全志R128硬件设计指南①

原理图设计

硬件系统框图

R128是一颗专为“音视频解码”而打造的全新高集成度 SoC，主要应用于智能物联和专用语音交互处理解决方案。

• 单片集成 MCU+RISCV+DSP+CODEC+WIFI/BT+PMU，提供生态配套成熟、完善的用于系统、应用和网络连接开发的高效算力；
• 集成 8MB/16MB/32MB PSRAM，为音视频解码、大容量存储、扫码以及网络连接提供充裕的高容量、高带宽的内存支持；
• 拥有丰富的音频接口 IIS/PCM、OWA、DMIC、LINEOUT、MICIN 以及通用通讯接口 IIC、UART、SDIO、 SPI、ISO7816卡接口；同时支持 U 盘、SD卡、IR-TX/RX；
• 内置 LDO、GPADC、LEDC，简化系统方案设计，降低 BOM成本。

硬件系统基本工作原理

R128硬件系统基本工作流程如下：

• 硬件系统正常上电，主控复位之后，CPU开始执行 BROM固化代码，对系统资源和关键外设进行配置及初始化，包括电源，时钟，总线，复位，存储接口等。
• 根据配置，在 BROM阶段将系统初始化信息（串口、PSRAM等）从存储介质读取到系统 SRAM，进行芯片及系统的进一步详细配置和初始化工作；执行完 Boot0 程序后进入 boot 阶段。
• 从外部存储介质中读取下一阶段需要的软件代码，启动操作系统，并对系统资源和外设进行管理。
• 操作系统启动之后，根据产品不同需求加载相关启动，比如 USB、音频、WIFI、显示、蓝牙等模块，最终完成开机启动，进入普通操作界面。
• 系统支持 watchdog 应用监视系统的运行，当程序跑飞或者发生死循环时，watchdog模块会发出一个复位信号，使 SOC复位，软件系统重新启动。

R128硬件系统组成如下表：

系统	说明
CPU小系统	时钟，复位，中断，系统配置
存储系统	PSRAM，SPI NAND/SPI NOR/EMMC/SD CARD
音频系统	MIC IN、FMIN、IIS/PCM/TDM、DMIC、LINEOUT
输入输出子系统	RGB、SD CARD、USB OTG/HOST、TWI、UART、PWM、GPADC、TPADC、CSI、 IR TX/RX 等
电源系统	DCDC、LDO
无线	WIFI/BT
其他	功放、LED

CPU小系统

R128 CPU小系统包括时钟系统，系统配置 PIN、复位系统和 Debug 部分。

时钟系统信号PIN说明

R128 硬件系统包含 DCXO 40M/RTC 32.768K 两个时钟，对应时钟信号说明如表所示。

信号名	信号描述	应用说明
HXTAL_IN	DCXO晶振输入	默认使用 40M晶振，频率误差为 10PPM；
HXTAL_OUT	DCXO晶振输出	默认使用 40M晶振，频率误差为 10PPM；
LXTAL_IN	32K晶振输入	32.768K晶振电路，频率误差为 20PPM
LXTAL_OUT	32K晶振输出	32.768K晶振电路，频率误差为 20PPM

RTC 32.768K时钟可以从内部 RC振荡电路产生，可不使用外部 32K晶振。

小系统配置说明

R128小系统配置 PIN说明如表所示。

信号名	信号说明	应用说明
RESET	system reset	1，系统复位 PIN 2，Watchdog 输出 PIN
CHIP-PWD	Chip power down/System reset	1，内部 PMU 下电控制 pin； 2，系统复位 pin
PA1/FEL0	FEL功能选择 pin 0	当[FEL0,FEL1]= 00时，SOC进入 FEL升级状态
PA2/FEL1	FEL功能选择 pin 1	当[FEL0,FEL1]= 00时，SOC进入 FEL升级状态

• RESET和 CHIP-PWD均可实现系统复位功能，但 CHIP-PWD包含 R128内部 PMU掉电控制功能，可让R128实现上电复位功能。
• RESET/CHIP-PWD信号上接下地电容默认为 1nF，用于滤波和增强 ESD 防护能力
• 为避免 SOC启动时误进入升级状态，PA1/FEL0和 PA2/FEL1 不能同时接下拉电阻。

