KVM信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

朱　琳，趙永國(guó)，李　倩，侯憲倫

（山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東省機(jī)器人與制造自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250014）

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KVM信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

朱琳*，趙永國(guó)，李倩，侯憲倫

（山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東省機(jī)器人與制造自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250014）

摘要：為了實(shí)現(xiàn)視頻和鍵盤(pán)鼠標(biāo)信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸，以微處理器、ISL59911和ISL59311芯片為核心，研制了一款低成本的KVM （Keyboard Video Mouse）信號(hào)雙絞線(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括發(fā)送模塊和接收模塊兩個(gè)部分，分別完成對(duì)視頻和鍵盤(pán)鼠標(biāo)信號(hào)的發(fā)送和接收處理。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用本設(shè)計(jì)的視頻和鍵鼠信號(hào)傳輸距離可達(dá)200 m，廣泛用于安防和工控領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：集成電路；遠(yuǎn)程傳輸；ISL59911；ISL59311；KVM；PS/2

項(xiàng)目來(lái)源：山東科學(xué)院2015年青年基金項(xiàng)目；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2013FM026）；國(guó)際合作項(xiàng)目（2014DFR10620）；山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（2014ZZCX04303）

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、安防等很多領(lǐng)域，主機(jī)的KVM （Keyboard Video Mouse）信號(hào)需要傳輸一段距離來(lái)方便用戶(hù)使用，通常這個(gè)距離在幾十米到數(shù)百米。主機(jī)的視頻信號(hào)接口多數(shù)都是采用VGA（Video Graphics Array）接口，VGA是一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)。主機(jī)上廣泛應(yīng)用的鍵盤(pán)和鼠標(biāo)多是PS/2接口。VGA信號(hào)和PS/2信號(hào)有個(gè)共同的缺點(diǎn)是易受到外界干擾，不適合遠(yuǎn)距離傳輸。

為了提高KVM信號(hào)的傳輸距離，需要對(duì)信號(hào)預(yù)處理，以減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾和衰減。采用5類(lèi)以及5類(lèi)以上（CAT-5/5e/6）非屏蔽雙絞線(xiàn)UTP（Unshielded Twisted Pair）進(jìn)行視頻和鍵鼠信號(hào)傳輸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，并且由于利用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，抗干擾能力較強(qiáng)，可以用于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸［1-6］。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套KVM信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能和可靠性。

1　遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

KVM信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)從功能上可以分為VGA遠(yuǎn)程傳輸和鍵鼠遠(yuǎn)程傳輸兩個(gè)部分，從模塊上可以分為發(fā)送模塊和接收模塊，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。來(lái)自主機(jī)端單端模擬視頻信號(hào)由VGA接口進(jìn)入發(fā)送模塊，通過(guò)VGA信號(hào)處理單元轉(zhuǎn)成差分信號(hào)并送到RJ45遠(yuǎn)程傳輸端口，利用CAT-5類(lèi)非屏蔽雙絞線(xiàn)中的三對(duì)差分線(xiàn)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸?shù)浇邮漳K后，接收模塊將接收到的差分信號(hào)通過(guò)VGA信號(hào)處理單元轉(zhuǎn)成單端信號(hào)并送給VGA接口，供遠(yuǎn)端顯示使用。遠(yuǎn)端的鍵盤(pán)鼠標(biāo)通過(guò)鍵鼠接口接到接收模塊，經(jīng)過(guò)微處理器識(shí)別后的鍵鼠信號(hào)轉(zhuǎn)成串口RS232信號(hào)，由于RS232信號(hào)也存在傳輸距離短，抗干擾能力差等缺點(diǎn)，進(jìn)一步通過(guò)MAX485芯片轉(zhuǎn)成差分信號(hào)并送到RJ45遠(yuǎn)程傳輸端口，利用CAT-5類(lèi)非屏蔽雙絞線(xiàn)中的第4對(duì)差分線(xiàn)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸?shù)桨l(fā)送模塊后首先通過(guò)MAX485將差分的鍵鼠信號(hào)轉(zhuǎn)成單端的RS232信號(hào)，經(jīng)過(guò)微處理器識(shí)別后再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PS/2鍵鼠信號(hào)送到鍵鼠接口，來(lái)對(duì)主機(jī)進(jìn)行控制。

