KVM-OSD技术在指火控系统中的应用

王炳辉,窦 强,李相莲

(1.海军驻无锡地区军代室,江苏 无锡 214061;2.海军驻连云港地区军代室,江苏 连云港 222006;3.江苏自动化研究所,江苏 连云港 222006)

随着计算机的普及,大型网络和数据中心的发展以及机房设备密度增大,管理和维护的工作量也越来越大,为了提高设备操作以及维护和管理的效率,KVM技术应运而生[1]。KVM由Avocent公司于2000年首次提出,是键盘(Keyboard)、视频显示器(Video)、鼠标(Mouse)的英文缩写,即用一套或数套键盘、显示器和鼠标在多个不同操作系统的多台主机(包括服务器和网络设备等)之间切换,实现一个用户使用一套键盘、鼠标、显示器去访问和操作一台以上主机的功能[2-4]。使用KVM技术可以减少外设,节省空间,同时提高系统或网络维护人员的工作效率,在军用环境,诸如通讯系统、作战指挥系统等大系统是由多个分系统或设备组成,而且多为机柜形式,管理和操作人员面对的计算机的数量不是很多,但是对系统或设备保证正常运行的可靠性要求极高,宕机时间要求极为严格,在战争中,几分钟的宕机时间就可能付出极大的代价。相对于民用环境而言,在军用环境下(如在舰艇、潜艇中),对系统和设备的空间和管理以及维护的效率要求较高,因此,可以运用KVM 技术来节约空间和方便管理维护,从而提高军用设备管理系统的稳定性和可靠性[5]。

OSD(On Screen Display)即在屏显示系统,是一种应用在电视机或监视器上,在屏幕上叠加字符信息或特殊的图形,让使用者得到一些讯息的电子装置。OSD面向用户提供友好的人机界面,被广泛应用于视频监控系统、数据采集显示、信息发布等各种领域[6-7]。

本文应用KVM-OSD技术设计了KVM切换模块,介绍 KVM 切换模块的设计框图,并分别对 VGA切换,USB切换及OSD字符叠加原理进行阐述,最后简述了该模块在指火控系统中的应用并给出结论。

1 KVM切换模块设计框图

本文设计的 KVM切换系统能实现用按键控制两路VGA视频信号进行2选1切换,按键控制两路USB信号进行2选1切换,可用于USB键盘与鼠标切换。该模块由输入端口、选择与控制、输出端口三个部分组成,如图1所示。

图1 KVM切换模块设框

输入端口由2路VGA信号输入、2路键盘信号输入(USB接口)、2路鼠标信号输入(USB接口)以及三个切换按键组成,其中三个按键分别控制 VGA、键盘与鼠标的切换。

选择与控制部分主要由多路视频选择器、单片机及 OSD字符叠加三个模块组成,该部分完成切换按键响应并生成控制菜单与输入VGA的叠加显示。

输出端口主要包括VGA输出(外接显示器)、键盘与鼠标的输出端口,实现显示及控制信号的输入输出。

2 多路视频选择与多路USB选择切换

多路视频选择器可以实现多选一或者一分多两种模式的视频选择,本模块 VGA切换选用 MAXIM公司的高分辨率视频切换芯片 MAX4885[8],通过按键控制,实现2选1 VGA信号的切换。该芯片采用+5V 供电,低导通电阻为 5Ω,工作温度为-40°C～+85°C。用该芯片实现VGA切换的原理如图2所示,两路VGA信号输入至MAX4885,通过按键控制实现2选1输出,并在输出端增加处理电路,以保证输出信号的完整性。

图2 VGA切换原理图

放大与驱动电路主要实现 VGA选择器输出的R、G、B模拟信号的放大功能,该电路采用ADA4861-3运放视频集成放大器[9],−3 dB信号带宽370MHz,0.1dB 带宽 100MHz,斩波率为 750 V/μs,固定增益为+2,原理框图如图3所示。

图3 ADA4861-3应用框图

多路 USB选择器能实现多选一的输出,本模块采用 MAXIM 公司高速差分信号切换芯片MAX4899AE[10],通过按键控制,实现2选1的键盘或鼠标信号的切换,该芯片支持 4选 1扩展,兼容USB2.0标准,采用3.3V供电,-3dB信号带宽为425MHz,低导通电阻为 4Ω,工作温度为-40°C to+85°C,用该芯片实现 USB切换的原理如图 4所示,两路 USB(键盘或鼠标)信号输入至 MAX4899AE,通过按键控制实现2选1信号输出。

