HDMI ——CEC 协议详解以及待机唤醒 实现
本文讲解的是基于HDMI CEC的待机唤醒方案的设计。
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cec基本介绍
如今常见的高清视频接口有HDMI,VGA,DP和DVI。HDMI（High-Definition Multimedia Interface）为当今主流的多媒体高速数字接口，下图为最常见的线缆引脚分布图。其中，CEC（Consumer Electronics Control）信号通过13引脚传输，作为HDMI接口的一部分。CEC总线作为控制信号被分离出来，使得在不增加数据占用宽带的情况下完成高速复杂的通信要求。
CEC 是一套完整的单总线协议，电子设备可以借助CEC信号让使用可控制HDMI接口上所连接的装置，比如单独播放，系统待机，可以实现由单一遥控器控制所有HDMI连接的装置。最多15个设备，允许HDMI设备在没有用户干扰情况下互相命令控制。
CEC 是与其他HDMI信号分开的电信号。这允许设备在睡眠模式下禁止其高速电路，但是可以被CEC唤醒。他是一个单独的共享总线，直接连接在设备上的所有HDMI端口间，可以流过所有完全断电的设备。
总线是开路集电极线，有点像IIC，被动上拉至3.3V，设备拉低进行数据传输。
与IIC相似之处：低速串行总线；采用无源上拉的集电极开路；速度受分布电容影响；接收器可以将发送的1位转换为0：发送1比特并观察是否转换为0以查看是否丢失；面向字节都附加一个应答位；特殊的启动信息
与IIC不同之处：单线并不是两根线；以固定时序发送比特；低速串行总线（417bit/s）；四个地址位；定义了动态地址分配协议；标头包括发起者和收件人地址；没有特殊停止信号，每个字节附加一个消息结束标志；没有读操作，通过获取请求获取响应帧，所有数据均从数据发送；每个设备都必须能够作为主设备传输数据；地址后字节数据有详细规定说明。
CEC协议时序：
bit Timing
每个位从线拉低（下降沿）开始，保持时间表示位值，之后拉高，直至后续位开始
正常数据位长为2.40.35ms。保持低电平0.6±0.2ms为逻辑1；保持低电平1.5±0.2ms表示逻辑0。接收器在下降沿后1.05±0.2ms对线路进行采样，然后在下降沿1.9±0.15ms开始观察下一位。
接收者可以将传输的传输的1bt转换为0通过在下降沿后0.35s拉低总线并保持直到表示逻辑0的电平时间。这个通常用于确认传输。
每个帧都有起始位，通过拉低总线3.7±0.2ms,然后允许上升，总持续时间为4.5±0.2ms。在观察总线空闲之后，任何设备都可以发送起始位。（通常5位时间，但成功后立即传输7位时间，以促进总线的公平共享，以及传输失败和重传之间的3位时间。)
对于单接收消息，应答位类似于C:以1位发送，接收器将其下拉至0以确认该位字节。（根据下面给出的波形可以看出，ack位的波形为逻辑1，但是为什么逻辑分析仪解析的值为0呢？是因为接收器将其下拉至0 以确认该位字节）
对于广播消息，应答位被反转：仍然作为1位发送，但被拒绝该字节的任何接收器下拉到0位。每个CEC帧的第一个字节包含4位源和目标地址头。如果寻址目标存在，则它确认该字节。由除标题之外的任何内容组成的帧是pig,它只检查另个设备的存在。
地址15（1111B)用于广播地址（作为目的地）和未注册的设备（作为源），它们尚未选择不同的地址。一些设备不需要接收非广播的消息，因此可以永久使用地址15。需要接收寻址消息的设备需要自己的地址。设备通过pig它获取地址，如果ping未被确认，则设备声明它。如果确认ping,则设备尝试另个地址。
第二个字节是操作码，它指定要执行的操作，以及后续数据字节的数量及含义。
CEC数据帧
cec帧结构 = 起始位+引导块+数据块
Start（bit）+ Header Block + Data Block 1(opcode block) + Data Block 2 (operand blocks)
注：
Block定义：Data(8 bit) + EOM(1 bit) + ACK(1 bit)
Header Block定义：Initiator(4 bit) + Destination(4 bit) + EOM(1 bit) + ACK(1 bit)
所有的引导块和数据块都是10bit。
块结构：
帧结构：
逻辑分析仪采集解析的一条完整的cec消息：
cec待机唤醒介绍
当一个CEC设备连接到CEC网络中时，其会通过ping的方式获取到自身的逻辑地址。各个设备类型的逻辑地址如下所示，其中总共有16个逻辑地址，而有些设备具有多个逻辑地址，如录音设备就有1、2、9三个不同的逻辑地址。
待机唤醒的场景如下：
其中，playback device 可以是碟机等设备，当TV处于待机状态时，用户可以使用碟机的遥控器或者开机键唤醒碟机后，碟机会发送或消息来唤醒TV，当source需要将输出显示在TV上时，source必须同时发送和消息。其中，消息的操作码为0x04，,的操作码为0x82。
待机唤醒的处理流程和实现
这里只配置接收端，在接收到cec开机信号后唤醒即可，所以下面对接受流程进行说明：
