CN213659417U

CN213659417U - 一种16选2的vga和键鼠信号传递系统

Info

Publication number: CN213659417U
Application number: CN202021837161.3U
Authority: CN
Inventors: 袁艳; 姚朝龙; 曹卫华; 杜友武; 尹航; 李�杰
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2030-08-27

Abstract

本发明提供了一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统，多个被控主机输出VGA信号至CIM模块，CIM模块将该VGA信号转换为VGA差分信号，并将VGA差分信号通过网口部件传输至VGA信号16选2输入模块，VGA信号16选2输入模块将VGA差分信号转换成VGA信号，并根据VGA信号16选2输入模块的选通输出2路VGA，并转换为2路HDMI信号，开发板接收HDMI信号进行显示，并将用户操作键盘鼠标后所产生的信号转换为HID数据帧并传输至键鼠信号16选2输出模块进行信号转换，将HID数据帧转换为HID差分信号，并将HID差分信号传输至CIM模块，CIM模块将HID差分信号转换为键鼠信号并传输至多个被控主机，实现VGA信号和键鼠信号的选通和传递。本发明的有益效果是：成本较低，灵活性和拓展性较高。

Description

一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统

技术领域

本发明涉及信号传输领域，尤其涉及一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统。

背景技术

如今地铁机房中有许多服务器，主要包含通信、综合监控、售票系统、乘客系统等服务器。为了保障这些服务器稳定可靠地运行，同时保证设备安全和人身安全，在对服务器维护和监测时要尽可能地减少相关人员进入机房现场操作。针对此，再结合地铁机房的运行环境，需要开发一套集中式KVM系统，使相关人员可以用远程操作来代替现场检修，更加高效安全，而且也能大幅度降低差旅成本和平均维修时间，并确保地铁机房的持续运作。现有技术中，该方面的开发成本较高，开发过程困难繁琐，开发周期较长，有时还需要一定的FPGA开发经验。而且KVM切换器连接电脑主机和鼠标键盘的数量较少，后续如果要进行硬件升级，需要对该KVM切换器的VGA和键鼠选通模块进行比较大的变动，不利于进行二次开发及后续升级，灵活性和拓展性较低。整体结构设计过于简单，灵活性和拓展性较低，不能满足如今复杂的机房应用场景。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统，分别对16选2的VGA输入模块、16选2的键鼠信号输出模块进行设计和开发，可以实现16路VGA输入，2路视频信号输出显示，用户的2路键鼠信号输出，选通传送给16台被控主机中被选通的2台被控主机，实现远程操作和控制。该VGA和键鼠信号选通和传递系统的架构的灵活性和拓展性较高，只需修改控制指令，便可升级为16选4、16选8等，便于后续升级和二次开发。该16选2的VGA和键鼠信号传递系统主要包括：多个被控主机、多个CIM模块、网口部件、VGA信号16选2输入模块、开发板、显示器和键鼠信号16选2输出模块；

每个被控主机与每个CIM模块单一对应连接，多个被控主机输出的VGA信号分别对应传输至每一个CIM模块，多个CIM模块均通过各自的接口连接于网口部件，该网口部件单向连接于VGA信号16选2输入模块，所述VGA信号16选2输入模块单向连接于开发板；每个CIM模块用于将该VGA信号转换为VGA差分信号，并将该VGA差分信号通过网口部件传输至VGA信号16选2输入模块；VGA信号16选2输入模块用于将所述VGA差分信号转换成VGA信号和根据所述VGA信号16选2输入模块的选通输出2路VGA信号，VGA信号16选2输入模块中的转换线，用于将所述2路VGA信号转换为2路HDMI信号，并最终输出该2路HDMI信号至开发板；该开发板还连接显示器，该显示器用于显示开发板接收的HDMI信号形成的视频；该开发板单向连接于键鼠信号16选2输出模块，该键鼠信号16选2输出模块单向连接于上述网口部件；开发板用于将用户操作键盘鼠标后所产生的相应信号转换为HID数据帧并传输至键鼠信号16选2输出模块，所述键鼠信号16选2输出模块用于将HID数据帧转换为HID差分信号，并用于根据其16选2的选通功能，通过网口部件将该HID差分信号传输至CIM模块，该CIM模块用于将HID差分信号转换为键鼠信号并传输至多个被控主机，从而实现了VGA信号和键鼠信号的选通和传递。

进一步地，所述CIM模块包括差分放大器和第一STM32单片机，该差分放大器用于将VGA信号转换为VGA差分信号，该STM32单片机用于将HID差分信号转换为键鼠信号。

