检查XU316焊接是否良好,包括旁路芯片(晶振、Flash)的焊接.XU316芯片使用QFN封装,GND处于芯片底部正中,必要的时候需 要重新焊接芯片,以确所有管脚与焊盘中间的连接。

阻容

检查原理设计阻容与实际焊接是否正确,特别需要注意的是时钟线路电阻,通常使用33Ω,过大阻值阻抗过大,将会影响信号传输

服务

XU316的硬件设计用户需要自行完成,结合木瓜电子提供的参考原理图设计(PXUA-XU316-KIT评估板), datasheet文档完成设计。

木瓜电子可以提供XU316-1024-QF60B-PP24, 麦克风和Codec芯片供应服务。