TWM592993U - 具有解析度切換的ｕｓｂ集線器 - Google Patents

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陳盟欽
王博生
黃沛峰
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三泰科技股份有限公司
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Abstract

一種具有解析度切換的USB集線器，應用於不需重新插拔USB集線器亦可實現解析度切換。本新型的具有解析度切換的USB集線器包括：第一通訊接口、第二通訊接口、視訊輸出接口、切換單元、電力輸入單元、存儲單元與控制單元。第一通訊接口連接於主機端並傳輸目標影片與資料訊號；第二通訊接口連接於周邊裝置，第二通訊接口用於傳輸資料訊號；電力輸入單元電性連接於第一通訊接口或外部的變壓器；存儲單元用於記錄當前狀態；若無外部電力，控制單元切換至第一狀態並記錄為當前狀態；若存在外部電力，控制單元由第一狀態切換為第二狀態、或控制單元由第二狀態切換為第一狀態，控制單元更新當前狀態。

Description

具有解析度切換的USB集線器
一種USB集線器，特別有關一種具有解析度切換的USB集線器。
隨著積體電路的快速發展，使得大量資料傳輸的需求也日益增加。特別是通用序列匯流排(Universal Serial Bus，簡稱USB)的相關設備帶動資料儲存、傳輸與轉接的各種需求。現行的USB3.0 gen1與gen2設備的傳輸頻寬可達5Gbit/s與10Gbit/s。
在高速的傳輸速率下，USB3.0除了可以實現資料的快速傳輸的目的外，更可以完成異質訊號的傳輸。異質訊號指的是透過USB的架構但傳輸相異協議的訊號。舉例來說，USB集線器(hub)上除了具有USB連接口外，也可以設置網路接口、音訊接口或視訊接口。在高速的USB3.0系列下，視訊接口可以傳輸高流量的影音檔案，特別是超高解析度的影片檔案(或遊戲畫面)，例如：4K影片或8K影片。而且超高解析影片的顯示頻率更分為30Hz、60Hz或更高頻率。
傳統技術的USB集線器在傳輸資料或4K影片時會共用所有的頻寬，使得傳輸的過程中資料與影片兩者的傳輸速率會受影響。如果是4K、60Hz高解析影片傳輸時更是會使用掉所有的頻寬，造成所有設備的傳輸效能低落。
對於習知技術的USB集線器如果要變換傳輸速度，使用者只能重新插拔USB集線器，使得主機端重新分配傳輸通道的數量。但對於使用者而言，使用者無法直接從插拔後的USB集線器中直接觀察到傳輸通道的分配。此外，也有廠商提出可以自動切換裝置及自動切換方法的前案(TW I615719)。由於先前技術的自動切換的依據是由主機端根據傳輸通道 的數量所決定。使用者也無法從USB集線器與周邊裝置的外觀可以直覺的查知傳輸速度的分配狀況，特別是4K影片是以30Hz或60Hz播放的情況。
本新型提出一種具有解析度切換的USB集線器，用於切換高速資料傳輸與高解析度影片的傳輸速度。
本新型的具有解析度切換的USB集線器包括：第一通訊接口、第二通訊接口、視訊輸出接口、切換單元、電力輸入單元、存儲單元與控制單元。第一通訊接口連接於主機端並傳輸目標影片與資料訊號，第一通訊接口具有第一傳輸通道、第二傳輸通道與第三傳輸通道；第二通訊接口連接於周邊裝置，第二通訊接口用於傳輸資料訊號，第二通訊接口具有第四傳輸通道與第五傳輸通道；視訊輸出接口用於輸出目標影片至顯示器，視訊輸出接口具有第六傳輸通道與第七傳輸通道；切換單元用於產生切換命令；電力輸入單元電性連接於第一通訊接口，電力輸入單元用於接收外部電力；存儲單元用於記錄當前狀態，當前狀態包括第一狀態或第二狀態；控制單元電性連接於第一通訊接口、第二通訊接口、視訊輸出接口、切換單元、電力輸入單元與存儲單元，控制單元於接獲切換命令時決定第一傳輸通道對第四傳輸通道、或第一傳輸通道對第六傳輸通道的連接；控制單元於接獲切換命令時，控制單元判斷有無輸入外部電力，若無外部電力，控制單元切換至第一狀態並將第一狀態記錄為當前狀態；若存在外部電力，控制單元由第一狀態切換為第二狀態，或控制單元由第二狀態切換為第一狀態，控制單元更新當前狀態。
