基于ATmega8的KVM擴展平臺設(shè)計

楊君寶，潘 巖，李 萌

（山東超越數(shù)控電子有限公司 山東 濟南 250104）

近年來，隨著計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及以及大眾對計算機進行商務(wù)、學(xué)習(xí)、生活、工作等需求的增長，計算機已經(jīng)成為人們學(xué)習(xí)和工作生活中不可或缺的高科技產(chǎn)品之一，現(xiàn)在計算機已經(jīng)進入實用階段，越來越多的人們擁有了自己的計算機。同時，隨著信息化建設(shè)的不斷深化，在人們?nèi)粘５墓ぷ魃钪?，許多辦公室或家庭需要同時使用多臺計算機。為了控制成本，節(jié)約機房的使用空間，提高效率，減少耗能，需要一種行之有效的設(shè)備對多個PC進行系統(tǒng)管理[1-2]。KVM切換技術(shù)應(yīng)運而生，KVM 是英語中鍵盤（Keyboard）、顯示器（Video）、鼠標(biāo)（Mouse）三個單詞第一個字母的縮寫，通過一套KVM可以實現(xiàn)對多臺PC的控制，從而實現(xiàn)集中管理操作[3-4]。

目前，使用比較多的是機械式切換器，它主要采用繼電器來實現(xiàn)切換，機械式切換器壽命短，切換次數(shù)有限，不適合長期使用[5]?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了采用專用視頻切換芯片的數(shù)字式切換器，視頻圖像清晰，可靠性高，但是價格比較昂貴，在一些對視頻圖像要求不高的場合使用效率不高。為此，本文利用模擬開關(guān)技術(shù)及單片機IAP技術(shù)設(shè)計了一個基于AVR單片機的KVM擴展平臺，擴展了KVM資源，實現(xiàn)了對多套PC設(shè)備的切換控制。

1 擴展平臺整體設(shè)計

電路、按鍵切換及指示電路、電源電路等四部分組成，擴展平臺結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中在信號擴展電路中，將信號擴展分成了VGA信號擴展、PS/2鍵鼠信號擴展和電源及地信號擴展3部分；機房里的PC設(shè)備通過被控PC接口與擴展平臺連接；一套顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)通過本地KVM連接到擴展平臺上。本平臺通過按鍵切換電路或者鍵盤熱鍵來控制信號切換開關(guān)，可是實現(xiàn)用一套KVM選擇性地控制6臺PC的功能，當(dāng)某一路PC被切換選擇時，切換指示電路會將相應(yīng)的指示燈點亮顯示。

從擴展平臺結(jié)構(gòu)圖中可以看出，本地KVM的鍵盤、鼠標(biāo)信號，通過信號擴展電路與被選擇的PC的鍵盤、鼠標(biāo)通道連通，PC接收來自鍵盤、鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)包并將其解碼、處理，而KVM的VGA信號通過信號擴展電路與選中PC機的視頻通道連通，同時將該PC設(shè)備的VGA信號傳送至KVM顯示器，從而實現(xiàn)VGA切換控制?；谝陨戏治觯撈脚_的設(shè)計主要有兩大部分組成：硬件設(shè)計與軟件實現(xiàn)。其中硬件電路上又有4部分組成：信號擴展電路、按鍵切換及指示燈電路、單片機切換控制電路、電源電路；軟件上主要有ATmega8單片機程序設(shè)計。

2 硬件設(shè)計

整個擴展平臺主要包括信號擴展電路、單片機切換控制

2.1 信號擴展電路設(shè)計

圖1 擴展平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Extend platform structure diagram

通過對KVM信號進行分析，整個KVM需要擴展的信號圖。在芯片選擇時要注意CD400系列芯片頻率不夠，應(yīng)該考慮74HC系列芯片，本平臺選用的模擬開關(guān)芯片是MM74HC4053和 MM74HC4051。

對于電源及地信號的擴展，由于模擬開關(guān)芯片最大允許500 mA的電流導(dǎo)通。而實際過程中電源及地中的電流可能大于500 mA，因此，不能單純的利用模擬開關(guān)進行擴展，需借助于MOS管（其導(dǎo)通能力較大）來實現(xiàn)。本平臺采用增強型MOS管配合三極管可以很好的達到增大電流的效果：通過三極管的導(dǎo)通、截止進而判定MOS管的通斷從而實現(xiàn)分路切換。圖3是部分電源及地信號擴展原理圖，在運用MOS管時一定要注意其導(dǎo)通和截止的條件。

