Die neue USB-Typ-C-Spezifikation wird veröffentlicht, die direkt den HDMI-Ausgang unterstützt
Jul 26, 2019
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Die USB-Typ-C-Schnittstelle ist in Zukunft wahrscheinlich die einzige Datenschnittstelle für die meisten Laptops und Smartphones. Diese Geräte, die nur die USB-Schnittstelle unterstützen, müssen jedoch weiterhin mit nicht über USB angeschlossenen Geräten wie Monitoren und Fernsehgeräten interagieren. Daher müssen Entwickler überlegen, wie USB- und andere Hochgeschwindigkeits-Schnittstellenkonvertierungen in einem einzelnen Anschluss implementiert werden können. Dazu gehören das Umschalten von Stiftfunktionen, der Schutz vor externen Transienten wie ESD und die Aufrechterhaltung der Signalqualität. Der USB-Typ-C-Standard erfüllt diese Anforderungen, indem ein alternativer Modus (Alt-Modus) definiert wird, der die Funktionalität der Pins dynamisch ändert, um Nicht-USB-Datenübertragungsprotokolle zu unterstützen.
Dieser Artikel beschreibt verschiedene Standards. Mit diesen Standards kann USB Type-C an HDMI oder andere nicht-USB-ähnliche Datenschnittstellen angeschlossen werden. Dieser Artikel behandelt auch die Hauptprobleme, die beim Hinzufügen des HDMI-Standby-Modus zur USB Type-C-Schnittstelle zu berücksichtigen sind.
Einführung in die USB-Spezifikation Das HDMI-Forum veröffentlichte Ende 2016 die Spezifikation für den USB-Standby-Modus des Typs C. Der neueste USB-Standard enthält die folgenden drei Teile: Spezifikation der USB-Schnittstelle des Typs C Die Spezifikation der USB-Schnittstelle des Typs C wurde auf der Grundlage von stark geändert die bekannten Typ-A- und Typ-B-Spezifikationen. Für den durchschnittlichen Benutzer gibt es zwei Änderungen, die beachtet werden müssen: Die Typ-C-Schnittstelle misst 8,3 mm x 2,5 mm, was viel kleiner als USB Typ A und Typ B ist, aber 24 Pins enthält. Die vorherige Version hatte nur 4 Pins. Die Typ-C-Schnittstelle unterstützt sowohl das Vorwärts- als auch das Rückwärts-Einfügen, da die Typ-C-Schnittstelle symmetrisch aufgebaut ist und sich alle Signalpins auf beiden Seiten in derselben relativen Position befinden. Der USB Type-C kann auch mit herkömmlichen USB 2.0-Systemen über die D + / D- und VBUS / GND-Pins interagieren. Die Pinbelegung enthält auch neue Feature-Pins (einschließlich Alternativmodus), wie in den beiden anderen Spezifikationen definiert. Abbildung 1 zeigt die Pin-Zuordnung nach Typ-C-Schnittstellenstandard und Alternativmodus.
Abbildung 1: USB-Typ-C-Pinbelegung mit alternativer Moduszuordnung (Quelle: Texas Instruments)
USB Typ 3.1 Spezifikation
Die USB Type 3.1-Spezifikation aktualisiert die elektrische Leistung von USB durch Angabe von Datenübertragungsraten von bis zu 10 Gbit / s (SuperSpeed + in der Spezifikation). Für diesen Schnittstellentyp sind zwei dedizierte Differential-Pins für Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und -empfang erforderlich, und der Stromversorgungsstandard wird auf 5 V / 150 mA angehoben.
Spezifikation für USB-Stromversorgung
Die USB-Netzteilspezifikation (USB PD) legt den Betriebsmodus im Standby-Modus fest, der eine Ladeleistung von bis zu 100 W unterstützen und die Netzteilkapazität erheblich verbessern kann. Bei Verwendung eines USB-Kabels vom Typ C ermöglicht USB PD das bidirektionale Laden beider Geräte. Die Kommunikation über die Kanalstifte (CC) kann gemäß Typ C konfiguriert werden, und die Aufladerichtung kann sogar jederzeit geändert werden.