圖1　KVM信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)框圖

2　VGA信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

VGA信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)包括發(fā)送端和接收端。發(fā)送端將單端VGA信號(hào)轉(zhuǎn)成差分信號(hào)送到RJ45遠(yuǎn)程傳輸端，通過(guò)CAT-5類(lèi)非屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸至遠(yuǎn)程端，遠(yuǎn)程端將差分信號(hào)接收到經(jīng)過(guò)處理后轉(zhuǎn)成單端的視頻信號(hào)接入VGA接口供遠(yuǎn)端顯示使用。

2.1VGA信號(hào)發(fā)送端

單端的VGA信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中容易受到外界的干擾，傳輸距離越長(zhǎng)衰減越大，造成信號(hào)不能正確讀取。因此，VGA信號(hào)在進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸前需要先轉(zhuǎn)成差分信號(hào)。本系統(tǒng)發(fā)送端選用ISL59311為單端至差分信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器。ISL59311是Intersil公司生產(chǎn)的帶同步編碼的高帶寬（250 MHz）3路差分驅(qū)動(dòng)器，可對(duì)視頻同步信號(hào)進(jìn)行完整的編碼，它的輸入適合處理單端或差分形式的高速視頻或其他通信信號(hào)。高帶寬也使得差分信號(hào)在標(biāo)準(zhǔn)雙絞線(xiàn)或同軸電纜線(xiàn)上有非常低的諧波失真，同時(shí)，內(nèi)部反饋保證輸出有穩(wěn)定的增益和相位，以減少輻射的電磁干擾和諧波。嵌入邏輯將標(biāo)準(zhǔn)的視頻水平和垂直同步信號(hào)編碼到雙絞線(xiàn)的共模信號(hào)上，因此不需要另外的線(xiàn)纜來(lái)傳輸同步信號(hào)。相比單一的驅(qū)動(dòng)器，大大降低了系統(tǒng)成本。ISL59311的原理框圖如圖2所示。

視頻信號(hào)通過(guò)VGA接口與ISL59311輸入端的75 Ω的終端電阻相連，5路單端信號(hào)（RGB顏色信號(hào)以及行場(chǎng)同步信號(hào)）分別與ISL59311輸入端的INA+、INB+、INC+以及HSYNC和VSYNC相連，其負(fù)顏色分量INA-、INB-、INC-接地。單端的RGB信號(hào)被轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，HSYNC和VSYNC在3個(gè)差分信號(hào)各自的共模信號(hào)上進(jìn)行編碼。ISL59311 的50 Ω終端輸出驅(qū)動(dòng)差分R、G、B信號(hào)，通過(guò)CAT-5雙絞線(xiàn)電纜中三對(duì)線(xiàn)纜進(jìn)行傳輸。本設(shè)計(jì)中選取單電源供電，供電電壓取5 V，芯片的總功耗約為0.3 W。

圖2　ISL59311的原理框圖

2.2VGA信號(hào)接收端

VGA信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的接收模塊采用ISL59911，它是三通道差分接收器和均衡器，帶寬為250 MHz，適用于RGB視頻信號(hào)處理。ISL59911的原理框圖如圖3所示。ISL59911具有手動(dòng)和自動(dòng)偏移校準(zhǔn)功能，±4 dB的增益調(diào)整范圍，調(diào)整精度為0.1 dB。ISL59911有一個(gè)Enable輸入引腳，當(dāng)此引腳為低電平時(shí)，放大器進(jìn)入低功耗模式，輸出高阻態(tài)。

ISL59911可對(duì)水平和垂直方向上的信息進(jìn)行共模譯碼，該信息由ISL59311的3個(gè)差分輸入端編碼，因此僅用3對(duì)電纜，就可完整地傳輸RGB視頻信號(hào)和行場(chǎng)同步信號(hào)。ISL59911為雙電源供電，供電電壓的范圍為±5 V，邏輯值在0～+5 V之間，芯片的總功耗約為1.1 W。