本新型提出具有解析度切換的USB集線器應用於高速的資料與高解析度的影片傳輸，使用者可以透過切換單元選擇相對應的傳輸速度與影片播放的解析度。藉由本新型的USB集線器另外可以實現不需重新插拔USB集線器就可以變換傳輸速度與影片的解析度。
有關本新型的特徵與實作，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。
【0031】
100:USB集線器
110:第一通訊接口
120:第二通訊接口
130:視訊輸出接口
140:切換單元
150:警示單元
160:電力輸入單元
170:存儲單元
180:控制單元
191:第一傳輸通道
192:第二傳輸通道
193:第三傳輸通道
194:第四傳輸通道
195:第五傳輸通道
196:第六傳輸通道
197:第七傳輸通道
210:主機端
220:周邊裝置
230:顯示器
310:資料訊號
320:目標影片
330:外部電力
第1圖係為本新型的系統架構示意圖。
第2A圖係為本新型的各傳輸通道示意圖。
第2B圖係為本新型的第一狀態與各傳輸通道的連接示意圖。
第2C圖係為本新型的第二狀態與各傳輸通道的連接示意圖。
第3A圖係為本新型的運作流程示意圖。
第3B圖係為本新型的狀態切換示意圖。
請參考第1圖所示，其係為本新型的USB集線器100的架構示意圖。本新型的具有解析度切換的USB集線器100包括：第一通訊接口110、第二通訊接口120、視訊輸出接口130、切換單140元、警示單元150、電力輸入單元160、存儲單元170與控制單元180。控制單元180電性連接於第一通訊接口110、第二通訊接口120、視訊輸出接口130、切換單140元、警示單元150、電力輸入單元160與存儲單元170。
第一通訊接口110電性連接於主機端210(host)，第二通訊接口120可選擇性的連接周邊裝置220。主機端210除了傳輸資料訊號310至周邊裝置220外，也可以傳輸目標影片320至顯示器230。在本新型中為區別資料與影片的不同，係將資料與影片區分為兩類訊號，分別為資料訊號與目標影片。第一通訊接口110與第二通訊接口120係為第三代通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB3.X)的系列接口。前述接口型態的種類可以是USB A型、B型或C型接頭。視訊輸出接口130電性連接顯示器230。視訊輸出接口130的種類可以是高畫質多媒體介面(High Definition Multimedia Interface，HDMI)、DisplayPort(簡稱DP)接頭或USB的C型型態接頭(USB Type-C)。
本新型將所述的傳輸狀態分別定義為第一狀態與第二狀態。每一種的運作狀態分別對應不同的傳輸通道的配置方式，以使第一通訊接口110與第二通訊接口120可以得到不同的傳輸通道的組合。在本新型中主機端210的資料傳輸速率是取決於USB對DP傳輸協議。現行的DP協議分為1.2版與1.4版。USB協議種類分別為USB2.0與USB3.X。在所述的各種USB協議中需要配合不同的傳輸通道的組合，將於後文詳述。
新型的USB集線器100可以在不同的傳輸狀態下提供相應的資料傳輸速率與各種解析度影片的幀率(Frame per Second，FPS)。前述的幀率還可以以赫茲(Hz)作為表示。以下為能方便表示影片解析度與幀率，因此將以前綴詞「XX解析度」影片加上後綴詞「(XX Hz)」作為區分。特別需要說明的是後綴詞除了代表是影片幀率外，也同時表示目標影片320的流量界限。
目標影片320的解析度與幀率在本新型中分別定義為高流量影片與中等流量影片。而高流量影片與中等流量影片的區分是根據DP協議與USB協議所決定。以USB3.1Gen2與DP1.4協議為例，高流量影片可以包含4K影片(60Hz)與8K影片(30Hz)，中等流量影片可含括4K影片(30Hz)、1080p影片或720p影片。在前文中大於後綴幀率的影片也將會被視為高流量影片。舉例來說，4K影片(120Hz)的後綴幀率大於4K影片(60Hz)，因此也歸於高流量影片之中。