2.2 單片機控制電路設(shè)計

從KVM引出來的11路信號，經(jīng)過擴展之后變成了11×6路，但是需要根據(jù)被控請求將其中一路與主信號連通，即要對6路擴展信號進行切換控制，以滿足平臺要求。采用單片機作為切換控制電路的核心控制器，單片機選用AVR單片分為VGA信號和PS/2信號。其中VGA信號主要有3路模擬信號（R、G、B 信號）和 2路數(shù)字信號（VSYNC、HSYNC 信號），PS/2信號主要包含 4路數(shù)字信號（MDATA、MCLK、KDATA、KCLK信號），另外將VGA信號及PS/2信號中的電源及地信號單獨拿出來進行擴展。運用模擬開關(guān)技術(shù)將每一路信號擴展成了6路。

模擬開關(guān)是一種根據(jù)相應(yīng)控制命令實現(xiàn)通斷模擬信號傳輸?shù)碾娐菲骷6]。模擬開關(guān)有開關(guān)特性和半導(dǎo)體特性雙重特性。模擬輸入信號電壓的過高或過低都會導(dǎo)致MOSFET管反向偏置，無法正常工作。因此在應(yīng)用模擬開關(guān)芯片時，一定要保證模擬信號的電壓在規(guī)定上午范圍內(nèi)[7]。用兩片4053就可以擴展成6路模擬信號，把它們的O/IA，O/IB，O/IC連在一起作為公共輸入端，通過控制A，B，C得高低從而選定與哪一路（AY，BY，CY）導(dǎo)通，用一片 4051就可以擴展 6路（最多可達8路）數(shù)字信號，圖2是部分VGA及PS/2信號擴展原理機，具體型號為ATmega8，這是一款基于RSIC結(jié)構(gòu)的低功耗8為單片機，最多23個可編程I/O口，可任意定義I/O的輸入/輸出方向；輸出時為推挽輸出，驅(qū)動能力強，輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設(shè)定內(nèi)部上拉電阻，省去外部上拉電阻。片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器[8]。該系列單片機是在AT90系列的基礎(chǔ)之上開發(fā)的，除了保留了AT90系列單片機的優(yōu)點之外，ATmega系列單片機的穩(wěn)定性和抗干擾性更強，使用更加靈活，功耗更低。圖4是單片機切換控制電路原理圖。

圖2 部分VGA及PS/2信號擴展原理圖Fig.2 Part of VGA and PS/2 signal extension principle diagram

單片機要實現(xiàn)兩個功能：讀取I/O口的信息來獲取相關(guān)的切換請求；根據(jù)切換請求通過自身的端口輸出對應(yīng)的切換命令至模擬開關(guān)的控制端口A、B、C。

電源電路設(shè)計中采用三端穩(wěn)壓器件將來自電源的+12 V/-12 V電壓變換成模擬開關(guān)芯片及單片機等芯片所需的工作電壓。在按鍵切換及指示電路設(shè)計中，通過復(fù)位按鍵將對應(yīng)的切換指令傳送給單片機，切換成功時單片機會將對應(yīng)的指示燈點亮。

圖3 電源及地信號擴展原理圖Fig.3 Part of power and ground signal extension principle diagram

圖4 單片機切換控制電路原理圖Fig.4 Single-chip switching control circuit principle diagram

3 擴展平臺軟件設(shè)計

擴展平臺切換功能實現(xiàn)的過程中利用了單片機的IAP技術(shù)（在應(yīng)用中可編程），ATmega8可以完成IAP的功能，即不需要特定的下載軟件，而只需要一根串口線，在單片機自己本身的控制下，利用固化在引導(dǎo)程序區(qū)內(nèi)的引導(dǎo)程序（BootLoader），通過串口將外部源程序?qū)懭隖lash應(yīng)用程序區(qū)的方法[9]。詳細(xì)來講：每次加電運行時，單片機都會先跳入引導(dǎo)程序區(qū)運行BootLoader程序，然后通過串口判斷外部是否有源程序下載命令，如果有下載指令，那么單片機首先擦除原來的程序代碼（按頁擦除），接著將目標(biāo)源程序從應(yīng)用程序區(qū)第一行位置開始寫入；如果沒有程序下載指令，則單片機直接跳入應(yīng)用程序區(qū)第一行位置開始執(zhí)行程序，由于目標(biāo)源程序編寫的都是LOOP循環(huán)程序，所以，只要串口沒有接收到下載指令單片機循環(huán)執(zhí)行該程序，從而實現(xiàn)了所需的功能。

