PXUA-XU316-KIT硬件设计
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- 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 Flash | SCLK, CS, IO0, IO1, IO2, IO3 | 480Mbits/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。

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:

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。

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。

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:

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
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 |
---|---|---|---|---|---|---|
0v9 | 0.855v | 0.900v | 0.945v | DC-DC | ~300mA | 属于XU316核心电源,电流较大,推荐使用DC-DC |
3V3 | 3.0v | 3.3v | 3.6v | LDO | ~33mA | 主要是GPIO电源,电流小,涉及USB模拟电源,推荐使用LDO |
1V8 | 1.62v | 1.8v | 1.98v | LDO | 30mA | 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:

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:

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:

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

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。