A nova especificação USB tipo C é lançada, que pode suportar diretamente a saída HDMI
Jul 26, 2019
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A interface USB Type-C provavelmente será a única interface de dados para a maioria dos laptops e smartphones no futuro, mas esses dispositivos que suportam apenas a interface USB ainda devem interagir com dispositivos que não são conectados via USB, como monitores e televisões. Portanto, os projetistas precisam considerar como implementar conversões de interface USB e outras de alta velocidade em um único conector, o que envolve a alternação das funções dos pinos, fornecendo proteção contra transientes externa, como ESD, e mantendo a qualidade do sinal. O padrão USB Type-C atende a essas necessidades definindo um modo alternativo (modo alternativo) que altera dinamicamente a funcionalidade dos pinos para oferecer suporte a protocolos de transferência de dados não USB.
Este artigo descreve vários padrões. Com esses padrões, o USB Type-C pode ser conectado a HDMI ou outras interfaces de dados não semelhantes a USB. Este artigo também aborda os principais problemas a serem considerados ao adicionar o modo de espera HDMI à interface USB Tipo-C.
Introdução à especificação USB O HDMI Forum lançou a especificação do modo de espera USB Type-C no final de 2016. O mais recente padrão USB inclui três partes: Especificação da interface USB Type-C A especificação da interface USB Type-C foi bastante modificada as conhecidas especificações Type-A e Type-B. Para o usuário comum, há duas alterações que precisam ser observadas: A interface Tipo-C mede 8,3 mm x 2,5 mm, que é muito menor do que o USB Tipo-A e o Tipo-B, mas contém 24 pinos. A versão anterior tinha apenas 4 pinos. A interface Tipo-C suporta inserções para frente e para trás, porque a interface Tipo-C usa uma estrutura simétrica e todos os pinos de sinal estão na mesma posição relativa em ambos os lados. O USB Type-C também pode interagir com sistemas tradicionais USB 2.0 por meio dos pinos D + / D- e VBUS / GND. Sua pinagem também inclui novos pinos de recursos (incluindo o modo alternativo), conforme definido nas outras duas especificações. A Figura 1 mostra o padrão de interface Tipo-C e o mapeamento de pinos de modo alternativo.
Figura 1: Layout do pino USB tipo C mostrando o mapeamento de modo alternativo (fonte: Texas Instruments)
Especificação USB Type 3.1
A especificação USB Type 3.1 atualiza o desempenho elétrico do USB especificando taxas de transferência de dados de até 10 Gbps (SuperSpeed + na especificação). Este tipo de interface requer dois pinos diferenciais dedicados para dados TX e RX de alta velocidade, e o padrão da fonte de alimentação é elevado para 5V / 150mA.
Especificação para fonte de alimentação USB
A especificação da fonte de alimentação USB (PD USB) especifica o modo de operação no modo de espera, que pode suportar até 100 W de potência de carregamento e melhora muito a capacidade da fonte de alimentação. Quando usado com o cabo USB tipo c, o USB PD permite o carregamento bidirecional de ambos os dispositivos. A comunicação nos pinos do canal (CC) pode ser configurada de acordo com o tipo-c, e a direção de carregamento pode ser alterada a qualquer momento.
Embora essas três especificações sejam independentes, os sistemas USB compatíveis com HDMI devem atender às especificações de tipo-c e USB PD. Além disso, cada pino remapeado deve ser capaz de suportar a taxa de transferência de dados de seu protocolo HDMI 1.4 correspondente.
Taxa de transferência de dados HDMI 1.4
O HDMI 1.4 tem seis canais de dados em execução em quatro taxas de dados diferentes:
HDMI Ethernet e canal de retorno de áudio (HEAC): canal de comunicação de dados bidirecional de alta velocidade que suporta Ethernet 100base-tx (100Mbps). O HEAC inclui componentes de streaming de áudio que atendem à norma IEC 60958-1.
TMDS (minimizar o sinal diferencial de transmissão): três canais diferenciais para vídeo de alta velocidade e transmissão de dados. O HDMI 1.4 tem uma taxa de transferência máxima de dados de 10.2Gbps ou 3.4Gbps por canal.
DDC (canal de dados de exibição): um canal de comunicação baseado no protocolo I2C padrão da indústria, com uma taxa padrão de 100 Kbps, que permite que o dispositivo de origem identifique o formato de áudio / vídeo suportado.
CEC (controle eletrônico do consumidor): canal de dados de baixa velocidade, permitindo aos usuários controlar até 15 dispositivos compatíveis. Este canal de dados está em conformidade com a especificação CENELEC EN 50157-1.