cec初始化配置：
本次基于极海APM32F107RC 芯片，接收CEC信号的GPIO口为：PB0
使用外部中断 和 定时器（TMR4）外设计数的方法 实现CEC信号的接收采集
所以初始化配置需要使能GPIO口，配置定时器和外部中断
void apm_eint0_rising_config(void) //配置外部中断为上升沿触发
{
EINT_Config_T EINT_InitStructure2; //上升沿触发结构体
EINT_InitStructure2.line = EINT_LINE_0;
EINT_InitStructure2.mode = EINT_MODE_INTERRUPT;
EINT_InitStructure2.trigger = EINT_TRIGGER_RISING;
EINT_InitStructure2.lineCmd = ENABLE;
EINT_Config(&EINT_InitStructure2);
}
void apm_eint0_falling_config(void)//配置外部中断为下降沿触发
{
EINT_Config_T EINT_InitStructure1; //下降沿触发结构体
EINT_InitStructure1.line = EINT_LINE_0;
EINT_InitStructure1.mode = EINT_MODE_INTERRUPT;
EINT_InitStructure1.trigger = EINT_TRIGGER_FALLING;
EINT_InitStructure1.lineCmd = ENABLE;
EINT_Config(&EINT_InitStructure1);
}
//cec 初始化
void apm_cec_init(void)
{
GPIO_Config_T gpioConfig;
TMR_BaseConfig_T baseConfig;
//使能时钟
RCM_EnableAPB1PeriphClock(RCM_APB1_PERIPH_TMR4);
RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOB);
//初始化GPIO_PB0,浮空输入
gpioConfig.pin = GPIO_PIN_0;
gpioConfig.mode = GPIO_MODE_IN_FLOATING;
gpioConfig.speed = GPIO_SPEED_50MHz;
GPIO_Config(GPIOB, &gpioConfig);
GPIO_ConfigEINTLine(GPIO_PORT_SOURCE_B,GPIO_PIN_SOURCE_0);//设置IO口与中断的映射关系
EINT_ClearStatusFlag(EINT_LINE_0);
apm_eint0_falling_config();//外部中断初始为下降沿触发
NVIC_EnableIRQRequest(EINT0_IRQn, 2, 1);
//初始化定时器
baseConfig.period = 65000;//设定计数器自动重装值,65ms更新
baseConfig.division = 71;//预分频器,1M的计数频率,1us加1
baseConfig.clockDivision = TMR_CLOCK_DIV_1;//设置时钟分割
baseConfig.countMode = TMR_COUNTER_MODE_UP;//TIM向上计数模式
TMR_ConfigTimeBase(TMR4,&baseConfig);
TMR_ClearIntFlag(TMR4,TMR_INT_UPDATE);
TMR_EnableInterrupt(TMR4,TMR_INT_UPDATE);//允许更新中断
//使能中断分组及优先级
NVIC_EnableIRQRequest(TMR4_IRQn,2,2);
TMR_Enable(TMR4);//使能定时器3
}cec信号接收处理：
当触发外部中断并且设备处于待机状态时，根据cec波形以及时序要求解析CEC信号，通过判断opcode数据位的值 从而判断是否唤醒。
//接收一个cec 帧
void apm_cec_receive_frame(void)
{
if(EINT_ReadIntFlag(EINT_LINE_0)) //外部中断
{
if(apm_get_power_status() == POWER_OFF_STATUS) //当前状态不是开机
{
if(CEC_State == CEC_STATE_IDLE)
{
//如果波形状态为空闲，开启定时器3计数
TMR_ConfigCounter(TMR4,0);
TMR_Enable(TMR4);
cec_previous_time = TMR_ReadCounter(TMR4);
//SKG_INFO("cec_previous_time: %d\r\n",cec_previous_time);
apm_eint0_rising_config(); //上升沿触发
updatecnt = 0;
