一種高分辨率模擬冗余共享器的設計

楊良勇，孫 聞，孫 琴

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

一種高分辨率模擬冗余共享器的設計

楊良勇1,2，孫 聞1,2，孫 琴1,2

（1.安徽華東光電技術研究所，安徽 蕪湖 241000；2.國家特種顯示技術研究中心，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與備份系統之間的高清KVM冗余共享顯示連接設備的設計；采用模塊化的設計，主要解決在冗余功能需求下的顯示拖尾、系統兼容、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域中空中交通指揮管制自動化系統（以下簡稱空管系統）是引導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來完成指揮和通信的任務。在指揮過程中不能夠出現因空管系統故障而造成無法指揮的情況，這就相應地對空管系統的運行可靠性提出了非常高的要求，為此空管系統中加入了備份空管系統。鍵盤、顯示器、鼠標（Keyboard Video Mouse，KVM）共享器是能夠實現多套鼠標、鍵盤、顯示器合一的專業設備，是主用系統與備份系統之間進行連接的關鍵設備，在主用系統出現故障時一鍵切換到備份系統。冗余共享器的概念是為了滿足系統對關鍵連接設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，即通過設計使兩套共享器冗余備份使用，當正在使用的共享器出現故障時可以在0.5 s內一鍵切換到冗余端使用，從而確保系統的正常工作。

目前，市場上普遍使用的是滿足Windows系統環境下的KVM產品，對于能夠支持Unix和Linux系統的設備比較少，國外的高端KVM共享器產品較為知名的有美國洛克希德馬丁公司和德國G&D公司生產的數字高分辨率KVM共享器產品，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。由于國內空管系統中高清模擬大屏顯示器數量較多，而單臺顯示器的價格高達40萬元，因此，高分辨率模擬冗余共享器有很大需求。

1 技術方案介紹

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，單通道視頻帶寬達到380 MHz，加上需要進行冗余設計，對電路的設計、印制電路板（ Printed Circuit Board，PCB）布線都提出了很高要求。設備電路主要由主用KVM微處理器模塊、主用現場可編程邏輯門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）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，主系統與備用系統都有高分辨率FPGA視頻處理模塊，主要用于接收和發送高分辨率視頻圖像，通過對視頻圖像進行優化算法處理可得到無重影、拖尾和串擾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與備用系統中，其作用是將處理后的高清視頻數據通過控制信號命令選擇正確的輸出線路。KVM微處理器從當前有效的服務器或工作站接收指令并做出相應應答，再將接收到的命令發送給鍵盤、鼠標，通過這些命令將鼠標鍵盤帶入合適的工作狀態，當鍵盤鼠標處于工作狀態時，微處理器接收來自鍵盤鼠標的數據，進行翻譯處理后發送給當前有效的服務器和工作站，對于當前無效的服務器或工作站，微處理器模擬實際的鍵盤鼠標對服務器或工作站發來的指令進行應答。

KVM微處理器在此系統中要同時扮演主機和從機的角色，由于鼠標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行中要合理精確地安排總線帶寬；由于服務器和工作站的廠家眾多，而操作系統也各不相同，所以對于鍵盤鼠標的通信協議也有一定差別，設計共享器的兼容性也是較大的難點。

1.4 高分辨率冗余切換模塊

由于空管系統的主用系統與備用系統都接至高分辨率模擬冗余共享器，在這種情況下，如果共享器本身發生故障也會造成空管系統的癱瘓。為此，對共享器進行硬件備份設計，即在主用KVM使用時，備用KVM共享器處于掉電狀態并與主用KVM無任何電氣連接。當發生故障時，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的接口電路中，同時將此選擇陣列的控制邏輯并聯在一起接到高頻數字電子開關上，通過控制高頻數字電子開關實現主用KVM和備用KVM的選擇。

1.5 技術難點

第一，實現超高分辨率視頻信號高質量傳輸，要求顯示無重影、拖尾、動態畫面無延遲；第二，在不同服務器、工作站以及不同的操作系統平臺下，實現鼠標、鍵盤的兼容性以及長時間穩定可靠工作。

通過設計電路板的層疊結構和線寬實現信號的阻抗匹配，并使同一組信號保持走線拓撲結構上的等長，結合軟件視頻處理算法，修正了視頻數據在傳輸中的誤碼、反射、串擾、傳輸延遲等問題，實現了高質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和光電鼠標的作兼容性處理，在收發函數時序上通過實驗精確調整收發時序，在主循環程序中設計防止程序跑飛的計時看門狗程序，主要通過這些技術處理實現了共享器長時間不掉電的穩定工作。

2 主要技術參數

高分辨率模擬冗余共享器技術指標如表1所示。

表1 高分辨率模擬冗余共享器技術指標

3 結語

隨著國內空管系統開發能力的提高，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開發出了滿足條件的系統，并在國內機場的空管系統升級改造中取代THALES等國外主流廠商的空管系統得到了大規模的應用，冗余共享器的設計、應用得到了相關空管系統單位的大力支持，已成功應用到包括上海、南昌等機場的空管系統中，該設計在國內外尚屬首創。

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

[2]蔡敬海，張振權.電子系統冗余設計及可靠性分析[J].光電技術應用，2016（1）：64-67.

[3]朱琳，趙永國，李倩，等.KVM信號遠程傳輸系統設計[J].電子器件，2016（1）：148-151.

[4]孫聞，楊良勇，徐文川.雙機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

蕪湖市科技計劃項目；項目編號：2015ZD07。

楊良勇（1973— ），男，安徽蕪湖人，工程師。