Se lanza la nueva especificación USB tipo C nueva, que puede admitir directamente la salida HDMI
Jul 26, 2019
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Es probable que la interfaz USB tipo C sea la única interfaz de datos para la mayoría de las computadoras portátiles y teléfonos inteligentes en el futuro, pero estos dispositivos que solo admiten la interfaz USB aún deben interactuar con dispositivos que no están conectados por USB, como monitores y televisores. Por lo tanto, los diseñadores deben considerar cómo implementar USB y otras conversiones de interfaz de alta velocidad en un solo conector, lo que implica cambiar las funciones del pin, proporcionar protección transitoria externa como ESD y mantener la calidad de la señal. El estándar USB Tipo-C aborda estas necesidades definiendo un Modo alternativo (Modo Alt) que cambia dinámicamente la funcionalidad de los pines para admitir protocolos de transferencia de datos que no sean USB.
Este artículo describe varios estándares. Con estos estándares, USB Tipo-C se puede conectar a HDMI u otras interfaces de datos que no sean similares a USB. Este artículo también cubre los principales problemas a considerar al agregar el modo de espera HDMI a la interfaz USB Tipo-C.
Introducción a la especificación USB El Foro HDMI lanzó la especificación del modo de espera USB Tipo-C a finales de 2016. El último estándar USB incluye las siguientes tres partes: Especificación de la interfaz USB Tipo-C La especificación de la interfaz USB Tipo-C se ha modificado en gran medida según Las conocidas especificaciones de tipo A y tipo B. Para el usuario promedio, hay dos cambios que deben tenerse en cuenta: la interfaz Tipo-C mide 8.3 mm x 2.5 mm, que es mucho más pequeña que USB Tipo-A y Tipo-B, pero contiene 24 pines. La versión anterior tenía solo 4 pines. La interfaz Tipo-C admite inserciones directas e inversas porque la interfaz Tipo-C usa una estructura simétrica, y todos los pines de señal están en la misma posición relativa a cada lado. El USB Type-C también puede interactuar con los sistemas USB 2.0 tradicionales a través de los pines D + / D- y VBUS / GND. Su configuración de pines también incluye nuevos pines de funciones (incluido el modo alternativo) como se define en las otras dos especificaciones. La Figura 1 muestra el mapeo de pines estándar y alternativo de la interfaz Tipo-C.
Figura 1: Diseño del pin USB tipo C que muestra la asignación de modo alternativo (Fuente: Texas Instruments)
Especificación USB Tipo 3.1
La especificación USB Tipo 3.1 actualiza el rendimiento eléctrico de USB al especificar velocidades de transferencia de datos de hasta 10 Gbps (SuperSpeed + en la especificación). Este tipo de interfaz requiere dos pines diferenciales dedicados para datos de alta velocidad TX y RX, y el estándar de la fuente de alimentación se eleva a 5V / 150mA.
Especificación para fuente de alimentación USB
La especificación de la fuente de alimentación USB (USB PD) especifica el modo de operación en modo de espera, que puede soportar hasta 100 W de carga y mejorar en gran medida la capacidad de la fuente de alimentación. Cuando se usa con un cable USB tipo c, el USB PD permite la carga bidireccional de ambos dispositivos. La comunicación en los pines del canal (CC) se puede configurar según el tipo c, y la dirección de carga incluso se puede cambiar en cualquier momento.
Aunque estas tres especificaciones son independientes, los sistemas USB que admiten HDMI deben cumplir con las especificaciones tipo-c y USB PD. Además, cada pin reasignado debe ser capaz de soportar la velocidad de transferencia de datos de su correspondiente protocolo HDMI 1.4.
Velocidad de transferencia de datos HDMI 1.4
HDMI 1.4 tiene seis canales de datos que se ejecutan a cuatro velocidades de datos diferentes:
HDMI Ethernet y canal de retorno de audio (HEAC): canal de comunicación de datos bidireccional de alta velocidad que admite Ethernet 100base-tx (100Mbps). HEAC incluye componentes de transmisión de audio que cumplen con IEC 60958-1.
TMDS (minimizar la señal diferencial de transmisión): tres canales diferenciales para video de alta velocidad y transmisión de datos. HDMI 1.4 tiene un rendimiento máximo de datos de 10.2Gbps o 3.4Gbps por canal.
DDC (canal de datos de visualización): un canal de comunicación basado en el protocolo I2C estándar de la industria, con una velocidad estándar de 100 Kbps, que permite al dispositivo fuente identificar el formato de audio / video compatible.
CEC (control electrónico del consumidor): canal de datos de baja velocidad, que permite a los usuarios controlar hasta 15 dispositivos compatibles. Este canal de datos cumple con la especificación CENELEC EN 50157-1.
