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USB声卡XU316的硬件设计（数字部分）

概要​

本文针对USB 声卡的数字部分设计进行描述，包含了USB的电路，XU316主控的外围启动电路，音频时钟电路，不涉及模拟部分的硬件设计。为了更加实例化，本文以XU316-1024-QF60B-PP24的作为整个方案的主控，进行讲述USB声卡的硬件设计，读者需要结合其datasheet和PXUA-XU316-KIT的原理设计，便可基本确定USB声卡数字部分的电路设计。

XU316主控电路​

根据XU316-1024-QF60B-PP24的datasheet详细描述 , XU316的最小系统需要简单的外围器件，需要3路电源供应（3V3，1V8和0V9），QSPI Flash（存储固件）和晶振便可启动工作。

电源设计​

主控XU316的电源设计共需要3路电源供应，分别为3V3 ，1V8和0V9供应部分。其要求如下表，需要注意以下事项：

  1. 3V3推荐使用LDO，并且这可使得3V3的上电时序较快于1V8，0V9。
  2. 每个XU316电源pin脚都需要加至少100nF的去耦电容。
  3. 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600Ω、DCR<1Ω的铁氧体）
电源最小值典型值最大值选型推荐工作电流值描述
0V90.855V0.900V0.945VDC-DC约300mA属于XU316核心电源，电流较大，推荐使用DC-DC
1V81.620V1.800V1.980VDC-DC约30mAGPIO 电流小，涉及USB模拟电源，推荐使用DC-DC
3V33.000V3.300V3.600VLDO约33mA主要是GPIO电源，电流小，涉及USB模拟电源，推荐使用LDO

启动设计​

  1. XU316外部需要24MHz无源晶振接入作为启动晶振，接入到XIN、XOUT引脚
  2. XU316需要外置 Flash，其主要是存储XU316的固件，需要预先烧录固件才能才能运行USB声卡程序。
  3. XTAG 选用2x5 1.27mm母座，作为XU316烧录Flash、调试和打印使用

USB 设计​

XU316芯片集成了USB 2.0 PHY收发芯片，将XU316的USB_DP和USB_DM引脚和USB端子（Type-A，Micro-B，Type-C）连接就可以。需要简单注意一下：

  1. 如果使用USB_VBUS作为整个设备供电的话，其最大电流通常限制在500mA及以下（受限于USB2.0供电标准）。

  2. 如果不是使用USB_VBUS电路作为XU316供电的话，需要加入如下图所示的VBUS检测电路。

    img2

使用外置电源，VBUS需要接到XnDnn

时钟设计​

XMOS平台的专业USB声卡使用异步传输协议，为实现异步传输模式，USB声卡设备中是需要设计音频时钟的。这音频时钟可以由以下4种方式提供：

  • 有源晶振
  • 外置的PLL
  • XU316内置的PLL
  • 其他处理器提供的音频时钟

音频采样率对应的44.1kHz和48kHz，他们的所需要的时钟频率不同，以I2S音频接口（此处链接I2S协议）为例。

BCLK=Sample Rate*32 bit*2ch

而BCLK为MCLK整数分频得到，LRCLK为音频采样率的SampleRate。根据公式，得到下表，当需要达到705.6kHz，768kHz的音频采样率时，例如HiFi声卡应用，我们需要选择45.1584MHz和49.152MHz作为音频时钟的MCLK。对于常规的专业录音声卡应用，通常采样率最高只需要192kHz，则使用12.288MHz和11.2896MHz的音频时钟即可。

采样率(KHz)44.14888.296176.4192352.8384705.6768
BCLK(MHz)2.82243.0725.644.86.14411.289612.28822.579224.57645.158449.152
最小MCLK（MHz）2.82243.0725.644.86.14411.289612.28822.579224.57645.158449.152

一般使用XU316作为I2S主模式的时候，我们选用有源晶振或者XU316内置的PLL作为音频主时钟。其设计如图，其中：

  1. 在UAC协议获取采样率信息后，XU316能够通过441_EN或者48_EN来选择45.1584和49.152MHz其中一个作为MCLK。
  2. XU316有两个tile， 需要MCLK需要同时进入的tile0和tile1, 所以才会分别输入到X0D35和X1D11, 同时MCLK也需要分出给到ADC/DAC/Codec。
  3. 或者，使用XU316内部的PLL，在X1D11输出等同两个晶振的时钟，如需要可以去掉中间的电阻。

