KVM信號遠程傳輸系統設計*

朱　琳，趙永國，李　倩，侯憲倫

（山東省科學院自動化研究所，山東省機器人與制造自動化技術重點實驗室，濟南250014）

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KVM信號遠程傳輸系統設計*

朱琳*，趙永國，李倩，侯憲倫

（山東省科學院自動化研究所，山東省機器人與制造自動化技術重點實驗室，濟南250014）

摘要：為了實現視頻和鍵盤鼠標信號遠程傳輸，以微處理器、ISL59911和ISL59311芯片為核心，研制了一款低成本的KVM （Keyboard Video Mouse）信號雙絞線遠程傳輸系統。該系統包括發送模塊和接收模塊兩個部分，分別完成對視頻和鍵盤鼠標信號的發送和接收處理。經過實驗驗證，采用本設計的視頻和鍵鼠信號傳輸距離可達200 m，廣泛用于安防和工控領域。

關鍵詞：集成電路；遠程傳輸；ISL59911；ISL59311；KVM；PS/2

項目來源：山東科學院2015年青年基金項目；山東省自然科學基金項目（ZR2013FM026）；國際合作項目（2014DFR10620）；山東省自主創新及成果轉化專項項目（2014ZZCX04303）

在工業現場、安防等很多領域，主機的KVM （Keyboard Video Mouse）信號需要傳輸一段距離來方便用戶使用，通常這個距離在幾十米到數百米。主機的視頻信號接口多數都是采用VGA（Video Graphics Array）接口，VGA是一種視頻傳輸標準，具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優點。主機上廣泛應用的鍵盤和鼠標多是PS/2接口。VGA信號和PS/2信號有個共同的缺點是易受到外界干擾，不適合遠距離傳輸。

為了提高KVM信號的傳輸距離，需要對信號預處理，以減少信號傳輸過程中的干擾和衰減。采用5類以及5類以上（CAT-5/5e/6）非屏蔽雙絞線UTP（Unshielded Twisted Pair）進行視頻和鍵鼠信號傳輸，結構簡單，價格低廉，并且由于利用差分信號進行傳輸，抗干擾能力較強，可以用于信號的遠距離傳輸［1-6］。在此基礎上設計了一套KVM信號遠程傳輸系統，并驗證了系統的功能和可靠性。

1　遠程傳輸系統設計

KVM信號遠程傳輸系統從功能上可以分為VGA遠程傳輸和鍵鼠遠程傳輸兩個部分，從模塊上可以分為發送模塊和接收模塊，系統組成框圖如圖1所示。來自主機端單端模擬視頻信號由VGA接口進入發送模塊，通過VGA信號處理單元轉成差分信號并送到RJ45遠程傳輸端口，利用CAT-5類非屏蔽雙絞線中的三對差分線進行遠距離傳輸，傳輸到接收模塊后，接收模塊將接收到的差分信號通過VGA信號處理單元轉成單端信號并送給VGA接口，供遠端顯示使用。遠端的鍵盤鼠標通過鍵鼠接口接到接收模塊，經過微處理器識別后的鍵鼠信號轉成串口RS232信號，由于RS232信號也存在傳輸距離短，抗干擾能力差等缺點，進一步通過MAX485芯片轉成差分信號并送到RJ45遠程傳輸端口，利用CAT-5類非屏蔽雙絞線中的第4對差分線進行遠距離傳輸，傳輸到發送模塊后首先通過MAX485將差分的鍵鼠信號轉成單端的RS232信號，經過微處理器識別后再轉換成相應的PS/2鍵鼠信號送到鍵鼠接口，來對主機進行控制。

圖1　KVM信號遠程傳輸系統框圖

2　VGA信號遠程傳輸系統

VGA信號遠程傳輸系統包括發送端和接收端。發送端將單端VGA信號轉成差分信號送到RJ45遠程傳輸端，通過CAT-5類非屏蔽雙絞線傳輸至遠程端，遠程端將差分信號接收到經過處理后轉成單端的視頻信號接入VGA接口供遠端顯示使用。

