新一代鐵路計算機(jī)雙機(jī)切換與外設(shè)延長系統(tǒng)的研究

宋 宇，曹桂均，王 健，姚宇峰

（中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，北京100081）

計算機(jī)雙機(jī)仲裁切換設(shè)備（簡稱雙機(jī)切換設(shè)備）從20世紀(jì)80年代初開始引入我國鐵路車站計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)和駝峰自動化控制系統(tǒng)，迄今已有近30年的歷史。從最初的繼電器電路切換方式發(fā)展到嵌入式計算機(jī)軟件切換方式，計算機(jī)雙機(jī)仲裁切換設(shè)備在技術(shù)上取得了巨大的進(jìn)步，已廣泛應(yīng)用在鐵路各種雙機(jī)熱備型計算機(jī)系統(tǒng)中。

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

長期以來，雙機(jī)切換設(shè)備和外設(shè)延長設(shè)備一直由不同的廠家進(jìn)行開發(fā)和生產(chǎn)，功能相對獨立，使用中存在兩臺計算機(jī)發(fā)生主備用狀態(tài)切換后，外設(shè)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(shè)延長設(shè)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(yīng)用受到很大限制。

新一代鐵路計算機(jī)雙機(jī)切換與外設(shè)延長系統(tǒng)是在上述兩種設(shè)備已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過功能整合與技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)合蘭州北編組站綜合自動化（SAM）系統(tǒng)的工程實施需求研發(fā)而成。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新一代鐵路計算機(jī)雙機(jī)切換與外設(shè)延長系統(tǒng)由主機(jī)端和操控端兩部分組成，通過9芯光纜把主機(jī)端2臺工業(yè)控制計算機(jī)（簡稱工控機(jī)）的外設(shè)信號延長到操控端的外圍設(shè)備，如圖1。

圖1 新一代鐵路計算機(jī)雙機(jī)切換與外設(shè)延長系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

主機(jī)端與操控端之間通過9芯光纜延長外設(shè)信號，1芯用于鍵盤、鼠標(biāo)、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(jī)外設(shè)一側(cè)，可連接1個PS/2鍵盤、1個PS/2鼠標(biāo)、1個串口鼠標(biāo)、2個DVI視頻和1個音頻。

2 系統(tǒng)原理

2.1 雙機(jī)切換原理

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

圖2 新一代鐵路計算機(jī)雙機(jī)切換與外設(shè)延長系統(tǒng)雙機(jī)切換原理

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

主機(jī)端除了根據(jù)心跳消息自動切換工控機(jī)A和工控機(jī)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(shè)切換延長原理

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

圖3 新一代鐵路計算機(jī)雙機(jī)切換與外設(shè)延長系統(tǒng)外設(shè)切換延長原理

外設(shè)切換延長功能分為 “調(diào)試”和“工作”2種模式，通過設(shè)在主機(jī)端面板上的開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。在“調(diào)試”模式下，主機(jī)端選擇的外設(shè)信號不與工控機(jī)A和工控機(jī)B的主備用狀態(tài)發(fā)生關(guān)聯(lián)，外設(shè)信號可以通過面板上的按鈕手動切換。在“工作”模式下，主機(jī)端始終選擇當(dāng)前主用工控機(jī)的外設(shè)信號進(jìn)行延長，當(dāng)工控機(jī)A和工控機(jī)B的主備用狀態(tài)發(fā)生切換時，主機(jī)端輸出的外設(shè)信號也自動進(jìn)行切換，此模式下外設(shè)信號手動切換方式失效。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 主機(jī)端

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

圖4 新一代鐵路計算機(jī)雙機(jī)切換與外設(shè)延長系統(tǒng)主機(jī)端硬件設(shè)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(zhuǎn)換為DC5 V電源供其他模塊使用，任意一個電源模塊發(fā)生故障都不會影響整個設(shè)備的供電。

（2）視頻接口模塊

選擇A機(jī)或B機(jī)視頻信號中的一路，轉(zhuǎn)換成光信號后進(jìn)行輸出，其中視頻接口及光收發(fā)模塊I用于選擇A機(jī)與B機(jī)的視頻信號I，轉(zhuǎn)換后輸出4路光纖信號，視頻接口及光收發(fā)模塊II用于選擇A機(jī)和B機(jī)的視頻信號II，轉(zhuǎn)換后也輸出4路光纖信號。

（3）鍵鼠音串接口模塊

選擇A機(jī)或B機(jī)鍵鼠音串信號中的一路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行輸出。該模塊提供視頻接口及光收發(fā)模塊I和視頻接口及光收發(fā)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(chǎn)生或雙機(jī)切換控制模塊產(chǎn)生。

（4）鍵鼠音串光收發(fā)模塊

將鍵鼠音串接口模塊傳來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給鍵鼠音串接口模塊。

（5）雙機(jī)切換控制模塊

接收A機(jī)和B機(jī)送來的心跳信號，選擇2臺計算機(jī)中的一臺作為主用機(jī)，另一臺作為備用機(jī)。當(dāng)主用機(jī)與備用機(jī)狀態(tài)切換時，自動發(fā)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(jī)雙機(jī)切換與外設(shè)延長系統(tǒng)操控端由電源模塊，視頻接口及光收發(fā)模塊I，視頻接口及光收發(fā)模塊II，鍵鼠音串接口模塊和鍵鼠音串光收發(fā)模塊組成，如圖5。

圖5 新一代鐵路計算機(jī)雙機(jī)切換與外設(shè)延長系統(tǒng)操控端硬件設(shè)計

（1）電源模塊

將外接AC220 V電源轉(zhuǎn)換為DC5 V電源供其他模塊使用。

（2）視頻接口及光收發(fā)模塊

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

（3）鍵鼠音串接口模塊

將鍵盤、鼠標(biāo)、音箱等外設(shè)傳來的模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給鍵鼠音串光收發(fā)模塊；將鍵鼠音串光收發(fā)模塊傳來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號傳輸給鍵鼠音串設(shè)備。

（4）鍵鼠音串光收發(fā)模塊

將鍵鼠音串接口模塊傳來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光信號傳輸給主機(jī)端；將主機(jī)端傳來的鍵鼠音串光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給鍵鼠音串接口模塊。

3.2 軟件設(shè)計

新一代鐵路計算機(jī)雙機(jī)切換及外設(shè)延長系統(tǒng)的控制軟件內(nèi)置于主機(jī)端控制芯片中，軟件主要實現(xiàn)雙機(jī)切換控制邏輯和外設(shè)通道切換控制邏輯。

3.2.1 雙機(jī)切換控制邏輯

雙機(jī)切換控制邏輯流程如圖6。

圖6 雙機(jī)切換控制邏輯流程圖

3.2.2 外設(shè)通道切換控制邏輯

外設(shè)通道切換控制邏輯流程如圖7。

圖7 外設(shè)通道切換控制邏輯流程圖

4 結(jié)束語

新一代鐵路計算機(jī)雙機(jī)切換與外設(shè)延長系統(tǒng)把設(shè)備功能有機(jī)地結(jié)合在一起，在1 920×1 200分辨率條件下可將主機(jī)與外圍設(shè)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(tǒng)的工程實施，該設(shè)備有望在未來的SAM系統(tǒng)項目中進(jìn)一步推廣使用。

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

[2] 李毅力. 新一代計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 [D] . 上海：上海交通大學(xué)，2005.

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