CEC_State = CEC_STATE_START; //波形为起始码接收状态
}
else
{
cec_current_time = TMR_ReadCounter(TMR4); //读取当前捕获值
//SKG_INFO("cec_current_time: %d\r\n",cec_current_time);
if(updatecnt == 0)
{
//计算当前时间 //时间间隔=当前时间-前一时间
cec_interval_time = abs(cec_current_time - cec_previous_time);
}
else
{
cec_interval_time = abs(0x186A0 * updatecnt - cec_previous_time);
cec_interval_time += cec_current_time;
}
cec_previous_time = cec_current_time;//将当前时间设置为前一个时间
updatecnt = 0; //计数器的范围返回0状态
//SKG_INFO("cec_interval_time: %d\r\n",cec_interval_time);
if(CEC_State == CEC_STATE_START)
{
//低电平时间在3.5ms —— 3.9ms之间
if((cec_interval_time > 3500) && (cec_interval_time < 3900))
{
CEC_State = CEC_STATE_STARTEND; //起始结束接收状态
}
else
{
//SKG_INFO("debug 0 cec_interval_time: %d\r\n",cec_interval_time);
CEC_State = CEC_STATE_IDLE;
}
apm_eint0_falling_config(); //下降沿触发
}
else if(CEC_State == CEC_STATE_STARTEND)
{
//起始结束的低电平区间4ms --- 1.2ms
if((cec_interval_time > 300) && (cec_interval_time < 1300))
{
cec_byte = 0;
CEC_State = CEC_STATE_HEADERLOW; //header block 数据位的低电平
apm_eint0_rising_config(); //上升沿触发
}
else
{
//SKG_INFO("debug 1 cec_interval_time:%d\r\n",cec_interval_time);
//SKG_INFO("AAAAAAAAAAAAAAAAAA\r\n");
CEC_State = CEC_STATE_IDLE;
apm_eint0_falling_config(); //如果波形采集异常，中断回到初始状态下降沿触发
}
}
else if(CEC_State == CEC_STATE_HEADERLOW)
{
//逻辑1 低电平300-900
if((cec_interval_time > 300) && (cec_interval_time < 900))
{
headerdata <<= 1;
headerdata |= 1;
cec_byte++;
CEC_State = CEC_STATE_HEADERHIGH; //header block 数据位高电平
}
//逻辑0 低电平1200-1800
else if((cec_interval_time > 1200) && (cec_interval_time < 1800))
{
headerdata <<= 1;
cec_byte++;
CEC_State = CEC_STATE_HEADERHIGH;
}
else
{
CEC_State = CEC_STATE_IDLE;
//SKG_INFO("debug 2 cec_interval_time:%d\r\n",cec_interval_time);
}
apm_eint0_falling_config();//下降沿触发
}
else if(CEC_State == CEC_STATE_HEADERHIGH)
{
//如果上一次低电平的时间+当前高电平的时间在2.05ms-2.75ms，说明data bit传输正确
if(2050 < (cec_pre_interval_time + cec_interval_time) < 2750)
{
CEC_State = CEC_STATE_HEADERLOW;
}
else
{
//SKG_INFO("debug 3 cec_interval_time:%d\r\n",cec_interval_time);
CEC_State = CEC_STATE_IDLE;
}
if(cec_byte == 10) //header block 字节接收完成
{
//head_src = headerdata >> 6;
head_src = headerdata >> 2;