进一步地，所述差分放大器为EL4543差分放大器。

进一步地，所述VGA信号16选2输入模块通过SGM6514芯片+转换线的形式来实现信号的转换和选通功能，SGM6514芯片用于实现16选2的选通和VGA差分信号转换为VGA信号，转换线将VGA转换为HDMI信号。

进一步地，所述键鼠信号16选2输出模块包括第二STM32单片机和MAX485芯片，该STM32单片机用于实现16选2的选通，该MAX485芯片用于将HID数据帧转换为HID差分信号。

进一步地，所述开发板包括HDMI接口和I²C插针，所述HDMI接口用于传输HID数据帧至第二STM32单片机，所述I²C插针用于发送选通控制信号至该第二STM32单片机，以便实现16选2的选通功能。

进一步地，所述第二STM32单片机包括通用异步收发器、USB主机控制器和I²C口，通用异步收发器用于与MAX485芯片进行异步通信，USB主机控制器用于接收HID数据帧，I²C口用于接收并执行选通控制信号。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)针对成本较高，开发周期长问题，采用STM32+MAX485代替FPGA模块，进行键鼠信号的选通和传递，相对成本更低，开发流程更加简单明了，所需开发周期更短；

(2)针对16路VGA信号选通和传递问题，本发明对16选2的VGA输入模块设计与开发，实现了16路VGA输入和显示，该模块的拓展性较高，便于后续升级为16选4、16选8的VGA输入模块；

(3)针对16路键鼠信号选通和传递问题，本发明对16选2的键鼠信号输出模块设计与开发，实现了键鼠信号传送到16台被控主机中被选通的2台被控主机，该模块的拓展性较高，便于后续升级为16选4、16选8的键鼠信号输出模块。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中一种16选2的VGA信号和键鼠信号传递系统的架构图；

图2是本发明实施例中集中式KVM硬件应用场景图；

图3是本发明实施例中CIM模块数据流向图；

图4是本发明实施例中16选2的VGA信号输入实现流程图；

图5是本发明实施例中16选2的键鼠信号流向图；

图6是本发明实施例中16选2的键鼠信号输出实现流程图；

图7是本发明实施例中一种16选2的VGA信号和键鼠信号传递系统的实现流程图；

图8是本发明实施例中16路VGA和键鼠差分信号电路图；

图9是本发明实施例中用于VGA选通的SGM6514电路图；

图10是本发明实施例中用于键鼠选通的STM32F103电路图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统。该16选2的VGA和键鼠信号传递系统主要包括：多个被控主机、多个CIM模块、网口部件、VGA信号16选2输入模块、开发板、显示器和键鼠信号16选2输出模块；多个被控主机包括16台被控主机，CIM模块包括16个CIM，网口部件包括16个网口。主要对16选2的VGA信号输入模块和16选2的键鼠信号输出模块进行设计与开发，VGA信号和键鼠信号同时传输，VGA信号16选2输入模块的设计与开发，实现了16路VGA信号的输入和显示，2路视频信号输出显示，通过用户的2路键鼠信号输出，即选通传送给16台被控主机中被选通的2台被控主机，键鼠信号传送到16台被控主机中被选通的2台被控主机，是通过设计与开发键鼠信号16选2输出模块进行实现的。针对成本较高，开发周期长问题，采用STM32单片机+MAX485芯片的方案进行键鼠信号的选通和传递，这样一来，相对成本较低，开发流程更加简单明了，所需开发周期较短。所谓选通即是指，对VGA和键鼠信号进行选择，通过发出的控制指令，形成相应的电路通路。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种16选2的VGA信号和键鼠信号传递系统的架构图，本发明的工作主要有16选2的VGA信号输入模块的设计与开发和16选2的键鼠信号输出模块的设计与开发。

集中式KVM的硬件主要包括KVM切换器和CIM模块。操控KVM切换器有本地访问和远程访问两种方式。集中式KVM硬件应用场景如图2所示，KVM切换器包括VGA信号16选2输入模块、开发板和键鼠信号16选2输出模块。硬件功能需求为单台KVM切换器需要连接16台被控主机，用户以切换形式控制被控主机，支持2个远程用户同时访问和操作，因此需要对VGA和键鼠信号进行选通和传递。CIM模块包括CIM1-CIM16，对应连接于KVM切换的16个网口。KVM切换器即多台主机切换器，KVM是键盘(Keyboard)、显示器(Video)和鼠标(Mouse)的缩写，用一台KVM切换器在多台主机之间切换，就可以实现使用一套外设去访问和操作多台主机的功能。