Mapeo de pin HDMI
La interfaz estándar HDMI tipo-a se muestra en la figura 2. La figura 3 muestra la nueva definición de pin de la interfaz USB tipo-c que admite el modo de espera HDMI. Asigna tres pares de pines TMDS y sus señales de reloj a ocho pines USB TX / RX, dos pines SBU conectados al canal HEAC y pines CC utilizados para transmitir señales CEC de baja velocidad. También tenga en cuenta que el par D + / d-pin no se ve afectado por esta conversión, por lo que los canales de datos USB 2.0 pueden coexistir pacíficamente con HDMI.
Figura 2: HDMI tipo-a tiene 19 pines, incluidos tres canales de datos de alta velocidad para par trenzado blindado (fuente: How Stuff Works.COM)
Figura 3: asignación de pines en modo HDMI en la interfaz de modo alternativo USB tipo-c (fuente: HDMI.org)
Inicializar el modo de espera HDMI
La especificación USB PD define la secuencia de operaciones requeridas para ingresar al modo de espera. Cuando el usuario conecta un cable activo tipo C entre dos puertos USB PD, se realiza una serie de negociaciones en el canal CC (figura 4) para determinar si el modo USB o el modo de espera, qué modo de espera se aplicará y un conjunto específico de mensajes de definición de proveedor (VDM) para determinar qué estándar usar.
Figura 4: cuando un puerto USB PD reconoce por primera vez la existencia de otro puerto USB PD, se realizan negociaciones para determinar qué protocolo de transmisión y formato de datos usar (fuente: Texas Instruments)
Otras características de USB PD, como la determinación del nivel de potencia requerido y la dirección de transmisión de potencia, también fueron cubiertas en el proceso de negociación, pero no fueron necesarias para las operaciones HDMI. Una vez que la secuencia de inicialización determina que HDMI es el protocolo requerido, los dos puertos se reasignarán según sea necesario al modo de espera HDMI.
Arquitectura de modo alternativo HDMI
¿Qué componentes de hardware necesita agregar para admitir HDMI con la interfaz USB tipo c? La Figura 5 muestra el diagrama de estructura de la interfaz USB PD e indica los componentes necesarios para el modo alternativo. Tenga en cuenta que incluso si la aplicación no especifica el nivel de potencia de la interfaz USB PD, habilitar el modo de espera requiere una negociación con el circuito CC y, por lo tanto, debe incluir el administrador USB PD PHY y PD:
El dispositivo de capa física en modo de espera (PHY) recibe información de video de la unidad de procesamiento de gráficos de alta gama (GPU) y la codifica para la transmisión a través de tres líneas de datos diferenciales TMDS.
El multiplexor de modo alternativo (MUX) admite el cambio entre el modo alternativo HDMI y USB. Para aplicaciones HDMI, transmite señales HDMI al pin de interfaz tipo-c correspondiente; Para aplicaciones USB 3.1, se conecta a señales RX / TX y conmuta según la dirección de transmisión de datos.
Figura 5: se requieren dos módulos adicionales para implementar el modo de espera a través de la interfaz USB tipo c, como se muestra en verde (fuente: Texas Instruments)
Método de implementación real
La especificación de modo alternativo HDMI es nueva, por lo que los conjuntos de chips diseñados específicamente para tales aplicaciones aún están en desarrollo. Sin embargo, el componente de modo de copia de seguridad DisplayPort ya está disponible y se puede usar con convertidores HDMI. La Figura 6 muestra un diagrama de bloques del puerto USB tipo c que admite USB, modo de espera HDMI y especificación USB PD completa.
Figura 6: Diagrama de bloques del puerto USB tipo-c / HDMI
El diseño consta de los siguientes dos componentes básicos:
El primero es el controlador TPS65982 independiente USB tipo-c y PD de Texas Instruments, que se utiliza para realizar las siguientes tareas:
Compruebe el estado de inserción y la dirección del enchufe del cable USB tipo c
Negocie las características de la fuente de alimentación y pase la información a la unidad del microcontrolador a través del protocolo I2C para determinar qué modo de operación usar
Configure los ajustes del modo alternativo del multiplexor para transmitir señales USB o HDMI al dispositivo de destino apropiado
Durante la operación, TPS65982 también administra y controla la ruta de la fuente de alimentación USB
El segundo es el HD3SS460 de Texas Instruments, que es un conmutador multiplexor / demultiplexor pasivo bidireccional de alta velocidad de 4x6 canales que se puede cambiar entre los modos alternativo y USB mientras admite la interfaz.
Además, hay un convertidor de video para convertir señales DisplayPort a formato HDMI.
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