2.1VGA信號發送端

單端的VGA信號在傳輸的過程中容易受到外界的干擾，傳輸距離越長衰減越大，造成信號不能正確讀取。因此，VGA信號在進行遠程傳輸前需要先轉成差分信號。本系統發送端選用ISL59311為單端至差分信號的驅動器。ISL59311是Intersil公司生產的帶同步編碼的高帶寬（250 MHz）3路差分驅動器，可對視頻同步信號進行完整的編碼，它的輸入適合處理單端或差分形式的高速視頻或其他通信信號。高帶寬也使得差分信號在標準雙絞線或同軸電纜線上有非常低的諧波失真，同時，內部反饋保證輸出有穩定的增益和相位，以減少輻射的電磁干擾和諧波。嵌入邏輯將標準的視頻水平和垂直同步信號編碼到雙絞線的共模信號上，因此不需要另外的線纜來傳輸同步信號。相比單一的驅動器，大大降低了系統成本。ISL59311的原理框圖如圖2所示。

視頻信號通過VGA接口與ISL59311輸入端的75 Ω的終端電阻相連，5路單端信號（RGB顏色信號以及行場同步信號）分別與ISL59311輸入端的INA+、INB+、INC+以及HSYNC和VSYNC相連，其負顏色分量INA-、INB-、INC-接地。單端的RGB信號被轉換為差分信號，HSYNC和VSYNC在3個差分信號各自的共模信號上進行編碼。ISL59311 的50 Ω終端輸出驅動差分R、G、B信號，通過CAT-5雙絞線電纜中三對線纜進行傳輸。本設計中選取單電源供電，供電電壓取5 V，芯片的總功耗約為0.3 W。

圖2　ISL59311的原理框圖

2.2VGA信號接收端

VGA信號遠程傳輸系統的接收模塊采用ISL59911，它是三通道差分接收器和均衡器，帶寬為250 MHz，適用于RGB視頻信號處理。ISL59911的原理框圖如圖3所示。ISL59911具有手動和自動偏移校準功能，±4 dB的增益調整范圍，調整精度為0.1 dB。ISL59911有一個Enable輸入引腳，當此引腳為低電平時，放大器進入低功耗模式，輸出高阻態。

ISL59911可對水平和垂直方向上的信息進行共模譯碼，該信息由ISL59311的3個差分輸入端編碼，因此僅用3對電纜，就可完整地傳輸RGB視頻信號和行場同步信號。ISL59911為雙電源供電，供電電壓的范圍為±5 V，邏輯值在0～+5 V之間，芯片的總功耗約為1.1 W。

ISL59911還有一個重要的特點是具備I2C（Inter-Integrated Circuit）接口，在本設計中將I2C接到接到微處理器。微處理器通過該接口完成對ISL59911芯片的初始化和校準，并且可以通過修改ISL59911內部寄存器的值來設置VGA信號在CAT-5類非屏蔽雙絞線要傳輸的距離。

圖3　ISL59911的原理框圖

3　鍵鼠信號遠程傳輸系統

常見的鍵鼠信號采用PS/2接口協議，不適合遠距離傳輸。要把鍵鼠信號做遠距離傳輸需要對鍵鼠信號進行處理。鍵鼠信號遠程傳輸系統的核心是微處理器，它識別和轉換PS/2鍵鼠信號并且以串口通訊模式進行信號傳輸［7-10］。本系統采用AT89S52作為鍵鼠信號處理的微處理器，它是Atmel公司生產的低功耗、高性能、片內含8 kbyte Flash的單片機，支持在系統編程，具有外圍硬件電路簡單，體積小，可靠性高等優點。

在發送模塊，遠端接收模塊送來差分的RS485信號先由MAX485轉成單端的RS232信號，之后送給AT89S52，由AT89S52識別出鍵鼠信號以后再通過其IO端口模擬PS/2協議將相應的鍵鼠信號發給控制主機［11］，完成對主機的控制。圖4是發送端微處理器軟件流程圖。

