Hardware & Verkabelung

Stand: 30. September 2026. Die Datenblattangaben wurden anhand der verlinkten Herstellerquellen geprüft. Es liegt noch keine Messung an einem aufgebauten Gerät vor. Die Stückliste ist eine Beschaffungsvorlage für einen Prototyp; die Kombination aus Capture-Gerät, Pi, USB-Hub, Ziel-PC und Monitor wird erst mit dem Testplan freigegeben.

1. Referenzaufbau

Das Zielgerät liefert einen einzelnen, vollständig sichtbaren Desktop über HDMI. Eine Capture-Karte mit eigenem HDMI-Loop leitet das Signal direkt an den Monitor und parallel über USB an den Pi. Der Monitor zeigt nicht das vom Pi rekonstruierte Video. Der Pico hängt als USB-Gerät am Ziel-PC; zum Pi führt eine getrennte UART-Verbindung.

Ziel-PC HDMI OUT ── HDMI ── Capture INPUT
                              │
                              ├─ LOOP THRU ── HDMI ── Monitor
                              │
                              └─ USB3 ── gespeister Hub ── Pi 5 USB3
                                                           │
                                      Ethernet ── OpenAI API
                                                           │
                                          3,3-V UART, isoliert
                                                           │
Ziel-PC USB HOST ── unabhängige USB-Datentrennung ── Pico 2 USB DEVICE
                                                           │
                                        Not-Halt + lokaler ARM-Taster

Der HDMI-Loop ist ein Hardwarepfad. Magewell beschreibt ihn als Weitergabe ohne Videobearbeitung; daraus folgt keine hier gemessene Latenzgarantie. Der USB-Capturepfad und der API-Aufruf haben eigene Verzögerungen. Magewell Handbuch, Abschnitt „USB Capture HDMI 4K Plus“

2. Stückliste

Es sind keine verbindlichen Preise oder Lieferzusagen enthalten. Die EVM-Variante erfordert Elektronikarbeit. TI führt sie als Entwicklungswerkzeug, nicht als fertiges Produkt; für eine vermarktete Box ist eine eigene qualifizierte Platine erforderlich. TI EVM-Handbuch und Nutzungsbedingungen

Capture-Anforderungen und Alternativen

Beim 4K Plus sind Eingang und Loop bis 4096 × 2160 / 60 fps / 4:4:4 spezifiziert; 1920 × 1080 / 60 fps ist als Capture-Ausgabe aufgeführt. Die Ausgabe erfolgt über USB3 und Linux V4L2, einschließlich ARM. Die 4K-Capturegrenze dieses Modells liegt bei 30 fps: 4K60 Passthrough bedeutet hier nicht 4K60 Capture. Datenblatt

Die USB-Capture-Serie ist treiberfrei; Magewell dokumentiert den Linux-Treiber uvcvideo. Unter dem tatsächlich eingesetzten Raspberry Pi OS wird dies trotzdem geprüft, einschließlich des angebotenen Formats und Intervalls. Magewell UVC-Fehlerdiagnose

Unbenannte „4K USB Capture“-Dongles werden nicht anhand des Verkaufsnamens freigegeben. Die Auflösung des HDMI-Eingangs sagt nichts über Capture-Framerate, HDMI-Loop, Farbe oder Linux-UVC-Modi aus.

Strom und USB-Bandbreite

Der Pi 5 erlaubt mit erkanntem 5-A-Netzteil insgesamt 1,6 A für nachgelagerte USB-Geräte; mit anderen Netzteilen wird dies auf 600 mA begrenzt. Raspberry-Pi-Stromversorgung

Magewell nennt für das 4K Plus maximal ungefähr 1,4 A / 7 W. Direkt am Pi verbleiben rechnerisch nur etwa 200 mA für weitere USB-Geräte. Deshalb gehört der separat gespeiste Hub zur Referenzstückliste; sein hoher Gesamtverbrauch ist kein Ersatz für ausreichende Leistung am Capture-Port. Die 1,5-A-Hubangabe setzt geeignete Port-Aushandlung voraus und ist kein gemessener Beleg für diese Gerätekombination. Magewell Leistungsaufnahme

Für den ersten Fehlervergleich darf nur die Capture-Karte direkt am USB3-Port des Pi betrieben werden, mit 27-W-Netzteil und ohne USB-SSD. USB-Spannung, Kernel-Fehler und tatsächliche Framerate vergleichen; nach Prüfung zur separat gespeisten Topologie zurückkehren. Ein Hub darf den Pi nicht über sein Upstream-Kabel rückspeisen.

