王炳輝,竇 強(qiáng),李相蓮

(1.海軍駐無錫地區(qū)軍代室,江蘇 無錫 214061;2.海軍駐連云港地區(qū)軍代室,江蘇 連云港 222006;3.江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222006)

隨著計(jì)算機(jī)的普及,大型網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的發(fā)展以及機(jī)房設(shè)備密度增大,管理和維護(hù)的工作量也越來越大,為了提高設(shè)備操作以及維護(hù)和管理的效率,KVM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。KVM由Avocent公司于2000年首次提出,是鍵盤(Keyboard)、視頻顯示器(Video)、鼠標(biāo)(Mouse)的英文縮寫,即用一套或數(shù)套鍵盤、顯示器和鼠標(biāo)在多個(gè)不同操作系統(tǒng)的多臺主機(jī)(包括服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)之間切換,實(shí)現(xiàn)一個(gè)用戶使用一套鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器去訪問和操作一臺以上主機(jī)的功能[2-4]。使用KVM技術(shù)可以減少外設(shè),節(jié)省空間,同時(shí)提高系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員的工作效率,在軍用環(huán)境,諸如通訊系統(tǒng)、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)等大系統(tǒng)是由多個(gè)分系統(tǒng)或設(shè)備組成,而且多為機(jī)柜形式,管理和操作人員面對的計(jì)算機(jī)的數(shù)量不是很多,但是對系統(tǒng)或設(shè)備保證正常運(yùn)行的可靠性要求極高,宕機(jī)時(shí)間要求極為嚴(yán)格,在戰(zhàn)爭中,幾分鐘的宕機(jī)時(shí)間就可能付出極大的代價(jià)。相對于民用環(huán)境而言,在軍用環(huán)境下(如在艦艇、潛艇中),對系統(tǒng)和設(shè)備的空間和管理以及維護(hù)的效率要求較高,因此,可以運(yùn)用KVM 技術(shù)來節(jié)約空間和方便管理維護(hù),從而提高軍用設(shè)備管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[5]。

OSD(On Screen Display)即在屏顯示系統(tǒng),是一種應(yīng)用在電視機(jī)或監(jiān)視器上,在屏幕上疊加字符信息或特殊的圖形,讓使用者得到一些訊息的電子裝置。OSD面向用戶提供友好的人機(jī)界面,被廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集顯示、信息發(fā)布等各種領(lǐng)域[6-7]。

本文應(yīng)用KVM-OSD技術(shù)設(shè)計(jì)了KVM切換模塊,介紹 KVM 切換模塊的設(shè)計(jì)框圖,并分別對 VGA切換,USB切換及OSD字符疊加原理進(jìn)行闡述,最后簡述了該模塊在指火控系統(tǒng)中的應(yīng)用并給出結(jié)論。

1 KVM切換模塊設(shè)計(jì)框圖

本文設(shè)計(jì)的 KVM切換系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)用按鍵控制兩路VGA視頻信號進(jìn)行2選1切換,按鍵控制兩路USB信號進(jìn)行2選1切換,可用于USB鍵盤與鼠標(biāo)切換。該模塊由輸入端口、選擇與控制、輸出端口三個(gè)部分組成,如圖1所示。

圖1 KVM切換模塊設(shè)框

輸入端口由2路VGA信號輸入、2路鍵盤信號輸入(USB接口)、2路鼠標(biāo)信號輸入(USB接口)以及三個(gè)切換按鍵組成,其中三個(gè)按鍵分別控制 VGA、鍵盤與鼠標(biāo)的切換。

選擇與控制部分主要由多路視頻選擇器、單片機(jī)及 OSD字符疊加三個(gè)模塊組成,該部分完成切換按鍵響應(yīng)并生成控制菜單與輸入VGA的疊加顯示。

輸出端口主要包括VGA輸出(外接顯示器)、鍵盤與鼠標(biāo)的輸出端口,實(shí)現(xiàn)顯示及控制信號的輸入輸出。

2 多路視頻選擇與多路USB選擇切換

多路視頻選擇器可以實(shí)現(xiàn)多選一或者一分多兩種模式的視頻選擇,本模塊 VGA切換選用 MAXIM公司的高分辨率視頻切換芯片 MAX4885[8],通過按鍵控制,實(shí)現(xiàn)2選1 VGA信號的切換。該芯片采用+5V 供電,低導(dǎo)通電阻為 5?,工作溫度為-40°C～+85°C。用該芯片實(shí)現(xiàn)VGA切換的原理如圖2所示,兩路VGA信號輸入至MAX4885,通過按鍵控制實(shí)現(xiàn)2選1輸出,并在輸出端增加處理電路,以保證輸出信號的完整性。

圖2 VGA切換原理圖

放大與驅(qū)動電路主要實(shí)現(xiàn) VGA選擇器輸出的R、G、B模擬信號的放大功能,該電路采用ADA4861-3運(yùn)放視頻集成放大器[9],?3 dB信號帶寬370MHz,0.1dB 帶寬 100MHz,斬波率為 750 V/μs,固定增益為+2,原理框圖如圖3所示。