圖4　發送模塊微處理器軟件流程圖

在接收模塊，AT89S52接收由鍵鼠設備發來的PS/2信號，經過處理后識別到相應的數據，然后通過微處理器自身的串口將數據以RS232發送出來，之后經過MAX485芯片將單端的RS232信號轉成RS485差分信號進行遠距離傳輸。接收模塊微處理器的軟件流程圖如圖5所示。

圖5　接收模塊微處理器軟件流程圖

4　PCB疊層和阻抗設計

由于單端的VGA信號和差分VGA信號均為高速信號，為了提高系統的抗干擾能力，PCB板的設計采用了四層板，有獨立的電源層和地層。根據PCB廠家的制程能力，設計的四層板疊層結構如下表1所示。

表1　PCB疊層設計

單端的VGA走線的阻抗為75 Ω，差分VGA走線為100 Ω。根據設計的PCB疊層結構，采用Polar SI9000計算75 Ω表層走線的線寬為6 mil，100 Ω表層差分走線線寬為10 mil，線間距10 mil。同時為了減少走線阻抗跳變，高速信號走線下面的地平面保持完整。

5　測試結果

遠程傳輸系統發送模塊和接收模塊單板實驗電路調試完畢后，搭建了測試實驗系統，系統實物圖如圖6所示。發送模塊靠近電腦主機，通過KVM線纜接到主機的VGA和鍵鼠接口，再通過UTP雙絞線接到接收模塊。接收模塊的VGA接口通過VGA線纜接到液晶顯示器上，鍵鼠接口接鍵鼠外設，實驗UTP雙絞線的長度約為30 m。

對系統上電以后，將顯示器的分辨率設置為1 600 pixel×900 pixel，觀察液晶顯示器上的圖像，發現圖像顯示清晰，沒有拖尾和閃爍。鍵鼠功能正常，可以通過鍵盤對主機進行控制，實現了KVM的遠程傳輸功能。通過修改ISL59911寄存器的值，UTP雙絞線的長度理論上可以達到200 m。

圖6　KVM遠程傳輸系統試驗

6　結論

設計了一款低成本的KVM信號遠程傳輸系統，采用CAT-5e類UTP雙絞線傳輸VGA和鍵鼠信號，經過在工業現場測試該系統可以完成30 m的KVM信號遠程傳輸，視頻圖像清晰，沒有拖尾和閃爍，理論傳輸距離可以達到200 m，抗干擾能力強，可以廣泛的用于安防和工控領域。該系統目前已經成功用于碼垛機器人示教器項目上，運行穩定。

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朱琳（1982-），男，漢族，山東棗莊人，山東省科學院自動化研究所副研究員，主要研究方向為機器人及運動控制器等，zhulin_4357@126.com。

A Method Designed for Improving Data Storage Rate and Reliability of Storage System*

CAO Xun，ZHAO Dong’e*，LI Zhicheng，ZHANG Bin

（Key Laboratory of Instrument Science and Dynamic Measurement Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：As the fragment velocity measurement system for high data storage rate and reliability requirements pres?ents a fast data storage scheme based on pipeline design and establishes a virtual memory to manage the FLASH bad block list based on FPGA chip. This method reduces the average response time and makes the data storage rate 2 times faster. Meanwhile，the virtual memory can manage the Flash bad block list easily and block bad blocks effec?tively，then ensure the reliability of the fragment data storage. Tests show that the method improves the data storage rate raised to 2.4 Mbyte/s which is 3 times as original rate. The reliability of data storage is 100%. This method im?proves data storage rate and reliability effectively.

Key words：storage test；storage rate；pipeline design；bad block management

doi：EEACC：7320E；0170N10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.031

收稿日期：2015-03-16修改日期：2015-04-21

中圖分類號：TN431

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0148-04