反之，小於後綴幀率的影片則會被視為中等流量影片的範疇之中。若是USB3.1Gen2與DP1.2協議的環境下，則高流量影片則為4K影片(30Hz)，中等流量影片可以是1080p(60Hz)影片或720p影片。所述的4K影片係為3840×2160或4096×2160像素影片、串流影片或遊戲畫面。8K影片係為7680*4320像素影片、串流影片或遊戲畫面
在本新型中，第一通訊接口110與第二通訊接口120各自具有傳輸通道，而且對應第一狀態與第二狀態下各傳輸通道也有各自的連接方式。為清楚說明各通訊接口的傳輸通道，因此對第一通訊接口110與第二通訊接口120的傳輸通道分別定義如下。第一通訊接口110具有第一傳輸通道191、第二傳輸通道192與第三傳輸通道193。第二通訊接口120具有第四傳輸通道194與第五傳輸通道195。視訊輸出接口130具有第六傳輸通道196與第七傳輸通道197，如第2A圖所示。在第2A圖中黑色實線的雙向箭頭為傳輸通道，黑色虛線框為被傳送的檔案，例如：目標影片320或資料訊號310。其中，第一傳輸通道191、第二傳輸通道192、第四傳輸通道194、第六傳輸通道196與第七傳輸通道197由TX±與RX±的差動訊號線所構成。第三傳輸通道193與第五傳輸通道195由USB2.0的D+ 與D-訊號線所構成。
在本新型中，第一傳輸通道191對第四傳輸通道194與第六傳輸通道196的連通係由切換單元140與控制單元180所控制。換言之，第一傳輸通道191連接第四傳輸通道194或第一傳輸通道191連接至第六傳輸通道196是由控制單元180根據當前的運作狀態所決定。使用者可以觸發切換單元140，藉以驅動控制單元180切換傳輸的路徑。
當USB集線器100處於第一狀態時，控制單元180將會斷開第一傳輸通道191與第六傳輸通道196的連接。第一傳輸通道191連通第四傳輸通道194，第三傳輸通道193連通於第五傳輸通道195，如第2B圖所示。當USB集線器100處於第二狀態時，控制單元180將會連接第一傳輸通道191與第六傳輸通道196。第二傳輸通道192連通第七傳輸通道197，第三傳輸通道193連通於第五傳輸通道195，如第2C圖所示。在第2B圖與第2C圖中係以黑色粗線表示有連通的傳輸通道。
存儲單元170用於記錄USB集線器100的當前狀態。存儲單元170可以是可編程唯寫記憶體(Programmable read-only memory)或快閃記憶體(Flash memory)等。在本新型中當前狀態係為第一狀態或第二狀態之任一。切換單140元電性連接於控制單元180。切換單140元觸發時會產生切換命令，切換命令使控制單元180除了改變當前狀態的內容並調整傳輸通道的連接方式。
控制單元180除了切換各傳輸通道的連接外，也同時會將切換命令轉發至主機端210，以令主機端210主動變更目標影片320的解析度與影格率(或稱赫茲)。切換單140元可以是外設按鈕或指撥開關。第一狀態係為主機端210輸出中等流量影片與USB3.X系列的傳輸架構。第二狀態係為主機端210輸出高流量影片與USB2.0的傳輸架構。
使用者觸發切換單元140時，控制單元180會根據電力輸入單元160的輸入電力用於決定當前狀態的內容。外部電力330除了可以是變壓器供電外，也可以由主機端210所提供。若是主機端210所提供，則外部電力330是基於通用序列匯流排的電力供應(USB Power Delivery)協定。
當控制單元180切換當前狀態時，控制單元180也會連動警示單元150，藉以提示使用者USB集線器100的當前狀態。警示單元150可以是LED發光元件或液晶顯示屏幕。舉例來說，當控制單元180以第一狀態為當前狀態時，警示單元150可以是紅色LED發光。當控制單元180以第二狀態為當前狀態時，警示單元150可以是藍色LED發光。當然在其他的應用環境中警示單元150也可以利用不同顏色光表示各自的狀態。