ISL59911還有一個(gè)重要的特點(diǎn)是具備I2C（Inter-Integrated Circuit）接口，在本設(shè)計(jì)中將I2C接到接到微處理器。微處理器通過(guò)該接口完成對(duì)ISL59911芯片的初始化和校準(zhǔn)，并且可以通過(guò)修改ISL59911內(nèi)部寄存器的值來(lái)設(shè)置VGA信號(hào)在CAT-5類(lèi)非屏蔽雙絞線(xiàn)要傳輸?shù)木嚯x。

圖3　ISL59911的原理框圖

3　鍵鼠信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

常見(jiàn)的鍵鼠信號(hào)采用PS/2接口協(xié)議，不適合遠(yuǎn)距離傳輸。要把鍵鼠信號(hào)做遠(yuǎn)距離傳輸需要對(duì)鍵鼠信號(hào)進(jìn)行處理。鍵鼠信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的核心是微處理器，它識(shí)別和轉(zhuǎn)換PS/2鍵鼠信號(hào)并且以串口通訊模式進(jìn)行信號(hào)傳輸［7-10］。本系統(tǒng)采用AT89S52作為鍵鼠信號(hào)處理的微處理器，它是Atmel公司生產(chǎn)的低功耗、高性能、片內(nèi)含8 kbyte Flash的單片機(jī)，支持在系統(tǒng)編程，具有外圍硬件電路簡(jiǎn)單，體積小，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

在發(fā)送模塊，遠(yuǎn)端接收模塊送來(lái)差分的RS485信號(hào)先由MAX485轉(zhuǎn)成單端的RS232信號(hào)，之后送給AT89S52，由AT89S52識(shí)別出鍵鼠信號(hào)以后再通過(guò)其IO端口模擬PS/2協(xié)議將相應(yīng)的鍵鼠信號(hào)發(fā)給控制主機(jī)［11］，完成對(duì)主機(jī)的控制。圖4是發(fā)送端微處理器軟件流程圖。

圖4　發(fā)送模塊微處理器軟件流程圖

在接收模塊，AT89S52接收由鍵鼠設(shè)備發(fā)來(lái)的PS/2信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后識(shí)別到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)微處理器自身的串口將數(shù)據(jù)以RS232發(fā)送出來(lái)，之后經(jīng)過(guò)MAX485芯片將單端的RS232信號(hào)轉(zhuǎn)成RS485差分信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。接收模塊微處理器的軟件流程圖如圖5所示。

圖5　接收模塊微處理器軟件流程圖

4　PCB疊層和阻抗設(shè)計(jì)

由于單端的VGA信號(hào)和差分VGA信號(hào)均為高速信號(hào)，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，PCB板的設(shè)計(jì)采用了四層板，有獨(dú)立的電源層和地層。根據(jù)PCB廠家的制程能力，設(shè)計(jì)的四層板疊層結(jié)構(gòu)如下表1所示。

表1　PCB疊層設(shè)計(jì)

單端的VGA走線(xiàn)的阻抗為75 Ω，差分VGA走線(xiàn)為100 Ω。根據(jù)設(shè)計(jì)的PCB疊層結(jié)構(gòu)，采用Polar SI9000計(jì)算75 Ω表層走線(xiàn)的線(xiàn)寬為6 mil，100 Ω表層差分走線(xiàn)線(xiàn)寬為10 mil，線(xiàn)間距10 mil。同時(shí)為了減少走線(xiàn)阻抗跳變，高速信號(hào)走線(xiàn)下面的地平面保持完整。

5　測(cè)試結(jié)果

遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)發(fā)送模塊和接收模塊單板實(shí)驗(yàn)電路調(diào)試完畢后，搭建了測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。發(fā)送模塊靠近電腦主機(jī)，通過(guò)KVM線(xiàn)纜接到主機(jī)的VGA和鍵鼠接口，再通過(guò)UTP雙絞線(xiàn)接到接收模塊。接收模塊的VGA接口通過(guò)VGA線(xiàn)纜接到液晶顯示器上，鍵鼠接口接鍵鼠外設(shè)，實(shí)驗(yàn)UTP雙絞線(xiàn)的長(zhǎng)度約為30 m。

