Publication de la nouvelle spécification USB Type-C, qui peut directement prendre en charge la sortie HDMI

L’ interface USB Type-C sera probablement la seule interface de données pour la plupart des ordinateurs portables et des smartphones à l’avenir, mais ces périphériques ne supportant que l’interface USB doivent toujours interagir avec des périphériques qui ne sont pas connectés à l’USB, tels que les moniteurs et les téléviseurs. Par conséquent, les concepteurs doivent réfléchir à la manière de mettre en œuvre les conversions d’interface USB et autres interfaces haut débit dans un connecteur unique, ce qui implique des fonctions de commutation de broches, une protection contre les transitoires externes, telle que les décharges électrostatiques, et le maintien de la qualité du signal. La norme USB Type-C répond à ces besoins en définissant un mode alternatif (mode alternatif) qui modifie de manière dynamique la fonctionnalité des broches pour prendre en charge les protocoles de transfert de données non USB.

Cet article décrit différentes normes. Avec ces normes, l’ USB Type-C peut être connecté à une interface HDMI ou à une autre interface de données non USB. Cet article traite également des principaux problèmes à prendre en compte lors de l'ajout du mode veille HDMI à l'interface USB Type-C.

Introduction à la spécification USB Le Forum HDMI a publié la spécification du mode de veille USB Type-C fin 2016. La dernière norme USB comprend les trois parties suivantes: Spécification de l'interface USB Type-C La spécification de l'interface USB Type-C a été considérablement modifiée les spécifications bien connues de type A et de type B. Deux modifications doivent être notées pour l'utilisateur moyen: L'interface de type C mesure 8,3 mm x 2,5 mm, ce qui est beaucoup plus petit que les interfaces USB de type A et de type B, mais contient 24 broches. La version précédente ne comportait que 4 broches. L'interface de type C prend en charge les insertions directe et inverse car l'interface de type C utilise une structure symétrique et toutes les broches de signal se trouvent dans la même position relative de chaque côté. L'USB Type-C peut également interagir avec les systèmes USB 2.0 traditionnels via les broches D + / D- et VBUS / GND. Son brochage comprend également de nouvelles broches de fonctionnalité (y compris le mode alternatif) telles que définies dans les deux autres spécifications. La figure 1 illustre le mappage des broches en mode alterné et standard de l'interface de type C.

USB Type-C pin layout showing alternate mode mapping

Figure 1: Disposition des broches USB Type-C illustrant le mappage en mode alterné (Source: Texas Instruments)


Spécification USB Type 3.1

La spécification USB Type 3.1 met à jour les performances électriques de l'USB en spécifiant des taux de transfert de données allant jusqu'à 10 Gbps (SuperSpeed + dans la spécification). Ce type d'interface nécessite deux broches différentielles dédiées pour la transmission et la transmission de données à grande vitesse, et le standard d'alimentation est porté à 5V / 150mA.

Spécification pour USB alimentation

La spécification d'alimentation USB (USB PD) spécifie le mode de fonctionnement en mode veille, qui peut prendre en charge jusqu'à 100 W de puissance de charge et améliorer considérablement la capacité d'alimentation. Utilisé avec un câble USB de type c, USB PD permet le chargement bidirectionnel des deux appareils. Les broches de communication sur le canal (CC) peuvent être configurées selon le type-c et le sens de charge peut même être modifié à tout moment.

Bien que ces trois spécifications soient indépendantes, les systèmes USB prenant en charge HDMI doivent être conformes aux spécifications de type c et USB PD. En outre, chaque broche remappée doit pouvoir prendre en charge le taux de transfert de données de son protocole HDMI 1.4 correspondant.

Taux de transfert de données HDMI 1.4

HDMI 1.4 possède six canaux de données fonctionnant à quatre débits différents:

Ethernet Ethernet et canal de retour audio (HEAC): canal de communication de données bidirectionnel à grande vitesse prenant en charge Ethernet 100base-tx (100Mbps). HEAC inclut des composants audio en flux continu conformes à la norme IEC 60958-1.

TMDS (minimiser le signal différentiel de transmission): trois canaux différentiels pour la transmission vidéo et de données à haute vitesse. HDMI 1.4 offre un débit de données maximal de 10,2 Gbps ou de 3,4 Gbps par canal.

DDC (display data channel): canal de communication basé sur le protocole I2C, standard du secteur, avec un débit standard de 100 Kbps, qui permet au périphérique source d’identifier le format audio / vidéo pris en charge.

CEC (Consumer Electronic Control): canal de données à faible vitesse, permettant aux utilisateurs de contrôler jusqu'à 15 appareils compatibles. Ce canal de données est conforme à la spécification CENELEC EN 50157-1.