主晶振电路

• R128 DCXO模块推荐使用 40M 晶振以获得更好的射频性能。
• 晶振选型参考如下:
• R128集成 WIFI/BT功能，为获得更好的射频性能，建议晶振选型频率容限与频率稳定性均≤ 10ppm
• 晶体负载电容指标 CL，建议 CL≥10pF。CL过小会导致晶体温飘过大
• 晶体驱动能力 DL，建议典型值 100uW，最大不超过 200uW。取值过小会影响晶体寿命。
• 外挂匹配电容大小根据晶振规格和 PCB而定，要求匹配电容+板级杂散电容总值等于晶振规格要求的负载电容大小。
• 串接电阻需要预留位置，便于调试振荡幅度处理 EMI 问题。

晶振参数不得随意更改，需保证晶体自身负载电容、外挂匹配电容、PCB走线负载电容三者匹配。

32.768K时钟电路

• 支持内部 RCOSC时钟，支持 HOSC校准，满足 32.768K时钟输出。
• 外挂 32.768K 晶振时，外挂匹配电容大小根据晶振规格和 PCB而定，要求匹配电容+板级杂散电容总值等于晶振规格要求的负载电容大小。
• LXTAL_IN/LXTAL_OUT 之间并接的电阻，必须保留，用于对频率微调。

晶振参数不得随意更改，需保证晶体自身负载电容、外挂匹配电容、PCB走线负载电容三者匹配。

复位电路设计

R128可以选择使用外部复位 IC提供复位信号，也可以使用内部复位源。

• 内部上电复位触发门槛：VBAT爬升至约 2.4V；
• 内部下电复位触发门槛：VBAT跌落至 3.0V/2.9V/2.8V/2.7V/2.6V/2.5V(软件可配置)，详见 R128用户手册；
• 使用外部复位 IC 复位，时长不得低于 64ms；
• RESET Pin放置 1nF电容。

DEBUG电路设计

R128支持 USB（OTG）、UART、JTAG与 SWD 等多种调试方式，客户可根据需要选择合适的调试方式，建议在设计时对相应的调试接口预留测试点方便后续调试验证。

电源系统设计

SOC端电源质量要求

R128集成 PMU，外部仅需提供 VBAT 电源即可满足 R128 电源应用需求，其他电源由内部 PMU 产生。

SOC端电源电容设计

R128 SOC端各电源要求滤波电容容值如下：

• VDD_LX管脚建议预留放置 1个 2.2uF电容；

• VDD_SENSE管脚建议放置 1个 4.7uF电容；

• VDD_CLK、VDD18_ANA1、VDD18_TX1、VDD18_ANA2、VDD18_TX2电源 pin建议各放置 1个 100nF电容，靠近管脚放置；

• VDD_DSP建议放置 1个 1uF电容，靠近管脚放置；

• VDD_RTC建议放置 1个 1uF电容，靠近管脚放置；

• VDD_SYS1、VDD_SYS2建议各放置 1 个 1uF电容，靠近管脚放置；

• VDD_AON建议放置 1个 1uF电容，VDD12_PSM 建议放置 1 个 100nF 电容，靠近管脚放置；

• VDD_3V3建议放置 1个 1uF电容， VDD33_LB1、VDD33_LB2 建议各放置 1 个 100nF 电容，靠近管脚放置；

• VDD_IO1、VDD_IO2、VDD_IO_5VTOL建议各放置 1 个 100nF 电容，靠近管脚放置；

• AVDD电源与 AGND之间至少 1个 2.2uF电容，靠近引脚放置。

上电时序设计

R128各模块供电采用内部 PMU，其上电时序如图所示，时序描述如下：

• VBAT为 SOC外部电源输入，其上电至 2.4V附近触发内部 POR复位；
• 完成 POR 复位后，PMU各路 DCDC、LDO按照下图所示时序进行上电；

当使用外部 DCDC 或 LDO为 R128 的 VDD_IO1、VDD_IO2和 VDD_IO_5VTOL进行供电时，为避免电源从 IO漏电导致 SOC启动失败，建议使用 EXT_LDO（pin VDD_3V3）对外部 DCDC或 LDO 进行时序控制。

下电时序设计

R128下电时序如图所示，时序描述如下：

• R128内部集成掉电复位功能，通过检测 VBAT电压触发复位，可软件使能掉电复位功能和配置门槛电压，详见 R128 用户手册描述；
• 复位信号拉低后，DXCO、RCOSC停止振荡，各路 DCDC、LDO停止输出。