Obwohl diese drei Spezifikationen unabhängig voneinander sind, müssen USB-Systeme, die HDMI unterstützen, sowohl den Typ-C- als auch den USB-PD-Spezifikationen entsprechen. Außerdem muss jeder neu zugeordnete Pin die Datenübertragungsrate seines entsprechenden HDMI 1.4-Protokolls unterstützen können.
HDMI 1.4 Datenübertragungsrate
HDMI 1.4 verfügt über sechs Datenkanäle mit vier verschiedenen Datenraten:
HDMI-Ethernet und Audio-Rückkanal (HEAC): Hochgeschwindigkeits-Zweiwege-Datenkommunikationskanal, der 100base-tx-Ethernet (100 Mbit / s) unterstützt. HEAC enthält Streaming-Audiokomponenten, die der Norm IEC 60958-1 entsprechen.
TMDS (Minimale Übertragungsdifferenz): Drei Differenzkanäle für Hochgeschwindigkeits-Video- und Datenübertragung. HDMI 1.4 hat einen maximalen Datendurchsatz von 10,2 Gbit / s oder 3,4 Gbit / s pro Kanal.
DDC (Display Data Channel): Ein Kommunikationskanal, der auf dem Industriestandard I2C-Protokoll mit einer Standardrate von 100 Kbit / s basiert und dem Quellgerät die Identifizierung des unterstützten Audio- / Videoformats ermöglicht.
CEC (Consumer Electronic Control): Datenkanal mit niedriger Geschwindigkeit, über den Benutzer bis zu 15 kompatible Geräte steuern können. Dieser Datenkanal entspricht der CENELEC EN 50157-1 Spezifikation.
HDMI-Pinbelegung
Die Standard-HDMI-Typ-A-Schnittstelle ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 3 zeigt die neue Pin-Definition der USB-Typ-C-Schnittstelle, die den HDMI-Standby-Modus unterstützt. Es ordnet drei TMDS-Pinpaare und deren Taktsignale acht USB-TX / RX-Pins, zwei SBU-Pins, die mit dem HEAC-Kanal verbunden sind, und CC-Pins zu, die zum Übertragen von CEC-Signalen mit niedriger Geschwindigkeit verwendet werden. Beachten Sie auch, dass das D + / d-Pin-Paar von dieser Konvertierung nicht betroffen ist, sodass USB 2.0-Datenkanäle problemlos mit HDMI koexistieren können.
Abbildung 2: HDMI Typ-a verfügt über 19 Pins, einschließlich drei Hochgeschwindigkeitsdatenkanälen für abgeschirmtes Twisted Pair (Quelle: How Stuff Works.COM)
Abbildung 3: Pin-Zuordnung im HDMI-Modus in der USB-Schnittstelle für alternativen Modus Typ C (Quelle: HDMI.org)
Initialisieren Sie den HDMI-Standby-Modus
Die USB-PD-Spezifikation definiert die Reihenfolge der Vorgänge, die erforderlich sind, um in den Standby-Modus zu wechseln. Wenn der Benutzer ein aktives Typ-C-Kabel zwischen zwei USB-PD-Ports anschließt, wird eine Reihe von Verhandlungen auf dem CC-Kanal (Abbildung 4) durchgeführt, um zu bestimmen, ob USB-Modus oder Standby-Modus, welcher Standby-Modus-Standard angewendet werden soll, und einen bestimmten Satz von Herstellerdefinitionsnachrichten (VDM), um zu bestimmen, welcher Standard verwendet werden soll.
Abbildung 4: Wenn ein USB-PD-Port zum ersten Mal die Existenz eines anderen USB-PD-Ports erkennt, werden Verhandlungen geführt, um zu bestimmen, welches Übertragungsprotokoll und Datenformat verwendet werden soll (Quelle: Texas Instruments).
