一種高分辨率模擬冗余共享器的設(shè)計(jì)

楊良勇，孫 聞，孫 琴

（1.安徽華東光電技術(shù)研究所，安徽 蕪湖 241000；2.國家特種顯示技術(shù)研究中心，安徽 蕪湖 241000）

一種高分辨率模擬冗余共享器的設(shè)計(jì)

楊良勇1,2，孫 聞1,2，孫 琴1,2

（1.安徽華東光電技術(shù)研究所，安徽 蕪湖 241000；2.國家特種顯示技術(shù)研究中心，安徽 蕪湖 241000）

文章介紹了一種用于航空空中交通管制主用系統(tǒng)與備份系統(tǒng)之間的高清KVM冗余共享顯示連接設(shè)備的設(shè)計(jì)；采用模塊化的設(shè)計(jì)，主要解決在冗余功能需求下的顯示拖尾、系統(tǒng)兼容、鍵值兼容等問題。

KVM；冗余；顯示拖尾；鍵值

軍用航空及民用航空領(lǐng)域中空中交通指揮管制自動化系統(tǒng)（以下簡稱空管系統(tǒng)）是引導(dǎo)飛行器飛行和保障其安全的中樞，其工作是由地面管制人員依靠空管系統(tǒng)來完成指揮和通信的任務(wù)。在指揮過程中不能夠出現(xiàn)因空管系統(tǒng)故障而造成無法指揮的情況，這就相應(yīng)地對空管系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性提出了非常高的要求，為此空管系統(tǒng)中加入了備份空管系統(tǒng)。鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)（Keyboard Video Mouse，KVM）共享器是能夠?qū)崿F(xiàn)多套鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器合一的專業(yè)設(shè)備，是主用系統(tǒng)與備份系統(tǒng)之間進(jìn)行連接的關(guān)鍵設(shè)備，在主用系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)一鍵切換到備份系統(tǒng)。冗余共享器的概念是為了滿足系統(tǒng)對關(guān)鍵連接設(shè)備更高可靠性要求而提出的，它使共享器的可靠性提高了一倍，即通過設(shè)計(jì)使兩套共享器冗余備份使用，當(dāng)正在使用的共享器出現(xiàn)故障時(shí)可以在0.5 s內(nèi)一鍵切換到冗余端使用，從而確保系統(tǒng)的正常工作。

目前，市場上普遍使用的是滿足Windows系統(tǒng)環(huán)境下的KVM產(chǎn)品，對于能夠支持Unix和Linux系統(tǒng)的設(shè)備比較少，國外的高端KVM共享器產(chǎn)品較為知名的有美國洛克希德馬丁公司和德國G&D公司生產(chǎn)的數(shù)字高分辨率KVM共享器產(chǎn)品，但它們也不具備冗余共享功能，而完全滿足要求的高分辨率模擬KVM在市場上還沒有看到。由于國內(nèi)空管系統(tǒng)中高清模擬大屏顯示器數(shù)量較多，而單臺顯示器的價(jià)格高達(dá)40萬元，因此，高分辨率模擬冗余共享器有很大需求。

1 技術(shù)方案介紹

1.1 高分辨率模擬冗余共享器工作原理

高分辨率模擬冗余共享器需要支持2048*2048@60 Hz模擬視頻切換顯示，單通道視頻帶寬達(dá)到380 MHz，加上需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，對電路的設(shè)計(jì)、印制電路板（ Printed Circuit Board，PCB）布線都提出了很高要求。設(shè)備電路主要由主用KVM微處理器模塊、主用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）視頻處理模塊、備用KVM模塊、備用FPGA視頻處理模塊、冗余切換模塊、冗余電源模塊等組成，其工作原理如圖1所示。

1.2 高分辨率FPGA視頻處理模塊

在高分辨率模擬冗余共享器中，主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)都有高分辨率FPGA視頻處理模塊，主要用于接收和發(fā)送高分辨率視頻圖像，通過對視頻圖像進(jìn)行優(yōu)化算法處理可得到無重影、拖尾和串?dāng)_的兩路清晰視頻輸出信號。

圖1 高分辨率顯示冗余共享器工作原理

1.3 高分辨率KVM微處理器模塊

高分辨率KVM微處理器模塊同樣存在于主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)中，其作用是將處理后的高清視頻數(shù)據(jù)通過控制信號命令選擇正確的輸出線路。KVM微處理器從當(dāng)前有效的服務(wù)器或工作站接收指令并做出相應(yīng)應(yīng)答，再將接收到的命令發(fā)送給鍵盤、鼠標(biāo)，通過這些命令將鼠標(biāo)鍵盤帶入合適的工作狀態(tài)，當(dāng)鍵盤鼠標(biāo)處于工作狀態(tài)時(shí)，微處理器接收來自鍵盤鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行翻譯處理后發(fā)送給當(dāng)前有效的服務(wù)器和工作站，對于當(dāng)前無效的服務(wù)器或工作站，微處理器模擬實(shí)際的鍵盤鼠標(biāo)對服務(wù)器或工作站發(fā)來的指令進(jìn)行應(yīng)答。

