一种高分辨率模拟冗余共享器的设计

杨良勇，孙 闻，孙 琴

（1.安徽华东光电技术研究所，安徽 芜湖 241000；2.国家特种显示技术研究中心，安徽 芜湖 241000）

一种高分辨率模拟冗余共享器的设计

杨良勇1,2，孙 闻1,2，孙 琴1,2

（1.安徽华东光电技术研究所，安徽 芜湖 241000；2.国家特种显示技术研究中心，安徽 芜湖 241000）

文章介绍了一种用于航空空中交通管制主用系统与备份系统之间的高清KVM冗余共享显示连接设备的设计；采用模块化的设计，主要解决在冗余功能需求下的显示拖尾、系统兼容、键值兼容等问题。

KVM；冗余；显示拖尾；键值

军用航空及民用航空领域中空中交通指挥管制自动化系统（以下简称空管系统）是引导飞行器飞行和保障其安全的中枢，其工作是由地面管制人员依靠空管系统来完成指挥和通信的任务。在指挥过程中不能够出现因空管系统故障而造成无法指挥的情况，这就相应地对空管系统的运行可靠性提出了非常高的要求，为此空管系统中加入了备份空管系统。键盘、显示器、鼠标（Keyboard Video Mouse，KVM）共享器是能够实现多套鼠标、键盘、显示器合一的专业设备，是主用系统与备份系统之间进行连接的关键设备，在主用系统出现故障时一键切换到备份系统。冗余共享器的概念是为了满足系统对关键连接设备更高可靠性要求而提出的，它使共享器的可靠性提高了一倍，即通过设计使两套共享器冗余备份使用，当正在使用的共享器出现故障时可以在0.5 s内一键切换到冗余端使用，从而确保系统的正常工作。

目前，市场上普遍使用的是满足Windows系统环境下的KVM产品，对于能够支持Unix和Linux系统的设备比较少，国外的高端KVM共享器产品较为知名的有美国洛克希德马丁公司和德国G&D公司生产的数字高分辨率KVM共享器产品，但它们也不具备冗余共享功能，而完全满足要求的高分辨率模拟KVM在市场上还没有看到。由于国内空管系统中高清模拟大屏显示器数量较多，而单台显示器的价格高达40万元，因此，高分辨率模拟冗余共享器有很大需求。

1 技术方案介绍

1.1 高分辨率模拟冗余共享器工作原理

高分辨率模拟冗余共享器需要支持2048*2048@60 Hz模拟视频切换显示，单通道视频带宽达到380 MHz，加上需要进行冗余设计，对电路的设计、印制电路板（ Printed Circuit Board，PCB）布线都提出了很高要求。设备电路主要由主用KVM微处理器模块、主用现场可编程逻辑门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）视频处理模块、备用KVM模块、备用FPGA视频处理模块、冗余切换模块、冗余电源模块等组成，其工作原理如图1所示。

1.2 高分辨率FPGA视频处理模块

在高分辨率模拟冗余共享器中，主系统与备用系统都有高分辨率FPGA视频处理模块，主要用于接收和发送高分辨率视频图像，通过对视频图像进行优化算法处理可得到无重影、拖尾和串扰的两路清晰视频输出信号。

图1 高分辨率显示冗余共享器工作原理

1.3 高分辨率KVM微处理器模块

高分辨率KVM微处理器模块同样存在于主系统与备用系统中，其作用是将处理后的高清视频数据通过控制信号命令选择正确的输出线路。KVM微处理器从当前有效的服务器或工作站接收指令并做出相应应答，再将接收到的命令发送给键盘、鼠标，通过这些命令将鼠标键盘带入合适的工作状态，当键盘鼠标处于工作状态时，微处理器接收来自键盘鼠标的数据，进行翻译处理后发送给当前有效的服务器和工作站，对于当前无效的服务器或工作站，微处理器模拟实际的键盘鼠标对服务器或工作站发来的指令进行应答。

