基于GD32F107的國產(chǎn)化KVM切換控制模塊設(shè)計

王子園，張 勇，閆康樂，伊庭睿

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司技術(shù)(研發(fā))中心,山西 太原 030024)

0 引言

在控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場景中,經(jīng)常使用KVM模塊進(jìn)行管理控制,來提高工作效率。KVM是Keyboard、Video、Mouse三個單詞首字母縮寫,也就是說KVM模塊是使用一個鍵盤、顯示器和鼠標(biāo),完成多個終端切換、訪問及控制等操作,達(dá)到節(jié)約運(yùn)營成本、提高效率的目的[1]。本文設(shè)計的KVM模塊采用全國產(chǎn)化硬件設(shè)計,可以同時與8臺計算機(jī)的鍵盤、鼠標(biāo)和視頻接口相連,實(shí)現(xiàn)8臺計算機(jī)信號的切換控制操作。

1 系統(tǒng)組成及原理

KVM切換控制模塊主要包含MCU主控電路、供電電路、VGA信號處理電路、USB切換電路和按鈕指示燈電路,原理框圖見圖1。

圖1 KVM切換控制模塊原理框圖

圖中,對8路VGA和USB信號進(jìn)行選擇輸出,其R、G、B、H、V信號分別經(jīng)8選1開關(guān)切換,輸出的單路VGA信號經(jīng)驅(qū)動后輸出顯示;USB信號經(jīng)切換開關(guān)選擇輸出1路至外部鍵盤鼠標(biāo)接口;主控CPU GD32F107功能是掃描模擬開關(guān)芯片實(shí)時判斷處理通道在線信息并對其使能端進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)8路VGA信號和USB信號的有序輸出。利用GD32F107控制8個手動切換按鈕,實(shí)現(xiàn)8路VGA和USB信號間的任意切換,同時給每路輸出信號增加指示燈加以指示。

2 電路設(shè)計

2.1 MCU主控電路

選用嵌入式ARM芯片GD32F107完成多路信號的切換選擇及按鈕指示燈電路的控制,該芯片集成了ARM CortexTM-M3 32位處理器內(nèi)核[2],接口豐富,響應(yīng)快,工作溫度范圍為-40 ℃～+85 ℃,適用于環(huán)境指標(biāo)惡劣場景。

2.2 供電電路

工作電壓輸入為DC5V,經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換為DC4V和DC3.3V供后端電路使用。VGA數(shù)字信號(HV)和USB信號均采用5 V供電,主MCU采用DC3.3V供電。VGA模擬信號(RGB)供電電壓和地與其它信號不同,防止其它信號對其干擾?？紤]到電路安全性和穩(wěn)定性,添加防反接和濾波電路設(shè)計。

2.3 VGA信號處理電路

2.3.1 VGA切換電路

上位機(jī)輸入的8路VGA信號,其R、G、B、H、V分別通過成都華微生產(chǎn)的多路復(fù)用器總線開關(guān)HWD5C3251 8選1切換,選擇輸入端I0～I(xiàn)7的數(shù)據(jù)至Y口輸出。該器件支持3 V～6 V電源供電,包含使能引腳可將開關(guān)置為高阻態(tài),具有低導(dǎo)通電阻、出色的差分增益和相位,有利于視頻應(yīng)用。單片機(jī)通過控制S0、S1、S2三個引腳的高低電平來選擇八通道中的一個開關(guān)輸出,且五片開關(guān)芯片的S0、S1、S2相互連通,可實(shí)現(xiàn)同時控制所有開關(guān)的通斷,在選通道功能表見表1。以R信號為例,電路設(shè)計見圖2。

表1 在選通道功能表

圖2 R信號八選一電路圖

2.3.2 VGA驅(qū)動電路

經(jīng)模擬開關(guān)輸出后,VGA信號產(chǎn)生電壓波動,且經(jīng)長線傳輸,輸出的信號有衰減,致使顯示器顯示效果不佳等問題,因此添加VGA驅(qū)動電路[3]。

9018型 NPN晶體管以其高頻率帶寬特性經(jīng)常被用于高頻電路中,這里以9018晶體管為主要放大器件搭配阻容元件來起到RGB信號放大的作用。以R信號為例,電路設(shè)計見圖3。

圖3 R信號放大電路圖

RS2G126是一款具有3態(tài)輸出的雙線驅(qū)動器,支持1.65 V～5.5 V供電,采用TSSOP-8封裝,使能端接高電平則芯片工作。HV信號緩沖電路見圖4。

圖4 HV信號緩沖電路圖

2.4 USB切換電路

USB切換電路選用南京沁恒的模擬開關(guān)芯片CH448,該芯片包含2路單刀八擲八選一開關(guān),支持3.3 V～5 V電源供電,具有高帶寬、低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)最多八路兩種信號同時進(jìn)行切換,是實(shí)現(xiàn)高速USB信號八選一切換的良好選擇。USB切換功能由單片機(jī)通過IO管腳控制CH448的SEL0、SEL1和SEL2實(shí)現(xiàn),當(dāng)切換到某一路顯示信號時,將對應(yīng)的USB信號切換為當(dāng)前使能。USB切換電路見圖5。

2.5 按鈕指示燈電路

該模塊設(shè)計8個手動切換按鈕和8個紅綠雙色指示燈,切換按鈕主要完成通道的選擇,指示燈紅燈亮,表示該路信號在線,已連接至KVM,指示燈綠燈亮,表示該路信號已選通。

3 軟件設(shè)計

KVM切換控制模塊軟件為嵌入式軟件,軟件開發(fā)環(huán)境為KEIL。軟件主要分為按鍵掃描部分和主控部分。按鍵掃描采用定時器中斷的方式,每隔10ms掃描一下按鍵狀態(tài),記錄鍵值;主控部分負(fù)責(zé)切換VGA和USB接口的通道,完成邏輯功能,監(jiān)控該模塊的工作狀態(tài)。KVM切換控制模塊軟件流程見圖6。

圖6 軟件流程圖

4 結(jié)論

該KVM切換控制模塊已成功應(yīng)用于某型一體機(jī),經(jīng)驗(yàn)證其工作性能良好。電路采用100%全國產(chǎn)化設(shè)計,對我國發(fā)展國產(chǎn)化KVM產(chǎn)品有良好的借鑒意義[4]。