IO分配​

对于XU316-1024-QF60B-PP24，可供分配的引脚是有限的，因此在设计阶段，您应当有计划地分配各引脚的功能。除了音频时钟和Flash，XU316剩余的I/O（即til0和tile1的X0Dnn和X1Dnn）可具备以下3种使用方式：

  • 连接音频ADC/DAC/Codec芯片所需数字音频接口（I2S，TDM，DSD），及其I2C配置，RST复位等
  • 其他数字音频接口如S/PDIF，ADAT，MIDI等
  • 用于输入输出控制的GPIO，如UART，LED，和按键输入等等

结合XU316的I/O特性，并且结合产品中的数字音频接口时序协议，我们将剩下XU316的I/O针对几种不同的应用，做了以下的port_map。设计硬件原理图之后，需要在XU316的软件中进行代码定义对应的port_map便可。

HIFI 声卡专业录音声卡专业录音声卡专业录音声卡麦克风阵列
signalpin1bit4 /8 bitI2S/DSD/SPDIF2进2出4进4出8进8出8路PDM
X0D0061ASPDIF OutSPDIF OutI2S_ADC0I2S_DAC2
X0D1171DXMOS_UART_TXXMOS_UART_TXI2S_ADC1I2S_DAC3MIC_CLK
X0D29404F1441_ENABLE441_ENABLE441_ENABLE441_ENABLERST_DAC/ADC
X0D30544F248_ENABLE48_ENABLE48_ENABLE48_ENABLE
X0D31554F3
X0D32564E2I2C_SCLI2C_SCLI2C_SCLI2C_SCLI2C_SCL
X0D33584E3I2C_SDAI2C_SDAI2C_SDAI2C_SDAI2C_SDA
X0D35411LMCLK_XCOREMCLK_XCOREMCLK_XCOREMCLK_XCOREMCLK_XCORE
X0D36431MBCLK_OUTBCLK_OUTBCLK_OUTBCLK_OUTMIC_DATA0
X0D37441NLRCLK_OUTLRCLK_OUTLRCLK_OUTLRCLK_OUTMIC_DATA1
X0D38451OI2S_DAC0I2S_DAC0I2S_DAC0I2S_DAC0MIC_DATA2
X0D39471PRST_DACI2S_ADC0I2S_DAC1I2S_DAC1MIC_DATA3
X0D40468D4RST_DAC/ADCRST_DAC/ADCMIC_DATA4
X0D41508D5MIC_DATA5
X0D42488D6MIC_DATA6
X0D43518D7MIC_DATA7
X1D0091AUSB_STATEMIDI OUTMIDI OUTI2S_ADC0I2S_DAC0
X1D01101BMIDI INMIDI INI2S_ADC1BCLK_OUT
X1D10131Cusb_VBUS_SetI2S_ADC2LRCLK_OUT
X1D11141DMCLK_XCOREMCLK_XCOREMCLK_XCOREMCLK_XCOREMCLK_XCORE
X1D22391GI2S_ADC3I2S_ADC0
X1D13321FXXXBCLK_OUT
X1D34531KXXXLRCLK_OUT
备注
  1. "X"表示改IO 被其他内容占用，不可做通用IO使用
  2. PLL Out代表XU316可以软件配置输出50MHz以内的时钟信号，可用于配置24.576MHz等音频时钟在XU316的X1D11输出。

应用示例​

以下实例是根据IO分配进行项目和应用的示例，示例中仅涉及到数字音频接口的说明，如其他GPIO，UART等没有列举出来，读者可以根据XU316的I/O（主要是1bit和4bit的特性）进行分配I/O使用。I/O分配之后，也需要在软件代码上进行配置和Coding才能正常工作。

HIFI 声卡​

功能：USB HiFi声卡，PCM和DSD输出，支持S/PDIF输出

参数：最高支持PCM786kHz，DSD512，S/PDIF输出高达192kHz

hifi专业声卡

2进2出​

功能：USB专业录音声卡，支持2路（麦克风/乐器）输入，2路输出（侦听/背景音），支持S/PDIF输出，支持MIDI输入输出

参数：PCM采样率支持高达384kHz，S/PDIF输出高达192kHz

原理说明：ADC/DAC的I2S的MCLK，LRCLK和BCLK时钟线是复用的

4进4出​

功能：USB专业录音声卡，支持4路（麦克风/乐器）输入，4路输出和2路侦听，支持S/PDIF输出，支持MIDI输入输出

参数：PCM采样率支持高达192kHz，SPDIF输出高达192kHz

原理说明：ADC/DAC的I2S的MCLK，LRCLK和BCLK时钟线是复用的

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本文最后由 Vergil Wong 更新于