新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統的研究

宋 宇，曹桂均，王 健，姚宇峰

（中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京100081）

計算機雙機仲裁切換設備（簡稱雙機切換設備）從20世紀80年代初開始引入我國鐵路車站計算機聯鎖系統和駝峰自動化控制系統，迄今已有近30年的歷史。從最初的繼電器電路切換方式發展到嵌入式計算機軟件切換方式，計算機雙機仲裁切換設備在技術上取得了巨大的進步，已廣泛應用在鐵路各種雙機熱備型計算機系統中。

計算機外設通道切換延長設備（又稱KVM延長器，簡稱外設延長設備）的作用主要有2個：（1）實現用一套外圍設備分時控制兩臺計算機主機；（2）實現外圍設備對計算機主機的長距離控制。

長期以來，雙機切換設備和外設延長設備一直由不同的廠家進行開發和生產，功能相對獨立，使用中存在兩臺計算機發生主備用狀態切換后，外設通道不隨之切換而引起控制臺操作失效的問題。同時，由于采用信號簡單模擬放大的方式，目前的外設延長設備對高于1 024×768分辨率的視頻信號無論在傳輸距離還是圖像保真方面都不甚理想，應用受到很大限制。

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統是在上述兩種設備已有技術的基礎上，通過功能整合與技術創新，結合蘭州北編組站綜合自動化（SAM）系統的工程實施需求研發而成。

1 系統結構

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統由主機端和操控端兩部分組成，通過9芯光纜把主機端2臺工業控制計算機（簡稱工控機）的外設信號延長到操控端的外圍設備，如圖1。

圖1 新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統結構

主機端位于計算機主機一側，通過2個RS232接口與2臺工控機交互主備用消息，根據是否收到工控機心跳消息決定工控機A和B的主備用狀態。同時，主機端的2路外設接口也分別與2臺工控機相連，每路外設接口支持1個PS/2鍵盤、1個PS/2鼠標、1個串口鼠標、2個DVI視頻和1個音頻。

主機端與操控端之間通過9芯光纜延長外設信號，1芯用于鍵盤、鼠標、音頻、串口信號的延長，8芯用于2路DVI視頻信號的延長。

操控端位于計算機外設一側，可連接1個PS/2鍵盤、1個PS/2鼠標、1個串口鼠標、2個DVI視頻和1個音頻。

2 系統原理

2.1 雙機切換原理

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統的雙機切換功能由主機端獨立完成。主機端通過2個RS232串口分別連接工控機A和工控機B，默認條件下向工控機A輸出“主用”消息，向工控機B輸出“備用”消息，如圖2。

圖2 新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統雙機切換原理

工控機A和工控機B工作正常時，每隔500 ms向主機端發送一次心跳消息，此時主機端不進行主備用切換。若工控機A（主機）故障，工控機B（備機）正常，主機端收不到工控機A輸出的心跳消息，則切換工控機A和工控機B的主備用。工控機B主用、工控機A備用時的情形與此類似。

主機端除了根據心跳消息自動切換工控機A和工控機B的主備用外，還可以通過面板上的按鈕手動切換主備用。

2.2 外設切換延長原理

外設切換延長功能由主機端和操控端共同完成。主機端同時連接工控機A和工控機B兩路外設信號，默認情況下選擇A路外設信號輸出，經光纖延長后在操控端將信號分別供給鍵盤、鼠標、顯示器、音箱和串口設備，如圖3。

圖3 新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統外設切換延長原理

外設切換延長功能分為 “調試”和“工作”2種模式，通過設在主機端面板上的開關進行設置。在“調試”模式下，主機端選擇的外設信號不與工控機A和工控機B的主備用狀態發生關聯，外設信號可以通過面板上的按鈕手動切換。在“工作”模式下，主機端始終選擇當前主用工控機的外設信號進行延長，當工控機A和工控機B的主備用狀態發生切換時，主機端輸出的外設信號也自動進行切換，此模式下外設信號手動切換方式失效。