對(duì)系統(tǒng)上電以后，將顯示器的分辨率設(shè)置為1 600 pixel×900 pixel，觀察液晶顯示器上的圖像，發(fā)現(xiàn)圖像顯示清晰，沒(méi)有拖尾和閃爍。鍵鼠功能正常，可以通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)主機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了KVM的遠(yuǎn)程傳輸功能。通過(guò)修改ISL59911寄存器的值，UTP雙絞線(xiàn)的長(zhǎng)度理論上可以達(dá)到200 m。

圖6　KVM遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)試驗(yàn)

6　結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款低成本的KVM信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，采用CAT-5e類(lèi)UTP雙絞線(xiàn)傳輸VGA和鍵鼠信號(hào)，經(jīng)過(guò)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試該系統(tǒng)可以完成30 m的KVM信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸，視頻圖像清晰，沒(méi)有拖尾和閃爍，理論傳輸距離可以達(dá)到200 m，抗干擾能力強(qiáng)，可以廣泛的用于安防和工控領(lǐng)域。該系統(tǒng)目前已經(jīng)成功用于碼垛機(jī)器人示教器項(xiàng)目上，運(yùn)行穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

［1］李致金，吳文娟. VGA信號(hào)分配及遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（23）：168-173.

［2］陳建平，張輝.高分辨率VGA模擬差分信號(hào)處理技術(shù)與應(yīng)用［J］.軟件，2011，32（12）：59-62.

［3］任君，徐超，李周奎，等.高清視頻VGA模擬差分信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)技術(shù)，2013，39（5）：433-437.

［4］劉廣法，胡曉吉.基于TMDS差分技術(shù)的VGA長(zhǎng)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32（6）：2179-2204.

［5］Charly EL-Khoury. Equalization and Pre-Emphasis Enable Use of 30-Meter Cat-5 UTP Cable［J］. Analog Dialogue，2009，43（1）：6-8.

［6］Pearson，Jonathan. Adjustable Cable Equalizer Combines Wide?band Differential Receiver with Analog Switches［J］. Analog Dia?logue，2004，38（7）：13-16.

［7］張根寶，李露.基于STM32的PS/2數(shù)字鍵盤(pán)通信協(xié)議模擬與實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2014，37（3）：579-582.

［8］張軼飛，張智詮. PS/2鍵盤(pán)鼠標(biāo)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電氣自動(dòng)化，2006，28（2）：45-46.

［9］吳漢權(quán)，萬(wàn)宇杰.基于AVR單片機(jī)的PS/2鍵盤(pán)接口擴(kuò)展技術(shù)應(yīng)用研究［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2008，27（9）：72-74.

［10］尹勇，李澄.基于arm7的嵌入式系統(tǒng)的PS/2鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.電子器件，2007，30（5）：1878-1880.

［11］李克訥，蔡炳煌，劉蘭蘭.基于MCS-51單片機(jī)的PS/2模擬鍵盤(pán)接口的設(shè)計(jì)研究［J］.中山大學(xué)研究生學(xué)刊，2008，29（3）：50-61.

朱琳（1982-），男，漢族，山東棗莊人，山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所副研究員，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人及運(yùn)動(dòng)控制器等，zhulin_4357@126.com。

A Method Designed for Improving Data Storage Rate and Reliability of Storage System*

CAO Xun，ZHAO Dong’e*，LI Zhicheng，ZHANG Bin

（Key Laboratory of Instrument Science and Dynamic Measurement Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：As the fragment velocity measurement system for high data storage rate and reliability requirements pres?ents a fast data storage scheme based on pipeline design and establishes a virtual memory to manage the FLASH bad block list based on FPGA chip. This method reduces the average response time and makes the data storage rate 2 times faster. Meanwhile，the virtual memory can manage the Flash bad block list easily and block bad blocks effec?tively，then ensure the reliability of the fragment data storage. Tests show that the method improves the data storage rate raised to 2.4 Mbyte/s which is 3 times as original rate. The reliability of data storage is 100%. This method im?proves data storage rate and reliability effectively.

Key words：storage test；storage rate；pipeline design；bad block management

doi：EEACC：7320E；0170N10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.031

收稿日期：2015-03-16修改日期：2015-04-21

中圖分類(lèi)號(hào)：TN431

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0148-04