PSRAM 电路设计

R128内置 PSRAM，无需外部电路，只需满足 R128 电源设计要求即可。

Flash 电路设计

R128支持合封 SPI Nor FLSAH，支持外挂 SPI Nand/Nor、eMMC，设计说明如下：

• 使用合封 SPI Nor FLASH 时，VDD-IO1必须使用 3.3V电源；
• 使用外挂 SPI Nand/Nor、eMMC 器件时，可选择从 PA24-PA29、PB4-PB7&PB14/15、PA2-PA7 三个地方启动；
• 启动介质选择支持 Try 与 eFuse Select 两种方式；
• Try 方式启动顺序为 SDC0->SPI NOR->SPI NAND->EMMC，该模式仅支持轮询 PA 口的启动介质
• eFuse Select方式启动顺序由 eFuse决定，具体启动顺序及烧码值可定制

SPI NOR/NAND 参考设计

GPIO 电路设计

R128 有PA/PB 2 组GPIO,GPIO 逻辑电平与供电电压有关。

• 未使用的GPIO 优先建议接地或者Floating，软件设定为disabled 状态；
• IO 上拉电阻上拉电压选择IO 所在电源域。

GPIO 分组	控制器电源域	IO电源域	IO电压
PA0~PA14	VDD-SYS	VDD-IO2	3.3V/1.8V
PA18~PA23	VDD-SYS	VDD-IO2	3.3V/1.8V
PA16~PA17	VDD-SYS	VDD-IO-5VTOL	5V/3.3V/1.8V
PA15	VDD-SYS	VDD-IO1	3.3V/1.8V
PA24~PA29	VDD-SYS	VDD-IO1	3.3V/1.8V
PB0~PB15	VDD-SYS	VDD-IO1	3.3V/1.8V

LED电路设计

R128集成 LEDC功能，可以直接驱动集成式 LED。

集成式 LED一般供电范围是 3.5～5.3V，Vih必须大于 0.7*VDD，如 WS2812C。当 VDD为 5V供电时，Vih必须大于 3.5V，已超出 SOC IO输出电压范围。解决方案：

• 5V供电串联 1N4148二极管，降低 VDD电压，理论 VDD电压为 4.3V，此时 Vih 大于 3V 即可；
• 市场已有 5V 供电且支持 3.3V逻辑控制的集成式 LED，如 WS2128B-V4/V5。

USB电路设计

R128 USB接口具有 HOST和 OTG功能，在产品功能定义上需要注意区别。

• 若使用 Micro USB 供电，建议在 VBUS上放置限流和防倒灌 IC、TVS 保护器件；
• USB-ID 信号为 OTG 检测信号，上拉电压选择 USB-ID Pin所在电源域；
• USB-ID 信号到 SOC端的 GPIO 串接 1K~1.5K电阻提升 ESD性能；
• 建议在 VBUS 上放置稳压管和 TVS保护器件；
• D+/D-信号线为高速信号线，并接的 TVS 要求低容值，否则影响数据传输，以小于 4pF 为宜；串接预留 5 电阻。

SD Card 电路设计

• SDC0-CLK串接 33R电阻，靠近 SoC摆放；
• SDC0-CMD和 SDC0-DET Pin芯片内部集成 15K上拉电阻，外部 10K上拉默认 NC；
• SDC0-DET串接 1K电阻，减缓信号下冲和提供 IO ESD能力；
• 靠近 SD 卡座，每个信号 Pin放置 ESD器件。
• SD卡座电源 VDD预留串联 0R电阻，防止卡插入时，瞬间大电流烧卡。

音频电路设计

• 3个 ADC，可支持 3 个差分 MIC 输入；
• 2个 DAC，R128-S1/S2可支持差分立体声输出，R128-S3可支持单声道差分音频输出；
• 支持 1 套 I2S/PCM 接口，支持 TDM模式，支持主从模式；
• 支持 OWA 输出，兼容 SPDIF 协议；
• 支持 DMIC 8 声道输入。

音频设计建议如下：

• AVDD对地电容为 2.2uF；VRA1对地电容为 470nF；VRA2对地电容为 470nF；MBIAS对地电容为 2.2uF；
• AVDD/VRA1/VRA2的 AGND通过 0R电阻单点到 GND；

