基于GD32F107的国产化KVM切换控制模块设计

王子园，张 勇，闫康乐，伊庭睿

(山西大众电子信息产业集团有限公司技术(研发)中心,山西 太原 030024)

0 引言

在控制系统、数据中心等应用场景中,经常使用KVM模块进行管理控制,来提高工作效率。KVM是Keyboard、Video、Mouse三个单词首字母缩写,也就是说KVM模块是使用一个键盘、显示器和鼠标,完成多个终端切换、访问及控制等操作,达到节约运营成本、提高效率的目的[1]。本文设计的KVM模块采用全国产化硬件设计,可以同时与8台计算机的键盘、鼠标和视频接口相连,实现8台计算机信号的切换控制操作。

1 系统组成及原理

KVM切换控制模块主要包含MCU主控电路、供电电路、VGA信号处理电路、USB切换电路和按钮指示灯电路,原理框图见图1。

图1 KVM切换控制模块原理框图

图中,对8路VGA和USB信号进行选择输出,其R、G、B、H、V信号分别经8选1开关切换,输出的单路VGA信号经驱动后输出显示;USB信号经切换开关选择输出1路至外部键盘鼠标接口;主控CPU GD32F107功能是扫描模拟开关芯片实时判断处理通道在线信息并对其使能端进行控制,实现8路VGA信号和USB信号的有序输出。利用GD32F107控制8个手动切换按钮,实现8路VGA和USB信号间的任意切换,同时给每路输出信号增加指示灯加以指示。

2 电路设计

2.1 MCU主控电路

选用嵌入式ARM芯片GD32F107完成多路信号的切换选择及按钮指示灯电路的控制,该芯片集成了ARM CortexTM-M3 32位处理器内核[2],接口丰富,响应快,工作温度范围为-40 ℃～+85 ℃,适用于环境指标恶劣场景。

2.2 供电电路

工作电压输入为DC5V,经DC/DC转换为DC4V和DC3.3V供后端电路使用。VGA数字信号(HV)和USB信号均采用5 V供电,主MCU采用DC3.3V供电。VGA模拟信号(RGB)供电电压和地与其它信号不同,防止其它信号对其干扰。考虑到电路安全性和稳定性,添加防反接和滤波电路设计。

2.3 VGA信号处理电路

2.3.1 VGA切换电路

上位机输入的8路VGA信号,其R、G、B、H、V分别通过成都华微生产的多路复用器总线开关HWD5C3251 8选1切换,选择输入端I0～I7的数据至Y口输出。该器件支持3 V～6 V电源供电,包含使能引脚可将开关置为高阻态,具有低导通电阻、出色的差分增益和相位,有利于视频应用。单片机通过控制S0、S1、S2三个引脚的高低电平来选择八通道中的一个开关输出,且五片开关芯片的S0、S1、S2相互连通,可实现同时控制所有开关的通断,在选通道功能表见表1。以R信号为例,电路设计见图2。

表1 在选通道功能表

图2 R信号八选一电路图

2.3.2 VGA驱动电路

经模拟开关输出后,VGA信号产生电压波动,且经长线传输,输出的信号有衰减,致使显示器显示效果不佳等问题,因此添加VGA驱动电路[3]。

9018型 NPN晶体管以其高频率带宽特性经常被用于高频电路中,这里以9018晶体管为主要放大器件搭配阻容元件来起到RGB信号放大的作用。以R信号为例,电路设计见图3。

图3 R信号放大电路图

RS2G126是一款具有3态输出的双线驱动器,支持1.65 V～5.5 V供电,采用TSSOP-8封装,使能端接高电平则芯片工作。HV信号缓冲电路见图4。

图4 HV信号缓冲电路图

2.4 USB切换电路

USB切换电路选用南京沁恒的模拟开关芯片CH448,该芯片包含2路单刀八掷八选一开关,支持3.3 V～5 V电源供电,具有高带宽、低导通电阻的特点,可实现最多八路两种信号同时进行切换,是实现高速USB信号八选一切换的良好选择。USB切换功能由单片机通过IO管脚控制CH448的SEL0、SEL1和SEL2实现,当切换到某一路显示信号时,将对应的USB信号切换为当前使能。USB切换电路见图5。

2.5 按钮指示灯电路

该模块设计8个手动切换按钮和8个红绿双色指示灯,切换按钮主要完成通道的选择,指示灯红灯亮,表示该路信号在线,已连接至KVM,指示灯绿灯亮,表示该路信号已选通。

3 软件设计

KVM切换控制模块软件为嵌入式软件,软件开发环境为KEIL。软件主要分为按键扫描部分和主控部分。按键扫描采用定时器中断的方式,每隔10ms扫描一下按键状态,记录键值;主控部分负责切换VGA和USB接口的通道,完成逻辑功能,监控该模块的工作状态。KVM切换控制模块软件流程见图6。

图6 软件流程图

4 结论

该KVM切换控制模块已成功应用于某型一体机,经验证其工作性能良好。电路采用100%全国产化设计,对我国发展国产化KVM产品有良好的借鉴意义[4]。