3 系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 主機端

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統主機端由雙電源模塊，視頻接口及光收發模塊I，視頻接口及光收發模塊II，鍵盤、鼠標、音頻、串口（以下簡稱鍵鼠音串）接口模塊，鍵鼠音串光收發模塊和雙機切換控制模塊組成，如圖4。

圖4 新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統主機端硬件設計

（1）雙電源模塊

通過2個電源模塊，分別將兩路外接AC220 V電源轉換為DC5 V電源供其他模塊使用，任意一個電源模塊發生故障都不會影響整個設備的供電。

（2）視頻接口模塊

選擇A機或B機視頻信號中的一路，轉換成光信號后進行輸出，其中視頻接口及光收發模塊I用于選擇A機與B機的視頻信號I，轉換后輸出4路光纖信號，視頻接口及光收發模塊II用于選擇A機和B機的視頻信號II，轉換后也輸出4路光纖信號。

（3）鍵鼠音串接口模塊

選擇A機或B機鍵鼠音串信號中的一路，轉換為數字信號進行輸出。該模塊提供視頻接口及光收發模塊I和視頻接口及光收發模塊II的切換控制信號，切換控制信號由人工按壓面板按鈕產生或雙機切換控制模塊產生。

（4）鍵鼠音串光收發模塊

將鍵鼠音串接口模塊傳來的數字信號轉換為光信號傳輸給操控端；將操控端傳來的鍵鼠音串光信號轉換為數字信號傳輸給鍵鼠音串接口模塊。

（5）雙機切換控制模塊

接收A機和B機送來的心跳信號，選擇2臺計算機中的一臺作為主用機，另一臺作為備用機。當主用機與備用機狀態切換時，自動發送切換控制信號給鍵鼠音串接口模塊，使其同步切換。

3.1.2 操控端

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統操控端由電源模塊，視頻接口及光收發模塊I，視頻接口及光收發模塊II，鍵鼠音串接口模塊和鍵鼠音串光收發模塊組成，如圖5。

圖5 新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統操控端硬件設計

（1）電源模塊

將外接AC220 V電源轉換為DC5 V電源供其他模塊使用。

（2）視頻接口及光收發模塊

將4路光信號轉換為DVI視頻信號傳輸給顯示器，其中視頻接口及光收發模塊I用于轉換視頻信號I，視頻接口及光收發模塊II用于轉換視頻信號II。

（3）鍵鼠音串接口模塊

將鍵盤、鼠標、音箱等外設傳來的模擬輸入信號轉換為數字信號傳輸給鍵鼠音串光收發模塊；將鍵鼠音串光收發模塊傳來的數字信號轉換為模擬信號傳輸給鍵鼠音串設備。

（4）鍵鼠音串光收發模塊

將鍵鼠音串接口模塊傳來的數字信號轉換為光信號傳輸給主機端；將主機端傳來的鍵鼠音串光信號轉換為數字信號傳輸給鍵鼠音串接口模塊。

3.2 軟件設計

新一代鐵路計算機雙機切換及外設延長系統的控制軟件內置于主機端控制芯片中，軟件主要實現雙機切換控制邏輯和外設通道切換控制邏輯。

3.2.1 雙機切換控制邏輯

雙機切換控制邏輯流程如圖6。

圖6 雙機切換控制邏輯流程圖

3.2.2 外設通道切換控制邏輯

外設通道切換控制邏輯流程如圖7。

圖7 外設通道切換控制邏輯流程圖

4 結束語

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統把設備功能有機地結合在一起，在1 920×1 200分辨率條件下可將主機與外圍設備的距離延長到2 km。隨著蘭州北編組站綜合自動化（SAM）系統的工程實施，該設備有望在未來的SAM系統項目中進一步推廣使用。

[1] 蘭州北編組站綜合自動化技術建議書[R] .中國鐵道科學研究院通信信號研究所，2009.

[2] 李毅力. 新一代計算機聯鎖系統關鍵技術研究 [D] . 上海：上海交通大學，2005.

[3] 韓鋒. 計算機KVM延長器與KVM前端維護器在廣電系統中的應用[J] . 廣播與電視技術，2009（8）：126-127.