图4 USB切换原理图

3 OSD字符叠加

目前实现OSD的方式通常有三种:使用OSD专用集成芯片;无需专门的OSD芯片,通过直接操作视频的数据缓冲区,来完成 OSD信息和视频信息的叠加;在专用功能芯片内部集成 OSD功能[11]。由于模块内部印制板尺寸的限制及低成本,本模块采用第二种方式实现 OSD字符叠加功能,实现框图如图 5所示。

图5 OSD字符叠加模块框图

OSD字符叠加模块由锁相环、OSD控制、显存和叠加四个部分组成。锁相环用来产生行、场时钟同步信号,并将时钟信号输入到显存中,使得在视频上叠加字符时获得与发端同频同相的同步信号;单片机(AT89C51)接收按键上传来的各种控制命令,然后根据接收的命令控制相应的多路选择器芯片,完成相应通道的选择和切换工作,OSD控制部分则将切换后的信息输入到显存中并对显存进行控制;显存存储着需要在视频上叠加的字符信息,当行、场计数器计数到指定的行和列时,显存中的数据流就可以在屏幕上叠加显示相应的字符信息,字符叠加原理如图6所示。

图6 字符叠加原理

4 KVM-OSD技术的应用

利用KVM-OSD技术设计的KVM切换模块,满足用户视频、键盘和鼠标信号切换的要求,应用于指火控系统VGA视频与USB操控部件切换,按照用户要求将其安装在指火控系统多功能操控台某侧,并可以在安装部位正常拆卸。该模块盖板上安装有三个按键,分别用来控制视频、键盘与鼠标的切换。VGA切换采用高分辨率技术,最高支持 1600*1200高清分辨率,RGB信号增益为 2,最高信号带宽 350 MHz,支持DDC信号;USB切换支持USB2.0,向下兼容,直流电源电压为5 V±2%;功耗小于5W,工作温度为-15℃～55℃。对该模块进行模块级、单元级环境应力筛选,并进行了可靠性考核试验的验证,证明了该模块具有良好的可靠性与稳定性。

5 结束语

本文简要介绍了KVM与OSD技术概念及其在民品与军品环境的应用,应用KVM-OSD技术设计实现了KVM切换模块并将其应用于某军用指火控系统中,实现VGA视频与USB操控部件切换,该模块的设计很好地贯彻了通用化、系列化与组合化的设计思想,并通过了可靠性考核试验,在军用环境中得到了很好的实践验证,该模块满足了军用系统的可靠性、可维修性,测试性、安全性与保障性的要求,方便了使用人员的操作,相信KVM技术在军品环境领域会有更广泛地应用。

[1]雷永锋.基于OSD选单的KVM系统设计[J].电视技术,2008,32(1):50-52.

[2]费林渊.基于 KVM 技术的变电站后台系统远程监视方案[J].电工技术,2009(8):16-17,24.

[3]于治楼,陈乃阔,牛玉峰.KVM 控制器的分类与设计[J].计算机应用技术,2010(2):18-20.

[4]张哲,徐正山,等.基于 KVM 技术的调度台解决方案及应用[J].电力系统自动化,2008,32(2):106-107.

[5]陈剑峰.KVM 技术在军用计算机系统中的应用[J].计算机工程与应用,2004(增刊):44-45.

[6]周立功单片机专栏.基于Actel FPGA的OSD字符叠加方案[J].电子产品世界,2010(增刊1):87-88.

[7]周立功单片机专栏.基于Actel FPGA的KVM-OSD控制方案[J].电子产品世界,2011(5):72-73.

[8]MAXIM.MAX4885 datasheet [EB/OL].http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/5186,2006.

[9]ANALOG DEVICES.ADA4861-3 datasheet [EB/OL].http://www.analog.com/en/all-operational-amplifiers-o p-amps/operational-amplifiers-op-amps/ada4861-3/pro ducts/product.html,2006.

[10]MAXIM.MAX4899 datasheet[EB/OL].http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/5233,2006.

[11]丁铁夫.Readertek平板显示控制芯片的OSD设计[J].液晶与显示,2009,24(2):238-242.