Mapeamento de pinos HDMI
A interface padrão HDMI tipo-a é mostrada na figura 2. A Figura 3 mostra a nova definição de pino da interface USB tipo c que suporta o modo de espera HDMI. Ele mapeia três pares de pinos TMDS e seus sinais de relógio para oito pinos TX / RX USB, dois pinos SBU conectados ao canal HEAC e pinos CC usados para transmitir sinais CEC de baixa velocidade. Observe também que o par D + / d-pin não é afetado por essa conversão, portanto, os canais de dados USB 2.0 podem coexistir pacificamente com o HDMI.
Figura 2: O tipo HDMI-a tem 19 pinos, incluindo três canais de dados de alta velocidade para par trançado blindado (fonte: How Stuff Works.COM)
Figura 3: mapeamento de pinos no modo HDMI na interface de modo alternativo tipo-c USB (fonte: HDMI.org)
Inicializar o modo de espera HDMI
A especificação PD USB define a seqüência de operações necessárias para entrar no modo de espera. Quando o usuário conecta um cabo tipo-c ativo entre duas portas PD USB, uma série de negociações é realizada no canal CC (figura 4) para determinar se o modo USB ou modo de espera, qual modo standby deve ser aplicado e um conjunto específico de mensagens de definição de fornecedor (VDM) para determinar qual padrão usar.
Figura 4: quando uma porta PD USB reconhece pela primeira vez a existência de outra porta PD USB, são conduzidas negociações para determinar qual protocolo de transmissão e formato de dados usar (fonte: Texas Instruments)
Outros recursos do USB PD, como a determinação do nível de potência necessário e a direção da transmissão de energia, também foram abordados no processo de negociação, mas não foram necessários para as operações do HDMI. Assim que a sequência de inicialização determinar que o HDMI é o protocolo necessário, as duas portas serão remapeadas conforme necessário para o modo de espera HDMI.
Arquitetura de modo alternativo HDMI
Quais componentes de hardware você precisa adicionar para suportar HDMI com a interface USB tipo c? A Figura 5 mostra o diagrama de estrutura da interface USB PD e indica os componentes necessários para o modo alternativo. Observe que, mesmo que o aplicativo não especifique o nível de energia da interface USB PD, ativar o modo de espera requer negociação com o circuito CC e, portanto, deve incluir o Gerenciador PD PD e PD do PD:
O dispositivo de camada física (PHY) do modo de espera recebe informações de vídeo da unidade de processamento gráfico (GPU) de ponta e codifica-as para transmissão em mais de três linhas de dados diferenciais TMDS.
O multiplexador de modo alternativo (MUX) suporta a alternância entre o modo alternativo HDMI e o USB. Para aplicações HDMI, transmite sinais HDMI para o pino de interface tipo-c correspondente; Para aplicativos USB 3.1, ele se conecta a sinais e chaves RX / TX de acordo com a direção da transmissão de dados.
Figura 5: dois módulos adicionais são necessários para implementar o modo de espera através da interface USB tipo c, conforme mostrado em verde (fonte: Texas Instruments)
Método de implementação real
A especificação do modo alternativo HDMI é nova, portanto os chipsets projetados especificamente para esses aplicativos ainda estão em desenvolvimento. No entanto, o componente do modo de backup DisplayPort já está disponível e pode ser usado com conversores HDMI. A Figura 6 mostra um diagrama de blocos da porta USB tipo c que suporta tanto o modo de espera USB quanto HDMI e a especificação completa de PD USB.
Figura 6: Diagrama de blocos da porta USB tipo c / HDMI
O design consiste nos seguintes dois componentes básicos:
O primeiro é o controlador TPS65982 USB tipo C e PD da Texas Instruments, que é usado para executar as seguintes tarefas:
Verifique o estado de inserção e a direção da ficha do cabo USB tipo c
Negociar as características da fonte de alimentação e passar as informações para a unidade do microcontrolador através do protocolo I2C para determinar qual modo de operação usar
Configure as configurações do modo alternativo do multiplexador para transmitir sinais USB ou HDMI para o dispositivo alvo apropriado
Durante a operação, o TPS65982 também gerencia e controla o caminho da fonte de alimentação USB
O segundo é o HD3SS460 da Texas Instruments, que é um comutador multiplexador / demultiplexador passivo bidirecional de alta velocidade de 4x6 canais que pode ser alternado entre os modos alternativo e USB, enquanto suporta a rolagem da interface.
Além disso, existe um conversor de vídeo para converter sinais DisplayPort para o formato HDMI.
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