1920 × 1080 × 60 × 2 Byte für YUYV entsprechen rechnerisch rund 249 MB/s, RGB24 rund 373 MB/s, jeweils vor Protokolloverhead. Bei USB2 ist unkomprimiertes 1080p60 nicht möglich. Bevorzugt YUYV/YUY2 mit 60 fps als tatsächlich enumerierten UVC-Modus verwenden. Capture-Skalierung von 4K auf 1080p geschieht im Capture-Gerät. Der Hersteller empfiehlt für dieses Modell 1080p60 in RGB24 oder YUY2 und das Original-USB3-Kabel. Magewell Latenz-/Framedrop-Diagnose

3. HDMI und USB anschließen

1. Alle GPIO- und Tasterarbeiten spannungsfrei durchführen. Not-Halt drücken; ARM nicht betätigen.
2. Ziel-PC HDMI OUT → Capture INPUT.
3. Capture LOOP THRU → Monitor HDMI IN. Bei einem Laptop seinen Desktop auf diesen HDMI-Ausgang spiegeln oder dort ausschließlich anzeigen. Eine unsichtbare Laptopanzeige darf nicht zur Bedienfläche gehören.
4. Capture USB → Datenport des gespeisten USB3-Hubs. Hub-Upstream → blauer USB3-Port des Pi. Hub-Netzteil und Pi-Netzteil bleiben getrennte Versorgungskreise.
5. Ziel-PC USB → unabhängige Datentrennung → Pico Micro-USB. Nur der Pico-USB-Port hängt am Ziel-PC. Seine USB-Schnittstelle kann nicht zugleich am Pi als UART dienen.
6. Pi Ethernet → vertrauenswürdiges Netz. Normale Maus und Tastatur des Benutzers bleiben am Ziel-PC für die Übernahme.
7. Einschalten und im Zielsystem zunächst 1920 × 1080, 60 Hz, SDR, 8 Bit, einen Desktop einstellen. Danach 3840 × 2160, 60 Hz als eigener Freigabetest.

Das Pico-USB-Kabel führt sowohl Ziel-PC-VBUS als auch HID-Daten. Pi 5V, Pico VBUS und Pico VSYS nicht miteinander verbinden. Den Pi weder über Pico noch über den Ziel-PC speisen. Der Pico wird aus dem Ziel-PC-USB versorgt. Pico-2-Datenblatt, Stromversorgung

4. UART mit Schutz gegen Rückspeisung

UART: 115200 Baud, 8 Datenbits, keine Parität, 1 Stopbit, kein Hardware-Flow-Control. Firmware: UART0 auf Pico GP0/GP1. Beide Mikrocontroller verwenden 3,3-V-Logik. RS-232-Spannungspegel und 5-V-TTL-Adapter sind ungeeignet.

Empfohlene Variante: ISO6721BDR

Der Isolator erhält seine Pi-Seite aus dem Pi und seine Pico-Seite aus dem Pico. Keine Versorgungsbrücke und keine lokale GND-Brücke zwischen den Seiten legen. Damit kann eine aktive UART-TX-Leitung die ausgeschaltete Gegenseite nicht direkt über einen GPIO versorgen. HDMI-Schirme können an anderer Stelle Masseverbindungen herstellen; dies ist keine galvanische Isolation des gesamten Systems.