KVM微處理器在此系統(tǒng)中要同時(shí)扮演主機(jī)和從機(jī)的角色，由于鼠標(biāo)和鍵盤的操作是并行操作，而微處理器是順序操作的，這就要求在固件代碼的運(yùn)行中要合理精確地安排總線帶寬；由于服務(wù)器和工作站的廠家眾多，而操作系統(tǒng)也各不相同，所以對于鍵盤鼠標(biāo)的通信協(xié)議也有一定差別，設(shè)計(jì)共享器的兼容性也是較大的難點(diǎn)。

1.4 高分辨率冗余切換模塊

由于空管系統(tǒng)的主用系統(tǒng)與備用系統(tǒng)都接至高分辨率模擬冗余共享器，在這種情況下，如果共享器本身發(fā)生故障也會造成空管系統(tǒng)的癱瘓。為此，對共享器進(jìn)行硬件備份設(shè)計(jì)，即在主用KVM使用時(shí)，備用KVM共享器處于掉電狀態(tài)并與主用KVM無任何電氣連接。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通過切換鍵盤組合鍵一鍵切換至備份KVM，通過對兩套KVM的輸入輸出接口信號線、供電及控制信號接入到由繼電器組成的高頻信號選擇陣列對應(yīng)的接口電路中，同時(shí)將此選擇陣列的控制邏輯并聯(lián)在一起接到高頻數(shù)字電子開關(guān)上，通過控制高頻數(shù)字電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)主用KVM和備用KVM的選擇。

1.5 技術(shù)難點(diǎn)

第一，實(shí)現(xiàn)超高分辨率視頻信號高質(zhì)量傳輸，要求顯示無重影、拖尾、動態(tài)畫面無延遲；第二，在不同服務(wù)器、工作站以及不同的操作系統(tǒng)平臺下，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)、鍵盤的兼容性以及長時(shí)間穩(wěn)定可靠工作。

通過設(shè)計(jì)電路板的層疊結(jié)構(gòu)和線寬實(shí)現(xiàn)信號的阻抗匹配，并使同一組信號保持走線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的等長，結(jié)合軟件視頻處理算法，修正了視頻數(shù)據(jù)在傳輸中的誤碼、反射、串?dāng)_、傳輸延遲等問題，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量視頻圖像信號的傳輸，其PCB信號板如圖2所示。

圖2 PCB信號板

針對鍵盤、鼠標(biāo)的兼容性問題，在微處理器固件程序中，引入了完整的3套鍵值映射表，將三鍵及四向滾輪鼠標(biāo)和光電鼠標(biāo)的作兼容性處理，在收發(fā)函數(shù)時(shí)序上通過實(shí)驗(yàn)精確調(diào)整收發(fā)時(shí)序，在主循環(huán)程序中設(shè)計(jì)防止程序跑飛的計(jì)時(shí)看門狗程序，主要通過這些技術(shù)處理實(shí)現(xiàn)了共享器長時(shí)間不掉電的穩(wěn)定工作。

2 主要技術(shù)參數(shù)

高分辨率模擬冗余共享器技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 高分辨率模擬冗余共享器技術(shù)指標(biāo)

3 結(jié)語

隨著國內(nèi)空管系統(tǒng)開發(fā)能力的提高，以南京萊斯信息股份有限公司、中國民航兩所等單位為首陸續(xù)開發(fā)出了滿足條件的系統(tǒng)，并在國內(nèi)機(jī)場的空管系統(tǒng)升級改造中取代THALES等國外主流廠商的空管系統(tǒng)得到了大規(guī)模的應(yīng)用，冗余共享器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用得到了相關(guān)空管系統(tǒng)單位的大力支持，已成功應(yīng)用到包括上海、南昌等機(jī)場的空管系統(tǒng)中，該設(shè)計(jì)在國內(nèi)外尚屬首創(chuàng)。

[1]趙子倫，馬幼鳴，趙宏圖，等.KVM延長器系統(tǒng)的信號完整性分析[J].電子技術(shù)，2017（1）：27-29.

[2]蔡敬海，張振權(quán).電子系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)及可靠性分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2016（1）：64-67.

[3]朱琳，趙永國，李倩，等.KVM信號遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2016（1）：148-151.

[4]孫聞，楊良勇，徐文川.雙機(jī)KVM共享器顯示共享電路.中國專利：CN104391668A[P].2015-03-04.

Design of the high de fi nition simulated redundant sharing switch

Yang Liangyong1,2, Sun Wen1,2, Sun Qin1,2
（1.Anhui Huadong Photoelectric Technology Institute, Wuhu 241000, China; 2.National Special Display Technology Research Center, Wuhu 241000, China）

This paper introduces the design used for the high de fi nition KVM（Keyboard Video Mouse）redundant sharing display and connection device between the main system and backup system of the aviation air traf fi c control; this modular design mainly solve the problem of display tailing, system compatibility and key-value compatibility under the requirement of the redundant function.

Keyboard Video Mouse; redundancy; display tailing; key-value

蕪湖市科技計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目編號：2015ZD07。

楊良勇（1973— ），男，安徽蕪湖人，工程師。