• MIC1-3建议组合成 2MIC+1AEC 电路；

MIC和 AEC参考设计如图所示。AEC 回路电阻电容参数与功放输出幅度和算法公司要求有关，参数以实际开发环境为准。

硅MIC参考电路

驻极体MIC参考电路

ADC电路设计

支持 1 路 GPADC 接口，12bit采样分辨率，9bit采样精度，单通道最高采样率为 1MHz，最大支持 8 通道，可以用作按键功能或采集电池电压使用。

• GPADC 量程范围为 0～2.5V，应用时建议使用 0.2～2.3V作为输入检测电平；
• 按键按键分压电阻，请使用推荐的阻值，如 5 个按键以下，推荐使用 1%精度电阻。添加按键时保证按键按下后，ADC网络电压范围为 0~1.08V，最小间隔大于 200mV。

LCD电路接口

R128 支持一路 RGB屏接口和一路 SPI屏接口。其中 RGB屏接口可支持并行 RGB666 模式（1024x768@60fps）、串行 RGB模式（800x480@60fps）和 i8080模式（800x480@60fps），各种模式下管脚功能描述如下表。

SPI屏支持以下几种模式：

3 线 1 DATA	3 线 2 DATA	4线1 DATA	4线2 DATA	2 DATA Lane
DBI-CSX	DBI-CSX	DBI-CSX	DBI-CSX	DBI-CSX
/	/	DBI-DCX	DBI-DCX	/
DBI-SCLK	DBI-SCLK	DBI-SCLK	DBI-SCLK	DBI-SCLK
DBI-SDA	DBI-SDO	DBI-SDA	DBI-SDO	DBI-SDA
/	DBI-SDI	/	DBI-SDI	WRX
DBI-TE	DBI-TE	DBI-TE	DBI-TE	DBI-TE

DBI接口与SPI1复用关系

SPI	DBI
SPI1-CS	DBI-CSX
SPI1-CLK	DBI-SCLK
SPI1-MOSI	DBI-SDO/SDA
SPI1-MISO	DBI-SDI(WRX)/TE/DC X
SPI1-HOLD	DBI-DCX/WRX
SPI1-WP	DBI-TE

CSI电路接口

PIN脚	CSI接口	说明	DVP
PA18/PB0	NCSI0-HSYNC	摄像头行同步	HSYNC
PA19/PB1	NCSI0-VSYNC	摄像头场同步	VSYNC
PA20/PB14	NCSI0-PCLK	摄像头像素时钟	PCLK
PA21/PB15	NCSI0-MCLK	摄像头主时钟	MCLK
PA22	NCSI0-D0	Parallel CSI Data	Y2
PA23	NCSI0-D1	Parallel CSI Data	Y3
PA27	NCSI0-D2	Parallel CSI Data	Y4
PA26	NCSI0-D3	Parallel CSI Data	Y5
PA29	NCSI0-D4	Parallel CSI Data	Y6
PA25	NCSI0-D5	Parallel CSI Data	Y7
PA24	NCSI0-D6	Parallel CSI Data	Y8
PA28	NCSI0-D7	Parallel CSI Data	Y9

射频端口设计

射频输出端口（ANT pin）无需匹配电路，但可预留天线 PI 型匹配电路。如上图所示。为了方便天线PI型匹配电路调试，需在射频输出端口与天线间预留 0Ω电阻 WR1。如图所示。

因 R128 芯片射频前端已设计滤波器用于射频认证时滤除谐波杂散，因此，硬件方案端只需要预留一个PI型匹配电路用于匹配天线，无需额外多预留一个 PI型滤波网络用于滤除谐波杂散。

原理图设计其他

• I2C/TWI 最大支持 400Kbit/s 的传输速率，总线上加上拉电阻，推荐值为 2.0K~4.7K，上拉电源为对应 GPIO电源域，各设备地址不得有冲突；
• GPIO分配时，请确保电平相匹配，上拉的电压域必须为此 GPIO的电源域，以防外设向 SOC漏电情况发生；
• 串口调试电路 TX/RX 信号要加防倒灌电/隔离保护电路。可以选择 MOS管或二极管方案，二极管方案必须选择肖特基二极管。加工生产时为节约成本，MOS管和二极管隔离保护电路可以 NC，但板级至少要串接 100Ω电阻。