為進一步說明本新型的USB集線器100的運作狀態的切換，請配合第3A圖與第3B圖，其係為本新型的運作流程示意圖與狀態切換示意圖。本新型的USB集線器100之解析度切換的處理方法包括以下步驟：
步驟S410：將USB集線器連接至主機端與顯示器；
步驟S420：確認顯示器有無EDID；
步驟S421：若顯示器無EDID，則USB集線器將當前狀態設定為第一狀態；
步驟S430：若顯示器有EDID，初始化USB集線器；
步驟S440：USB集線器載入當前狀態；
步驟S450：接收切換命令後，確認USB集線器有無外部電力供應；
步驟S461：若當前狀態為第一狀態且有外部電力供應，USB集線器將當前狀態設定為第二狀態；
步驟S462：若當前狀態為第二狀態且有外部電力供應，USB集線器將當前狀態設定為第一狀態；以及
步驟S463：若無外部電力供應，USB集線器進行步驟S440的初始化。
首先，將USB集線器100分別連接至主機端210與顯示器230。於此同時，USB集線器100可以選擇性的連接周邊裝置220。當USB集線器100連接主機端210時，控制單元180進入初始化的上電階段(power up)，如第3B圖中的初始化的區塊。在初始上電時，USB集線器100僅獲取主機端210的電力。控制單元180會從存儲單元170中取得當前狀態。控制單元180向主機端210發送當前狀態，以使主機端210根據當前狀態選擇對應的目標影片320格式。
接著，控制單元180會向顯示器230要求取得延伸顯示能 力識別資訊(Extended display identification data，簡稱EDID)，藉以辨識顯示器230是否支援4K影像(或8K影像)的播放。若顯示器230無EDID，則控制單元180會直接以第一狀態作為當前狀態。換言之，視訊輸出接口130會傳輸中等流量影片的目標影片320至顯示器230，而第二通訊接口120則是以USB3.0的速度傳輸資料至周邊裝置220。
若顯示器230具有EDID時，控制單元180將會讀取存儲單元170中的當前狀態並以當前狀態傳輸資料與影片。若是當前狀態為第一狀態，控制單元180透過第一通訊接口110向主機端210發送當前狀態(意為第一狀態)，以使主機端210發送中等流量影片的目標影片320至視訊輸出接口130。同理，若是當前狀態為第二狀態時，則控制單元180會向主機端210發送當前狀態，以使主機端210傳輸相符高流量影片的目標影片320。而第二通訊接口120則是以USB2.0的傳輸速度。
接著，當使用者觸發切換單140元時，則控制單元180與主機端210會接獲切換命令。假設當前狀態為第一狀態時，控制單元180接獲切換命令後會隨即判斷電力輸入單元160有無外部電力330的輸入。若是電力輸入單元160接收外部電力330，則控制單元180將第一狀態切換為第二狀態，並且將第二狀態設定為當前狀態。控制單元180也會將當前狀態發送給主機端210。於此同時，第二傳輸通道192與第五傳輸通道195係為斷路，使得第二通訊接口120僅能以USB2.0的速度傳輸資料，藉以確保目標影片320播放時的頻寬。主機端210將會發送高流量影片的目標影片320至視訊輸出接口130。若是電力輸入單元160無外部電力330輸入，則控制單元180會進行步驟S430的初始上電的處理。控制單元180根據新的當前狀態(係為第二狀態)，用於播放目標影像320。
同理，若當前狀態為第二狀態時，使用者觸發切換單140元時，控制單元180會將第二狀態切換為第一狀態。控制單元180將第一狀態定義為新的當前狀態。控制單元180在判斷有無外部電力330的輸入。若無外部電力330輸入，則控制單元180會進行步驟S430的初始上電的處理。反之，則控制單元180會變更第二傳通道與第五傳輸通道195的連接，控制單元180也會將新的當前狀態發送至主機端210。