Andere USB-PD-Funktionen, wie das Bestimmen des erforderlichen Leistungspegels und der Richtung der Leistungsübertragung, wurden ebenfalls in den Verhandlungsprozess einbezogen, waren jedoch für HDMI-Vorgänge nicht erforderlich. Sobald die Initialisierungssequenz feststellt, dass HDMI das erforderliche Protokoll ist, werden die beiden Ports nach Bedarf dem HDMI-Standby-Modus neu zugeordnet.
HDMI-Architektur für alternativen Modus
Welche Hardwarekomponenten müssen Sie hinzufügen, um HDMI mit der USB-Typ-C-Schnittstelle zu unterstützen? Abbildung 5 zeigt das Strukturdiagramm der USB-PD-Schnittstelle und zeigt die erforderlichen Komponenten für den alternativen Modus. Beachten Sie, dass die Aktivierung des Standby-Modus auch dann eine Aushandlung mit der CC-Schaltung erfordert, wenn die Anwendung den Leistungspegel der USB-PD-Schnittstelle nicht angibt, und daher den USB-PD-PHY und den PD-Manager umfassen muss:
Das physikalische Schichtgerät (PHY) im Standby-Modus empfängt Videoinformationen der High-End-Grafikverarbeitungseinheit (GPU) und codiert sie für die Übertragung über drei TMDS-Differenzdatenleitungen.
Der Multiplexer im Alternativmodus (MUX) unterstützt das Umschalten zwischen dem HDMI-Alternativmodus und USB. Bei HDMI-Anwendungen werden HDMI-Signale an den entsprechenden Typ-C-Schnittstellenstift übertragen. Bei USB 3.1-Anwendungen werden RX / TX-Signale angeschlossen und entsprechend der Datenübertragungsrichtung umgeschaltet.
Abbildung 5: Zwei zusätzliche Module sind erforderlich, um den Standby-Modus über die USB-Typ-C-Schnittstelle zu implementieren, wie in grün dargestellt (Quelle: Texas Instruments).
Aktuelle Implementierungsmethode
Die HDMI-Spezifikation für den alternativen Modus ist neu. Daher befinden sich speziell für solche Anwendungen entwickelte Chipsätze noch in der Entwicklung. Die Komponente für den DisplayPort-Sicherungsmodus ist jedoch bereits verfügbar und kann mit HDMI-Konvertern verwendet werden. Abbildung 6 zeigt ein Blockdiagramm des USB-Ports vom Typ c, der sowohl den USB-, HDMI-Standby-Modus als auch die vollständige USB-PD-Spezifikation unterstützt.
Abbildung 6: Blockdiagramm des USB-Typ-c / HDMI-Anschlusses
Das Design besteht aus den folgenden zwei Grundkomponenten:
Der erste ist der TPS65982-unabhängige USB-Typ-C- und PD-Controller von Texas Instruments, mit dem die folgenden Aufgaben ausgeführt werden:
Überprüfen Sie den Einsteckstatus und die Steckrichtung des USB-Typ-C-Kabels
Verhandeln Sie die Stromversorgungseigenschaften und leiten Sie die Informationen über das I2C-Protokoll an die Mikrocontrollereinheit weiter, um den zu verwendenden Betriebsmodus zu bestimmen
Konfigurieren Sie die Einstellungen für den alternativen Modus des Multiplexers, um USB- oder HDMI-Signale an das entsprechende Zielgerät zu übertragen
Während des Betriebs verwaltet und steuert der TPS65982 auch den USB-Stromversorgungspfad
Der zweite ist der HD3SS460 von Texas Instruments, ein 4 × 6-Kanal-Hochgeschwindigkeits-Zweiwege-Switch für passiven Multiplexer / Demultiplexer, der zwischen alternativem und USB-Modus umgeschaltet werden kann, während die Schnittstelle überrollt wird.
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