KVM微处理器在此系统中要同时扮演主机和从机的角色，由于鼠标和键盘的操作是并行操作，而微处理器是顺序操作的，这就要求在固件代码的运行中要合理精确地安排总线带宽；由于服务器和工作站的厂家众多，而操作系统也各不相同，所以对于键盘鼠标的通信协议也有一定差别，设计共享器的兼容性也是较大的难点。

1.4 高分辨率冗余切换模块

由于空管系统的主用系统与备用系统都接至高分辨率模拟冗余共享器，在这种情况下，如果共享器本身发生故障也会造成空管系统的瘫痪。为此，对共享器进行硬件备份设计，即在主用KVM使用时，备用KVM共享器处于掉电状态并与主用KVM无任何电气连接。当发生故障时，通过切换键盘组合键一键切换至备份KVM，通过对两套KVM的输入输出接口信号线、供电及控制信号接入到由继电器组成的高频信号选择阵列对应的接口电路中，同时将此选择阵列的控制逻辑并联在一起接到高频数字电子开关上，通过控制高频数字电子开关实现主用KVM和备用KVM的选择。

1.5 技术难点

第一，实现超高分辨率视频信号高质量传输，要求显示无重影、拖尾、动态画面无延迟；第二，在不同服务器、工作站以及不同的操作系统平台下，实现鼠标、键盘的兼容性以及长时间稳定可靠工作。

通过设计电路板的层叠结构和线宽实现信号的阻抗匹配，并使同一组信号保持走线拓扑结构上的等长，结合软件视频处理算法，修正了视频数据在传输中的误码、反射、串扰、传输延迟等问题，实现了高质量视频图像信号的传输，其PCB信号板如图2所示。

图2 PCB信号板

针对键盘、鼠标的兼容性问题，在微处理器固件程序中，引入了完整的3套键值映射表，将三键及四向滚轮鼠标和光电鼠标的作兼容性处理，在收发函数时序上通过实验精确调整收发时序，在主循环程序中设计防止程序跑飞的计时看门狗程序，主要通过这些技术处理实现了共享器长时间不掉电的稳定工作。

2 主要技术参数

高分辨率模拟冗余共享器技术指标如表1所示。

表1 高分辨率模拟冗余共享器技术指标

3 结语

随着国内空管系统开发能力的提高，以南京莱斯信息股份有限公司、中国民航两所等单位为首陆续开发出了满足条件的系统，并在国内机场的空管系统升级改造中取代THALES等国外主流厂商的空管系统得到了大规模的应用，冗余共享器的设计、应用得到了相关空管系统单位的大力支持，已成功应用到包括上海、南昌等机场的空管系统中，该设计在国内外尚属首创。

[1]赵子伦，马幼鸣，赵宏图，等.KVM延长器系统的信号完整性分析[J].电子技术，2017（1）：27-29.

[2]蔡敬海，张振权.电子系统冗余设计及可靠性分析[J].光电技术应用，2016（1）：64-67.

[3]朱琳，赵永国，李倩，等.KVM信号远程传输系统设计[J].电子器件，2016（1）：148-151.

[4]孙闻，杨良勇，徐文川.双机KVM共享器显示共享电路.中国专利：CN104391668A[P].2015-03-04.

Design of the high de fi nition simulated redundant sharing switch

Yang Liangyong1,2, Sun Wen1,2, Sun Qin1,2
（1.Anhui Huadong Photoelectric Technology Institute, Wuhu 241000, China; 2.National Special Display Technology Research Center, Wuhu 241000, China）

This paper introduces the design used for the high de fi nition KVM（Keyboard Video Mouse）redundant sharing display and connection device between the main system and backup system of the aviation air traf fi c control; this modular design mainly solve the problem of display tailing, system compatibility and key-value compatibility under the requirement of the redundant function.

Keyboard Video Mouse; redundancy; display tailing; key-value

芜湖市科技计划项目；项目编号：2015ZD07。

杨良勇（1973— ），男，安徽芜湖人，工程师。