Je 100 nF unmittelbar zwischen ISO-Pin 1–4 und 8–5. Die Tabelle gilt ausdrücklich für ISO6721B, nicht die anders belegte R-Variante. Pin-1-Markierung beachten. TI ISO6721 Datenblatt, Pinbelegung und Versorgung, Pico-2-Pinout

Vereinfachte Dreidrahtvariante für den beaufsichtigten Tischtest

Hier ist die gemeinsame Masse erforderlich. Ohne Isolator kann Rückspeisung über die Signalpins auftreten, sobald nur eine Seite versorgt wird. Nicht als dauerhaft sichere Box einsetzen; beide Seiten müssen versorgt sein, UART-Leitungen vor Ausschalten einer Seite entfernen. Serienwiderstände ersetzen keinen Schutz für ausgeschaltete GPIOs. Ein fertiger galvanisch isolierter USB-UART-Adapter mit echten 3,3-V-Ausgängen und getrennt versorgter Target-Seite ist eine Alternative; dessen USB-Port gehört an den Pi, nicht an den Pico-USB-Port.

Besonderheit Pi 5

Beim Pi 5 zeigt /dev/serial0 standardmäßig auf den Debug-UART /dev/ttyAMA10, nicht auf GPIO14/15 des 40-Pin-Headers. Für die Tabelle oben den Overlay dtoverlay=uart0-pi5 in /boot/firmware/config.txt aktivieren und einen eventuell auf diesem UART laufenden Login-/Debugdienst deaktivieren. Nach dem Neustart mit pinctrl get 14 15 die Pinbelegung und mit /dev/ttyAMA* sowie der Kernelmeldung das tatsächliche Gerät prüfen; dieses Gerät in der Projektkonfiguration setzen. Den Gerätenamen nicht aus einer Pi-4-Anleitung übernehmen. Raspberry-Pi-UART-Dokumentation, offizielle Overlay-Beschreibung

5. Physischer Not-Halt und ARM

Die Pinnummern am Pico beziehen sich auf das originale Pico-2-Board, USB-Buchse oben und Bauteilseite sichtbar. Offizieller Pinplan

GP15 und GP14 sind Pico-GPIOs, nicht die gleichnamigen Pi-UART-Pins. Der NC-Kontakt darf keine Fremdspannung führen. Ein GPIO-Eingang allein ist keine gegen Firmwarefehler unabhängige Abschaltung. Die Firmware muss beim Booten gesperrt bleiben, alle Reports freigeben, STOP verriegeln und nach Entriegeln eine neue lokale ARM-Flanke verlangen. Der Heartbeat-Watchdog von 750 ms ist die zweite Abschaltebene; er ersetzt den Taster nicht.

Unabhängige Datentrennung: konkrete Laborvariante

Mit dem TI TS3USB221EVM kann ein elektronischer USB2-Datenschalter zunächst evaluiert werden:

1. Ziel-PC an den gemeinsamen USB-Port J3 des EVM, Pico an J4. Vorher die tatsächliche Steckverbinderbestückung prüfen und bei Bedarf J3 auf USB-B und J4 auf USB-A umbauen, sodass Standard-A–B- und A–Micro-B-Datenkabel verwendet werden können. Das Handbuch erlaubt die Umbestückung. J1/J2 sind ein ungeschalteter Vergleichspfad und dürfen dafür nicht benutzt werden.
2. J6 schließen, um den Pfad zu J4 zu wählen; J5 bleibt frei.
3. J8 offen, damit der EVM-LDO aktiv bleibt.
4. J7-Brücke entfernen und die beiden J7-Pins über den zweiten NC-Kontakt des Not-Halts führen: Kontakt geschlossen = Datenpfad aktiviert; Kontakt offen = alle Datenpfade deaktiviert. Den vorhandenen Pull-up prüfen.
5. VBUS und Masse bleiben gemäß EVM-Schaltplan verbunden. Der Not-Halt schaltet hier Daten, nicht die Pico-Versorgung.

Diese Anschlussfunktion ist im TI EVM-Handbuch beschrieben. Die Modifikation, das Kabelpaar, die tatsächliche Enumeration und das Verhalten bei allen Versorgungskombinationen sind noch zu prüfen. Ein Platinenersatz muss USB-Leiterführung, Default-off-Verhalten und Ausfälle berücksichtigen. Ein gewöhnlicher Hub-Portschalter, der nur VBUS schaltet, genügt nicht als nachgewiesene Datentrennung.