圖3 ADA4861-3應(yīng)用框圖

多路 USB選擇器能實(shí)現(xiàn)多選一的輸出,本模塊采用 MAXIM 公司高速差分信號切換芯片MAX4899AE[10],通過按鍵控制,實(shí)現(xiàn)2選1的鍵盤或鼠標(biāo)信號的切換,該芯片支持 4選 1擴(kuò)展,兼容USB2.0標(biāo)準(zhǔn),采用3.3V供電,-3dB信號帶寬為425MHz,低導(dǎo)通電阻為 4?,工作溫度為-40°C to+85°C,用該芯片實(shí)現(xiàn) USB切換的原理如圖 4所示,兩路 USB(鍵盤或鼠標(biāo))信號輸入至 MAX4899AE,通過按鍵控制實(shí)現(xiàn)2選1信號輸出。

圖4 USB切換原理圖

3 OSD字符疊加

目前實(shí)現(xiàn)OSD的方式通常有三種:使用OSD專用集成芯片;無需專門的OSD芯片,通過直接操作視頻的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),來完成 OSD信息和視頻信息的疊加;在專用功能芯片內(nèi)部集成 OSD功能[11]。由于模塊內(nèi)部印制板尺寸的限制及低成本,本模塊采用第二種方式實(shí)現(xiàn) OSD字符疊加功能,實(shí)現(xiàn)框圖如圖 5所示。

圖5 OSD字符疊加模塊框圖

OSD字符疊加模塊由鎖相環(huán)、OSD控制、顯存和疊加四個(gè)部分組成。鎖相環(huán)用來產(chǎn)生行、場時(shí)鐘同步信號,并將時(shí)鐘信號輸入到顯存中,使得在視頻上疊加字符時(shí)獲得與發(fā)端同頻同相的同步信號;單片機(jī)(AT89C51)接收按鍵上傳來的各種控制命令,然后根據(jù)接收的命令控制相應(yīng)的多路選擇器芯片,完成相應(yīng)通道的選擇和切換工作,OSD控制部分則將切換后的信息輸入到顯存中并對顯存進(jìn)行控制;顯存存儲著需要在視頻上疊加的字符信息,當(dāng)行、場計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到指定的行和列時(shí),顯存中的數(shù)據(jù)流就可以在屏幕上疊加顯示相應(yīng)的字符信息,字符疊加原理如圖6所示。

圖6 字符疊加原理

4 KVM-OSD技術(shù)的應(yīng)用

利用KVM-OSD技術(shù)設(shè)計(jì)的KVM切換模塊,滿足用戶視頻、鍵盤和鼠標(biāo)信號切換的要求,應(yīng)用于指火控系統(tǒng)VGA視頻與USB操控部件切換,按照用戶要求將其安裝在指火控系統(tǒng)多功能操控臺某側(cè),并可以在安裝部位正常拆卸。該模塊蓋板上安裝有三個(gè)按鍵,分別用來控制視頻、鍵盤與鼠標(biāo)的切換。VGA切換采用高分辨率技術(shù),最高支持 1600*1200高清分辨率,RGB信號增益為 2,最高信號帶寬 350 MHz,支持DDC信號;USB切換支持USB2.0,向下兼容,直流電源電壓為5 V±2%;功耗小于5W,工作溫度為-15℃～55℃。對該模塊進(jìn)行模塊級、單元級環(huán)境應(yīng)力篩選,并進(jìn)行了可靠性考核試驗(yàn)的驗(yàn)證,證明了該模塊具有良好的可靠性與穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文簡要介紹了KVM與OSD技術(shù)概念及其在民品與軍品環(huán)境的應(yīng)用,應(yīng)用KVM-OSD技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了KVM切換模塊并將其應(yīng)用于某軍用指火控系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)VGA視頻與USB操控部件切換,該模塊的設(shè)計(jì)很好地貫徹了通用化、系列化與組合化的設(shè)計(jì)思想,并通過了可靠性考核試驗(yàn),在軍用環(huán)境中得到了很好的實(shí)踐驗(yàn)證,該模塊滿足了軍用系統(tǒng)的可靠性、可維修性,測試性、安全性與保障性的要求,方便了使用人員的操作,相信KVM技術(shù)在軍品環(huán)境領(lǐng)域會有更廣泛地應(yīng)用。

[1]雷永鋒.基于OSD選單的KVM系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2008,32(1):50-52.

[2]費(fèi)林淵.基于 KVM 技術(shù)的變電站后臺系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)視方案[J].電工技術(shù),2009(8):16-17,24.

[3]于治樓,陳乃闊,牛玉峰.KVM 控制器的分類與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),2010(2):18-20.

[4]張哲,徐正山,等.基于 KVM 技術(shù)的調(diào)度臺解決方案及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(2):106-107.

[5]陳劍峰.KVM 技術(shù)在軍用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2004(增刊):44-45.

[6]周立功單片機(jī)專欄.基于Actel FPGA的OSD字符疊加方案[J].電子產(chǎn)品世界,2010(增刊1):87-88.

[7]周立功單片機(jī)專欄.基于Actel FPGA的KVM-OSD控制方案[J].電子產(chǎn)品世界,2011(5):72-73.

[8]MAXIM.MAX4885 datasheet [EB/OL].http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/5186,2006.

[9]ANALOG DEVICES.ADA4861-3 datasheet [EB/OL].http://www.analog.com/en/all-operational-amplifiers-o p-amps/operational-amplifiers-op-amps/ada4861-3/pro ducts/product.html,2006.

[10]MAXIM.MAX4899 datasheet[EB/OL].http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/5233,2006.

[11]丁鐵夫.Readertek平板顯示控制芯片的OSD設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示,2009,24(2):238-242.