王子園，張 勇，閆康樂，伊庭睿

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司技術(研發(fā))中心,山西 太原 030024)

0 引言

在控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心等應用場景中,經(jīng)常使用KVM模塊進行管理控制,來提高工作效率。KVM是Keyboard、Video、Mouse三個單詞首字母縮寫,也就是說KVM模塊是使用一個鍵盤、顯示器和鼠標,完成多個終端切換、訪問及控制等操作,達到節(jié)約運營成本、提高效率的目的[1]。本文設計的KVM模塊采用全國產(chǎn)化硬件設計,可以同時與8臺計算機的鍵盤、鼠標和視頻接口相連,實現(xiàn)8臺計算機信號的切換控制操作。

1 系統(tǒng)組成及原理

KVM切換控制模塊主要包含MCU主控電路、供電電路、VGA信號處理電路、USB切換電路和按鈕指示燈電路,原理框圖見圖1。

圖1 KVM切換控制模塊原理框圖

圖中,對8路VGA和USB信號進行選擇輸出,其R、G、B、H、V信號分別經(jīng)8選1開關切換,輸出的單路VGA信號經(jīng)驅(qū)動后輸出顯示;USB信號經(jīng)切換開關選擇輸出1路至外部鍵盤鼠標接口;主控CPU GD32F107功能是掃描模擬開關芯片實時判斷處理通道在線信息并對其使能端進行控制,實現(xiàn)8路VGA信號和USB信號的有序輸出。利用GD32F107控制8個手動切換按鈕,實現(xiàn)8路VGA和USB信號間的任意切換,同時給每路輸出信號增加指示燈加以指示。

2 電路設計

2.1 MCU主控電路

選用嵌入式ARM芯片GD32F107完成多路信號的切換選擇及按鈕指示燈電路的控制,該芯片集成了ARM CortexTM-M3 32位處理器內(nèi)核[2],接口豐富,響應快,工作溫度范圍為-40 ℃～+85 ℃,適用于環(huán)境指標惡劣場景。

2.2 供電電路

工作電壓輸入為DC5V,經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換為DC4V和DC3.3V供后端電路使用。VGA數(shù)字信號(HV)和USB信號均采用5 V供電,主MCU采用DC3.3V供電。VGA模擬信號(RGB)供電電壓和地與其它信號不同,防止其它信號對其干擾。考慮到電路安全性和穩(wěn)定性,添加防反接和濾波電路設計。

2.3 VGA信號處理電路

2.3.1 VGA切換電路

上位機輸入的8路VGA信號,其R、G、B、H、V分別通過成都華微生產(chǎn)的多路復用器總線開關HWD5C3251 8選1切換,選擇輸入端I0～I7的數(shù)據(jù)至Y口輸出。該器件支持3 V～6 V電源供電,包含使能引腳可將開關置為高阻態(tài),具有低導通電阻、出色的差分增益和相位,有利于視頻應用。單片機通過控制S0、S1、S2三個引腳的高低電平來選擇八通道中的一個開關輸出,且五片開關芯片的S0、S1、S2相互連通,可實現(xiàn)同時控制所有開關的通斷,在選通道功能表見表1。以R信號為例,電路設計見圖2。

表1 在選通道功能表

圖2 R信號八選一電路圖

2.3.2 VGA驅(qū)動電路

經(jīng)模擬開關輸出后,VGA信號產(chǎn)生電壓波動,且經(jīng)長線傳輸,輸出的信號有衰減,致使顯示器顯示效果不佳等問題,因此添加VGA驅(qū)動電路[3]。

9018型 NPN晶體管以其高頻率帶寬特性經(jīng)常被用于高頻電路中,這里以9018晶體管為主要放大器件搭配阻容元件來起到RGB信號放大的作用。以R信號為例,電路設計見圖3。

圖3 R信號放大電路圖

RS2G126是一款具有3態(tài)輸出的雙線驅(qū)動器,支持1.65 V～5.5 V供電,采用TSSOP-8封裝,使能端接高電平則芯片工作。HV信號緩沖電路見圖4。

圖4 HV信號緩沖電路圖

2.4 USB切換電路

USB切換電路選用南京沁恒的模擬開關芯片CH448,該芯片包含2路單刀八擲八選一開關,支持3.3 V～5 V電源供電,具有高帶寬、低導通電阻的特點,可實現(xiàn)最多八路兩種信號同時進行切換,是實現(xiàn)高速USB信號八選一切換的良好選擇。USB切換功能由單片機通過IO管腳控制CH448的SEL0、SEL1和SEL2實現(xiàn),當切換到某一路顯示信號時,將對應的USB信號切換為當前使能。USB切換電路見圖5。

2.5 按鈕指示燈電路

該模塊設計8個手動切換按鈕和8個紅綠雙色指示燈,切換按鈕主要完成通道的選擇,指示燈紅燈亮,表示該路信號在線,已連接至KVM,指示燈綠燈亮,表示該路信號已選通。

3 軟件設計

KVM切換控制模塊軟件為嵌入式軟件,軟件開發(fā)環(huán)境為KEIL。軟件主要分為按鍵掃描部分和主控部分。按鍵掃描采用定時器中斷的方式,每隔10ms掃描一下按鍵狀態(tài),記錄鍵值;主控部分負責切換VGA和USB接口的通道,完成邏輯功能,監(jiān)控該模塊的工作狀態(tài)。KVM切換控制模塊軟件流程見圖6。

圖6 軟件流程圖

4 結(jié)論

該KVM切換控制模塊已成功應用于某型一體機,經(jīng)驗證其工作性能良好。電路采用100%全國產(chǎn)化設計,對我國發(fā)展國產(chǎn)化KVM產(chǎn)品有良好的借鑒意義[4]。