Die Schaltung trennt zukünftige USB-Daten. Bereits vom Zielsystem empfangene Klicks, Käufe oder Löschungen lassen sich damit nicht rückgängig machen. Beim Datenabbruch kann kein weiterer „Taste loslassen“-Report gesendet werden; das Zielsystem muss Geräteabmeldung und gehaltene Modifier zuverlässig behandeln. Dies separat messen. Bis der unabhängige Pfad qualifiziert ist, sind beaufsichtigte Laborläufe mit sofort erreichbarem Pico-USB-Stecker zulässig; unbeaufsichtigte Freigabe bleibt aus.

Grenze der EVM-Laborvariante: Beim mechanischen Entriegeln wird J7 unmittelbar wieder geschlossen; sie besitzt keine unabhängige Wiederanlaufsperre. Bei vermutetem Firmware-Hänger den Not-Halt gedrückt lassen, Pico vom USB trennen und neu starten, bevor entriegelt wird. Eine endgültige Hardware muss die Datensperre nach Auslösung unabhängig verriegeln und eine bewusste lokale Wiederfreigabe verlangen. Der ARM-Taster der Beispiel-Firmware verriegelt den Softwarezustand, ersetzt diese Hardwarefunktion bei ausgefallener Firmware aber nicht.

6. Zeiger und Koordinaten

Die Firmware beschreibt X und Y als absolute HID-Achsen mit logischem Bereich 0…32767. TinyUSB enthält die entsprechende Absolute-Mouse-Reportstruktur und Sendeoperation; ein eigener, passender Report-Descriptor bleibt erforderlich. TinyUSB HID-Typen, TinyUSB Reportausgabe

Absolute Eingabe vermeidet Drift und die Mausbeschleunigung relativer Bewegungen. HID definiert dabei Reportdaten; es garantiert keine identische Desktopzuordnung auf jedem Zielsystem. Insbesondere mehrere Monitore, macOS-/Linux-Tabletzuordnung, Bildschirmrotation, Secure Desktop, Loginbildschirm und BIOS/UEFI werden einzeln freigegeben. USB-IF HID-Spezifikationen

Für einen vollständig erfassten, unbeschnittenen Desktop und ein Screenshotmaß Ws × Hs gilt:

u = x / (Ws - 1)
v = y / (Hs - 1)
hid_x = round(u × 32767)
hid_y = round(v × 32767)

Bei 1920 × 1080 Screenshot und 3840 × 2160 Zielbild gilt entsprechend target_x = u × 3839 und target_y = v × 2159. Diese Endpunktabbildung ist präziser als pauschal mit 2 zu multiplizieren. Die echte Auflösung lässt sich aus dem skalierten Screenshot allein nicht sicher bestimmen: EDID/Quellsignalstatus und die Zielanzeige prüfen. Der HID-Normalisierung ist das pixelgenaue Zielmaß bei einem einzelnen ganzen Desktop nicht nötig; der Freigabetest benötigt es.

Letterboxing, Crop, Spiegelung und Rotation dürfen nicht unbemerkt bleiben. Entweder vollständig bildfüllendes Capture konfigurieren oder einen expliziten aktiven Bildbereich verwenden. Klicks außerhalb dieses Bereichs sperren. Ein normaler UVC-Frame kann einen Crop nicht zuverlässig automatisch erklären. Die Hostimplementierung erkennt geänderte UVC-Frameabmessungen als Aufnahmefehler und sperrt HID im Zustand FAULT. Ändert sich dagegen die native HDMI-Auflösung oder Displaytopologie, während die Capture-Karte weiterhin 1920 × 1080 ausgibt, erkennt der Host diesen Wechsel nicht automatisch. Der Benutzer muss die Session vor solchen Änderungen stoppen und danach Signal, Desktopzuordnung und Mapping neu kalibrieren. Automatische Quellsignal-/EDID-Überwachung wäre eine zusätzliche, derzeit nicht implementierte Funktion. Ein Capture-Ausgang bietet keine garantierte Sicht auf alle Monitore; für den MVP einen Desktop verwenden. Relatives HID ist ein späterer, separat zu kalibrierender Modus und wird nicht als zuverlässiger Rückfall ohne Cursorbeobachtung eingesetzt.

