新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统的研究

宋 宇，曹桂均，王 健，姚宇峰

（中国铁道科学研究院通信信号研究所，北京100081）

计算机双机仲裁切换设备（简称双机切换设备）从20世纪80年代初开始引入我国铁路车站计算机联锁系统和驼峰自动化控制系统，迄今已有近30年的历史。从最初的继电器电路切换方式发展到嵌入式计算机软件切换方式，计算机双机仲裁切换设备在技术上取得了巨大的进步，已广泛应用在铁路各种双机热备型计算机系统中。

计算机外设通道切换延长设备（又称KVM延长器，简称外设延长设备）的作用主要有2个：（1）实现用一套外围设备分时控制两台计算机主机；（2）实现外围设备对计算机主机的长距离控制。

长期以来，双机切换设备和外设延长设备一直由不同的厂家进行开发和生产，功能相对独立，使用中存在两台计算机发生主备用状态切换后，外设通道不随之切换而引起控制台操作失效的问题。同时，由于采用信号简单模拟放大的方式，目前的外设延长设备对高于1 024×768分辨率的视频信号无论在传输距离还是图像保真方面都不甚理想，应用受到很大限制。

新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统是在上述两种设备已有技术的基础上，通过功能整合与技术创新，结合兰州北编组站综合自动化（SAM）系统的工程实施需求研发而成。

1 系统结构

新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统由主机端和操控端两部分组成，通过9芯光缆把主机端2台工业控制计算机（简称工控机）的外设信号延长到操控端的外围设备，如图1。

图1 新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统结构

主机端位于计算机主机一侧，通过2个RS232接口与2台工控机交互主备用消息，根据是否收到工控机心跳消息决定工控机A和B的主备用状态。同时，主机端的2路外设接口也分别与2台工控机相连，每路外设接口支持1个PS/2键盘、1个PS/2鼠标、1个串口鼠标、2个DVI视频和1个音频。

主机端与操控端之间通过9芯光缆延长外设信号，1芯用于键盘、鼠标、音频、串口信号的延长，8芯用于2路DVI视频信号的延长。

操控端位于计算机外设一侧，可连接1个PS/2键盘、1个PS/2鼠标、1个串口鼠标、2个DVI视频和1个音频。

2 系统原理

2.1 双机切换原理

新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统的双机切换功能由主机端独立完成。主机端通过2个RS232串口分别连接工控机A和工控机B，默认条件下向工控机A输出“主用”消息，向工控机B输出“备用”消息，如图2。

图2 新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统双机切换原理

工控机A和工控机B工作正常时，每隔500 ms向主机端发送一次心跳消息，此时主机端不进行主备用切换。若工控机A（主机）故障，工控机B（备机）正常，主机端收不到工控机A输出的心跳消息，则切换工控机A和工控机B的主备用。工控机B主用、工控机A备用时的情形与此类似。

主机端除了根据心跳消息自动切换工控机A和工控机B的主备用外，还可以通过面板上的按钮手动切换主备用。

2.2 外设切换延长原理

外设切换延长功能由主机端和操控端共同完成。主机端同时连接工控机A和工控机B两路外设信号，默认情况下选择A路外设信号输出，经光纤延长后在操控端将信号分别供给键盘、鼠标、显示器、音箱和串口设备，如图3。

图3 新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统外设切换延长原理

外设切换延长功能分为 “调试”和“工作”2种模式，通过设在主机端面板上的开关进行设置。在“调试”模式下，主机端选择的外设信号不与工控机A和工控机B的主备用状态发生关联，外设信号可以通过面板上的按钮手动切换。在“工作”模式下，主机端始终选择当前主用工控机的外设信号进行延长，当工控机A和工控机B的主备用状态发生切换时，主机端输出的外设信号也自动进行切换，此模式下外设信号手动切换方式失效。

3 系统设计

3.1 硬件设计

3.1.1 主机端

新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统主机端由双电源模块，视频接口及光收发模块I，视频接口及光收发模块II，键盘、鼠标、音频、串口（以下简称键鼠音串）接口模块，键鼠音串光收发模块和双机切换控制模块组成，如图4。

图4 新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统主机端硬件设计

（1）双电源模块

通过2个电源模块，分别将两路外接AC220 V电源转换为DC5 V电源供其他模块使用，任意一个电源模块发生故障都不会影响整个设备的供电。

（2）视频接口模块

选择A机或B机视频信号中的一路，转换成光信号后进行输出，其中视频接口及光收发模块I用于选择A机与B机的视频信号I，转换后输出4路光纤信号，视频接口及光收发模块II用于选择A机和B机的视频信号II，转换后也输出4路光纤信号。

（3）键鼠音串接口模块

选择A机或B机键鼠音串信号中的一路，转换为数字信号进行输出。该模块提供视频接口及光收发模块I和视频接口及光收发模块II的切换控制信号，切换控制信号由人工按压面板按钮产生或双机切换控制模块产生。

（4）键鼠音串光收发模块

将键鼠音串接口模块传来的数字信号转换为光信号传输给操控端；将操控端传来的键鼠音串光信号转换为数字信号传输给键鼠音串接口模块。

（5）双机切换控制模块

接收A机和B机送来的心跳信号，选择2台计算机中的一台作为主用机，另一台作为备用机。当主用机与备用机状态切换时，自动发送切换控制信号给键鼠音串接口模块，使其同步切换。

3.1.2 操控端

新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统操控端由电源模块，视频接口及光收发模块I，视频接口及光收发模块II，键鼠音串接口模块和键鼠音串光收发模块组成，如图5。

图5 新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统操控端硬件设计

（1）电源模块

将外接AC220 V电源转换为DC5 V电源供其他模块使用。

（2）视频接口及光收发模块

将4路光信号转换为DVI视频信号传输给显示器，其中视频接口及光收发模块I用于转换视频信号I，视频接口及光收发模块II用于转换视频信号II。

（3）键鼠音串接口模块

将键盘、鼠标、音箱等外设传来的模拟输入信号转换为数字信号传输给键鼠音串光收发模块；将键鼠音串光收发模块传来的数字信号转换为模拟信号传输给键鼠音串设备。

（4）键鼠音串光收发模块

将键鼠音串接口模块传来的数字信号转换为光信号传输给主机端；将主机端传来的键鼠音串光信号转换为数字信号传输给键鼠音串接口模块。

3.2 软件设计

新一代铁路计算机双机切换及外设延长系统的控制软件内置于主机端控制芯片中，软件主要实现双机切换控制逻辑和外设通道切换控制逻辑。

3.2.1 双机切换控制逻辑

双机切换控制逻辑流程如图6。

图6 双机切换控制逻辑流程图

3.2.2 外设通道切换控制逻辑

外设通道切换控制逻辑流程如图7。

图7 外设通道切换控制逻辑流程图

4 结束语

新一代铁路计算机双机切换与外设延长系统把设备功能有机地结合在一起，在1 920×1 200分辨率条件下可将主机与外围设备的距离延长到2 km。随着兰州北编组站综合自动化（SAM）系统的工程实施，该设备有望在未来的SAM系统项目中进一步推广使用。

[1] 兰州北编组站综合自动化技术建议书[R] .中国铁道科学研究院通信信号研究所，2009.

[2] 李毅力. 新一代计算机联锁系统关键技术研究 [D] . 上海：上海交通大学，2005.

[3] 韩锋. 计算机KVM延长器与KVM前端维护器在广电系统中的应用[J] . 广播与电视技术，2009（8）：126-127.