KVM擴展平臺有兩種切換模式：熱鍵切換模式和按鍵切換模式，兩種切換模式的邏輯是相同的，但是切換條件和方式不同。KVM擴展平臺切換程序框圖如圖5所示。

圖5 切換控制流程圖Fig.5 Switch control flow chart

切換控制程序的編寫是在基于Arduino的開發(fā)環(huán)境下利用processing語言實現(xiàn)的。Arduino是集軟硬件于一體的開源電子平臺，平臺中包含了基于單片機的開源物理平臺以及開源的Arduino軟件開發(fā)環(huán)境，編寫的程序可讀性強。程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包含主程序、熱鍵切換子程序及按鍵切換子程序等。主程序主要是對各個子模塊進行初始化和調(diào)用子程序。熱鍵切換首先設(shè)定某個鍵盤按鍵為熱鍵，通過單片機不斷查詢鍵盤的KDATA信號，來判斷該熱鍵是否被按下來進行切換，若查詢到有熱鍵切換信號，則單片機按照順序進行循環(huán)切換，當(dāng)切換至第六臺PC時若還有熱鍵按下則會切換至第一臺PC設(shè)備。按鍵切換則是通過MCU不斷地查詢PC0~PC6端口，判斷按鍵是否被按下，進而通過I/O輸出對應(yīng)的切換指令實現(xiàn)切換。

4 結(jié) 論

該擴展平臺成功的結(jié)合了單片機IAP技術(shù)、模擬開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了在一套KVM設(shè)備下對6個PC設(shè)備的切換控制功能，其中VGA的R、G、B信號采用MM74HC4053芯片進行切換，其他信號采用MM74HC4051芯片進行切換。通過測試，視頻切換輸出信號良好、鍵盤鼠標(biāo)的靈敏度也比較好，達到了預(yù)期的設(shè)計要求。整個平臺擴展性很強，可根據(jù)要求實現(xiàn)對更多的設(shè)備的切換，造價低，在提高工作效率的同時還節(jié)省了空間。但是若對視頻輸出質(zhì)量的要求比較高，建議使用相關(guān)的視頻切換芯片和性能更強的控制芯片來設(shè)計VGA擴展模塊，在一些對視頻輸出質(zhì)量要求不高的場合，本平臺可以為其提供很好的視頻顯示及鍵鼠控制功能。

[1]許乃利，徐超，吳瓏.基于AVR單片機的KVM切換模塊的設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報，2010，31（8）:139-142.XU Nai-li，XU Chao，WU Long.Design of KVMswitch module based on AVR microcontroller[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2010，31（8）:139-142.

[2]夏海明，曹建.基于ATmega16的多路KVM切換器設(shè)計及應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用與軟件，2012，29（11）:229-231.XIA Hai-ming，CAO Jian.Design and application of multiplexer KVMswitches based on ATmega16[J].Computer Applications and Software，2012，29（11）:229-231.

[3]于治樓，陳乃闊，牛玉峰.KVM控制器的分類與設(shè)計[J].信息技術(shù)與信息化，2010（2）:18-20.YU Zhi-lou，CHEN Nai-kuo，NIU Yu-feng.Design and classification of the KVM controller [J].Information Technology and Informatization，2010（2）:18-20.

[4]ZHAO Ke-xin，SU Ling-li，HAO Guo-fen，et al.Research for optimization of KVMswitch[J].Instrument Techniques and Sensor，2010（9）:90-94.

[5]LI Shou-long.Implementation of generation algorithm in KVM[J].Computer Engineerring，2006（11）:69-71.

[6]宋吉江，牛軼霞，于春戰(zhàn)，等.CMOS模擬開關(guān)及其選擇問題[J].微電子技術(shù)，2001，29（3）：58-60.SONG Ji-jiang， NIU Yi-xia， YU Zhan-chun，et al.CMOS analog switch and its choices[J].Microelectronic Technology，2001，29（3）：58-60.

[7]楊君寶，劉蘊紅.基于AVR單片機的ELVIS II擴展平臺[J].測控技術(shù)，2013，32（7）:66-69.YANG Jun-bao，LIU Yun-hong.Design of ELVIS II expanded platform based on AVR[J].Measurement and Control Technology，2013，32（7）:66-69.

[8]包秀榮，王楠.AVR單片機的特點與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2004（6）:51-52.BAO Xiu-rong，WANG Nan.Feature and application of AVR microcontroller[J].Inner Mongolia Scientech and Economy，2004（6）:51-52.

[9]曹翊軍，薛升寧，郭寶龍.BOOTLOADER的原理及設(shè)計要點[J].電子元器件應(yīng)用，2008，10（1）：61-61，66.CAO Yi-jun，XUE Sheng-ning，GUO Bao-long.The principle and design points of bootloader[J].Electronic Component and Device Applications，2008，10（1）：61-61，66.