Cartographie des broches HDMI

La figure 2 illustre l'interface HDMI type-a standard. La figure 3 illustre la nouvelle définition de broche d'interface USB type-c prenant en charge le mode veille HDMI. Il mappe trois paires de broches TMDS et leurs signaux d'horloge sur huit broches USB TX / RX, deux broches SBU connectées au canal HEAC et des broches CC utilisées pour transmettre des signaux CEC à faible vitesse. Notez également que la paire de broches D + / D n'est pas affectée par cette conversion. Par conséquent, les canaux de données USB 2.0 peuvent coexister pacifiquement avec HDMI.

Figure 2: Le type HDMI a a 19 broches, dont trois canaux de données haute vitesse pour paires torsadées blindées (source: How Stuff Works.COM)

Figure 3: mappage des broches en mode HDMI dans une interface en mode alterné USB de type c (source: HDMI.org)


Initialiser le mode veille HDMI

 

La spécification USB PD définit la séquence des opérations requises pour passer en mode veille. Lorsque l'utilisateur connecte un câble de type c actif entre deux ports USB PD, une série de négociations est effectuée sur le canal CC (figure 4) pour déterminer si le mode USB ou le mode veille, la norme de mode veille à appliquer et un ensemble spécifique des messages de définition de fournisseur (VDM) pour déterminer la norme à utiliser.

when a USB PD port first recognizes the existence of another USB PD port, negotiations are conducted to determine which transmission protocol and data format to use

Figure 4: lorsqu'un port USB PD reconnaît pour la première fois l'existence d'un autre port USB PD, des négociations sont en cours pour déterminer le protocole de transmission et le format de données à utiliser (source: Texas Instruments).


D'autres fonctionnalités USB PD, telles que la détermination du niveau de puissance requis et la direction de la transmission de l'énergie, ont également été abordées dans le processus de négociation, mais elles n'étaient pas nécessaires pour les opérations HDMI. Une fois que la séquence d'initialisation a déterminé que le protocole HDMI est requis, les deux ports seront reconfigurés au besoin en mode veille HDMI.

 

Architecture en mode alterné HDMI

 

Quels composants matériels devez-vous ajouter pour prendre en charge HDMI avec l'interface USB type-c? La figure 5 montre le schéma de structure de l'interface USB PD et indique les composants nécessaires pour le mode alterné. Notez que même si l'application ne spécifie pas le niveau de puissance de l'interface USB PD, l'activation du mode veille nécessite une négociation avec le circuit CC et doit par conséquent inclure les fonctions USB PD PHY et PD Manager:

 

Le dispositif de couche physique en mode veille (PHY) reçoit les informations vidéo de l'unité de traitement graphique (GPU) haut de gamme et les code pour les transmettre sur trois lignes de données différentielles TMDS.

 

Le multiplexeur en mode alternatif (MUX) prend en charge le basculement entre le mode alternatif HDMI et USB. Pour les applications HDMI, il transmet les signaux HDMI à la broche d'interface de type c correspondante. Pour les applications USB 3.1, il se connecte aux signaux RX / TX et commute en fonction du sens de transmission des données.

two additional modules are required to implement the standby mode through the USB type-c interface, as shown in green

Figure 5: deux modules supplémentaires sont nécessaires pour implémenter le mode veille via l'interface USB de type c, comme indiqué en vert (source: Texas Instruments)


Méthode d'implémentation réelle

La spécification du mode alterné HDMI est nouvelle, de sorte que les jeux de puces conçus spécifiquement pour ces applications sont encore en développement. Toutefois, le composant du mode de sauvegarde DisplayPort est déjà disponible et peut être utilisé avec des convertisseurs HDMI. La figure 6 montre un schéma fonctionnel du port USB de type-c qui prend en charge USB, le mode veille HDMI et la spécification USB PD complète.

Figure 6

Figure 6: Schéma fonctionnel du port USB type-c / HDMI

La conception comprend les deux composants de base suivants:

 

Le premier est le contrôleur TPS65982 indépendant de type USB et PD de Texas Instruments, utilisé pour effectuer les tâches suivantes:

 

Vérifiez l'état d'insertion et le sens de branchement du câble USB de type c

Négociez les caractéristiques de l'alimentation et transmettez les informations à l'unité à microcontrôleur via le protocole I2C pour déterminer le mode de fonctionnement à utiliser

Configurez les paramètres du mode alternatif du multiplexeur pour transmettre les signaux USB ou HDMI au périphérique cible approprié

Pendant le fonctionnement, le TPS65982 gère et contrôle également le chemin d'alimentation USB

 

Le second est le HD3SS460 de Texas Instruments, qui est un commutateur multiplexeur / démultiplexeur passif bidirectionnel haut débit à 4 canaux x 6 qui peut être commuté entre les modes alternatif et USB tout en prenant en charge l’interface transférée.

 

De plus, il existe un convertisseur vidéo permettant de convertir les signaux DisplayPort au format HDMI.


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