7. Tastatur, GUI und sonstige Grenzen

• Die Tastatur sendet HID-Usage-Codes und Modifier; die aktive Layoutwahl des Zielsystems bestimmt die Zeichen. In der Konfiguration US oder DE/AT ausdrücklich wählen und mit einer sichtbaren Textprobe prüfen. Keine sichere automatische Layoutableitung aus HDMI behaupten.
• Die Beispielimplementierung unterstützt Standard-US und Standard-DE/AT als PC-Layouts unter Windows/Linux. DE/AT benutzt Right Alt als AltGr und die zusätzliche ISO-Taste für <, > und |; Z/Y wird auch bei Tastenkombinationen umgelegt. Deutsches macOS, US International, Sondervarianten und IME benötigen ein eigenes Profil. Caps Lock und Num Lock müssen vor dem Start bekannt ausgeschaltet sein; der Host beobachtet keinen verlässlichen LED-/Lockzustand. Layout wechseln darf während einer Session nicht unbemerkt bleiben.
• Universelle Unicode-Texteingabe entsteht nicht aus einem einfachen USB-Keyboard-Report. Nicht unterstützte Zeichen vor der ersten Ausgabe ablehnen. OS-spezifische Unicode-Sequenzen oder Clipboardlösungen benötigen ein explizites Zielprofil; die Box hat ohne Zielsoftware keinen direkten Clipboardzugriff.
• Das USB-Gerät erscheint als Tastatur und absolute Maus, ohne Serial-/Mass-Storage-Funktion auf dem Ziel-PC. Betriebssysteme, Unternehmensrichtlinien oder Firmware können neue USB-Geräte blockieren; BIOS-Kompatibilität ist kein allgemeines Versprechen.
• HDMI erfasst ausschließlich das ausgegebene sichtbare Bild. Ein ausgeschalteter oder schlafender Rechner, eine nicht sichtbare zweite Anzeige und geschützte Inhalte sind daraus nicht bedienbar. Wake-on-USB und Reboot-Verhalten bleiben Zieltests.
• Magewell erfasst keine HDCP-verschlüsselten Signale. Bei schwarzem Bild oder „Unsupported“ erst Signal, Kabel und HDCP-Status prüfen. Keine HDCP-Entfernung oder Umgehung vorsehen. Magewell USB Capture Utility-Handbuch
• 4K60-Passthrough ist für SDR/8-Bit/4:4:4 des Referenzprofils vorgesehen. HDR, 10 Bit, VRR, 120 Hz und exotische Timingmodi nicht gemeinsam aus der 4K60-Angabe ableiten; sie verlangen eigene Format- und Lesbarkeitstests.
• Kleine 4K-Schrift kann in 1080p-Capture unlesbar werden. Für Tabellen eher Zielauflösung 1080p, größere GUI-Skalierung oder spätere 4K30-Capture wählen. Latenz und Lesbarkeit gemeinsam bewerten.
• API-Scrollwerte werden als Pixel interpretiert; der Host akkumuliert Restwerte und setzt vorläufig 120 Pixel pro HID-Wheel-Tick um. Die tatsächliche Pixelbewegung hängt von Ziel-OS und App ab. Dieses Verhältnis muss im Arbeitsprofil getestet werden; es ist keine universelle Entfernungsgarantie.
• Ein eingefrorenes Bild ist schwer von einem unveränderten Desktop zu unterscheiden. Frame-Zeitstempel prüfen; ein unverändertes Pixelbild allein ist kein Beweis für einen Capturefehler. Signal-Lock-Erkennung per Herstellerstatus wäre ein zusätzlicher Adapter.
• Die Capture-Karte ist USB-versorgt. Ihre Stromunterbrechung kann auch den normalen Monitorpfad unterbrechen. Der HID-Not-Halt darf den Capture-Hub oder Pi nicht mit abschalten; die separate Stromversorgung erhält Beobachtung und manuelle Übernahme.