//head_src = headerdata;
headerdata = 0;
CEC_State = CEC_STATE_CODELOW; //data block 数据位低电平接收
}
apm_eint0_rising_config(); //上升沿触发
}
else if(CEC_State == CEC_STATE_CODELOW)
{
//逻辑1 低电平300-900
if((cec_interval_time > 300) && (cec_interval_time < 900))
{
codedata <<= 1;
codedata |= 1;
cec_byte++;
CEC_State = CEC_STATE_CODEHIGH; //data block 数据位高电平
}
//逻辑0 低电平1200-1800
else if((cec_interval_time > 1200) && (cec_interval_time < 1800))
{
codedata <<= 1;
cec_byte++;
CEC_State = CEC_STATE_CODEHIGH;
}
else
{
//SKG_INFO("debug 4 cec_interval_time:%d\r\n",cec_interval_time);
CEC_State = CEC_STATE_IDLE;
}
apm_eint0_falling_config();//下降沿触发
}
else if(CEC_State == CEC_STATE_CODEHIGH)
{
//如果上一次低电平的时间+当前高电平的时间在2.05ms-2.75ms，说明data bit传输正确
if(2050 < (cec_pre_interval_time + cec_interval_time) < 2750)
{
CEC_State = CEC_STATE_CODELOW;
}
else
{
//SKG_INFO("debug 5 cec_interval_time:%d\r\n",cec_interval_time);
CEC_State = CEC_STATE_IDLE;
}
if(cec_byte == 18)
{
opcode = codedata;
codedata = 0;
CEC_State = CEC_STATE_IDLE;
}
apm_eint0_rising_config(); //上升沿触发
}
}
cec_pre_interval_time = cec_interval_time;
}
}
}
波形的处理流程是 使用状态标志位 的变化来表示接收的字节
typedef enum
{
CEC_STATE_IDLE=0, //0 初始为空闲
CEC_STATE_START, //1 起始位
CEC_STATE_STARTEND, //2 起始位结束
CEC_STATE_HEADERLOW, //3 head block 数据位低电平
CEC_STATE_HEADERHIGH, //4 head block 数据位高电平
CEC_STATE_CODELOW, //5 data block 数据位低电平
CEC_STATE_CODEHIGH, //6 data block 数据位高电平
}CEC_State_enum;处理过程中没有单独解析ack和eom，字节只接收两个，一个header 10位数据，一个opcode 8位数据。
波形处理流程：
第一次进入中断为空闲，开启定时器计数并读取当前计数值，状态改为起始位接收，中断改为上升沿触发
第二次进入中断读取定时器的值，减去前一次计数器的值，就是起始位低电平维持的时间，判断时间是否为在协议范围，把触发改为下降沿，如果在范围内将状态改为起始位结束状态
第三次进入中断 依然是计算出时间的差值，判断高电平维持的时间范围，在范围内则起始位接收完成，将状态改为接收header clock，把中断改为上升沿触发
第四次进入中断 由于上一次是下降沿触发，所以时间的差值就是低电平的持续时间，判断时间的范围得到逻辑0或逻辑1，逻辑1 headerdata
数据处理后将状态改为HEADERHIGH ，中断改为下降沿触发
下一次进入中断 时间的差值就是高电平的持续时间，进入HEADERHIGH 条件判断，当前的时间差值+上一次的时间差值就是数据传输的总时间，判断总时间是否在范围，在范围将状态改为HEADERLOW，中断改为上升沿触发，接收处理下一位数据，接收的数据位达到10位，将状态改为接收data clock。Data的接收处理和header相同。接收的数据位达到18位就将数据保存，状态改为空闲。
void apm_cec_ctrl_handle(void)
{
if(opcode == CEC_VIEW_ON || opcode == ACTIVE_SOURSE)
{
if(apm_get_power_status() == POWER_OFF_STATUS)
{
power_on();
}
}
}在实际调试过程中可以根据需求和现象，调整电平时间判断范围，加入EOM位的判断作为数据传输结束的标志，加大数据的接收范围等。