本新型的具有解析度切換的USB集線器100與其處理方法應用於高速的資料與高解析度的影片傳輸，使用者可以透過切換單140元選擇相對應的傳輸速度與影片播放的解析度。藉由本新型的USB集線器100另外可以實現不需重新插拔USB集線器100就可以變換傳輸速度與影片的解析度，使用者可以直覺的查知USB集線器100的運作狀態。
雖然本新型以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型，任何熟習相像技藝者，在不脫離本新型之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本新型之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
100:USB集線器
110:第一通訊接口
120:第二通訊接口
130:視訊輸出接口
140:切換單元
150:警示單元
160:電力輸入單元
170:存儲單元
180:控制單元
210:主機端
220:周邊裝置
230:顯示器
310:資料訊號
320:目標影片
330:外部電力

Claims (7)

  1. 一種具有解析度切換的USB集線器，其係用於切換高速資料傳輸與高解析度影片的傳輸，該具有解析度切換的USB集線器包括：
    一第一通訊接口，連接於一主機端並傳輸一目標影片與一資料訊號，該第一通訊接口具有一第一傳輸通道、一第二傳輸通道與一第三傳輸通道；
    一第二通訊接口，連接於一周邊裝置，該第二通訊接口用於傳輸該資料訊號，該第二通訊接口具有一第四傳輸通道與一第五傳輸通道；
    一視訊輸出接口，用於輸出該目標影片至一顯示器，該視訊輸出接口具有一第六傳輸通道與一第七傳輸通道；
    一切換單元，用於產生一切換命令；
    一電力輸入單元，電性連接於該第一通訊接口與該第二通訊接口，該電力輸入單元用於接收一外部電力；
    一存儲單元，用於記錄一當前狀態，該當前狀態包括一第一狀態或一第二狀態；
    一控制單元，電性連接於該第一通訊接口、該第二通訊接口、該視訊輸出接口、該切換單元、該電力輸入單元與該存儲單元，該控制單元於接獲該切換命令時決定該第一傳輸通道對該第四傳輸通道、或該第一傳輸通道對該第六傳輸通道的連接；
    其中，該控制單元於接獲該切換命令時，該控制單元判斷有無輸入該外部電力；若無該外部電力，該控制單元切換至該第一狀態並將該第一狀態記錄為該當前狀態；若存在該外部電力，該控制單元由該第一狀態切換為該第二狀態，或該控制單元由該第二狀態切換為該第一狀態，該控制單元更新該當前狀態。
  2. 如請求項1所述之具有解析度切換的USB集線器，其中該第一傳輸通道、該第二傳輸通道、該第四傳輸通道、該第六傳輸通道與該第七傳輸通道由TX±與RX±的差動訊號線所構成，該第三傳輸通道與該第五傳輸通道由USB2.0的D+與D-訊號線所構成。
  3. 如請求項1所述之具有解析度切換的USB集線器，其中該第一通訊接口與該第二通訊接口的種類為第三代通用序列匯流排，該視訊輸出接 口的種類為高畫質多媒體介面(High Definition Multimedia Interface，HDMI)、DisplayPort或USB C型接頭。
  4. 如請求項1所述之具有解析度切換的USB集線器，其中在該第一狀態時，該主機端輸出一高流量影片與USB3版協議，在該第二狀態時，該主機端輸出一中等流量影片與USB2.0版協議。
  5. 如請求項4所述之具有解析度切換的USB集線器，其中該顯示器連接於該視訊輸出接口，該控制單元查驗該顯示器是否具有一延伸顯示能力識別資訊(Extended display identification data，EDID)。
  6. 如請求項5所述之具有解析度切換的USB集線器，其中若該延伸顯示能力識別資訊不存在時，該控制單元將該第一狀態設定為該運作狀態，若該延伸顯示能力識別資訊存在時，該控制單元載入該運作狀態。
  7. 如請求項1所述之具有解析度切換的USB集線器，其中該外部電力來自於該主機端，或該電力輸入單元所連接的一變壓器。
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