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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。