本发明是针对VGA和键鼠信号选通和传递功能的实现，因此需要对KVM切换器中的硬件模块(16选2的VGA输入模块和16选2的键鼠信号输出模块)进行设计和开发。16路VGA输入，经过16选2的VGA输入模块，通过选通和信号转换后形成2路HDMI，传输到Hi3531D开发板进行处理，开发板可以直接连接用于显示视频信号的被控主机的显示器，如图2的本地访问；同时，开发板还可以连接键盘鼠标，用户使用键盘鼠标输出2路键鼠信号至被控主机，即Hi3531D开发板接收后以HID数据帧传送给16选2的键鼠信号输出模块，经过选通传送给16台被控主机中被选通的2台被控主机，实现了VGA和键鼠信号选通和传递，如图2的远程访问。

VGA和键鼠信号选通和传递整体架构可分为两个部分：

一：16选2的VGA输入模块设计与开发

硬件功能需求：本地用户利用USB和本地控制端，可查看50米外的视频信号。VGA和键鼠信号需要经过CIM模块转化为差分信号，通过网线进行50m远距离传输。

市场上的CIM模块，大多采用键盘鼠标模拟控制器对键鼠信号进行处理，成本较高，开发难度相对较大。本发明则采用STM32单片机代替键盘鼠标模拟控制器，对键鼠信号进行处理，采用EL4543差分放大器对VGA信号进行处理。不仅可以和16选2的VGA输入模块和键鼠信号输出模块配合使用，共同实现VGA和键鼠信号的选通和传递，而且价格更加低廉，开发资料相对更多，更容易上手，开发流程更加简单明了，所需开发周期更短。CIM模块的数据流向如图3所示。

参考CIM模块的电路结构和数据流向，16选2的VGA输入模块需要将差分信号转换成VGA信号，并通过16选2的选通输出2路VGA信号，经过转换，输出2路HDMI信号。通过分析视频信号流向，选择采用SGM6514芯片+转换线的形式来实现，SGM6514芯片可以实现16选2的选通和差分转VGA，转换线将VGA信号转换为HDMI信号，控制信号：开发板通过I²C插针发送给SGM6514芯片进行选通。SGM6514芯片是16×8的交叉开关，保留了所有输出接口，后续只需修改控制指令，便可很方便地升级为16选4、16选8的VGA输入模块。

根据以上分析，16选2的VGA输入实现方案如图4所示，整个实现过程为16路VGA信号输入，通过CIM模块转变为16路VGA差分信号进行远距离传输，经过SGM6514选择芯片，通过选通输出2路VGA，然后利用转换线将2路VGA变为2路HDMI，然后传送给开发板进行处理和远程显示。

二：16选2的键鼠信号输出模块设计与开发

参考CIM模块的电路结构和数据流向，16选2的键鼠信号输出模块需要将HID数据帧转换成HID差分信号，并通过选通功能，将这2路键鼠信号传送到16台被控主机中对应的2台被控主机。通过分析键鼠信号流向，选择采用STM32+MAX485的形式来实现，STM32单片机可以实现异步收发器和USB-HOST，MAX485用于输出RS485差分信号，控制信号：开发板通过I²C插针发送给STM32进行选通。后续只需修改控制指令，便可很方便地升级为16选4、16选8的键鼠信号输出模块。

根据以上分析，16选2的键鼠信号流向如图5所示，16选2的键鼠信号输出实现方案如图6所示。整个实现过程为开发板输出的HID数据帧(包含2路键鼠信号)在STM32的USB主机控制器中经过处理，通过UART口传输到MAX485芯片中，转换为RS485差分信号，控制指令由开发板发送给STM32进行16选2的选通，从16个MAX485中选出2个进行通信，16个网口分别连接1个MAX485，通过选通，可将这2路键鼠信号传送到对应网口，通过网线传送给CIM模块，进而传送到16台被控主机中被选通的2台被控主机。

经过以上两个部分内容，改进CIM模块，对16选2的VGA输入模块、16选2的键鼠信号输出模块进行设计与开发，整体实现方案如图7所示。实现了16路VGA输入，通过CIM模块和16选2的VGA输入模块，经过选通和转换，输出2路HDMI，然后传送给开发板进行处理和远程显示；同时，用户的2路键鼠信号输出，开发板接收后以HID数据帧传送给16选2的键鼠信号输出模块，经过选通传送给对应网口，通过网线传送给CIM模块，进而传送给16台被控主机中被选通的2台被控主机，实现了VGA和键鼠信号选通和传递。

上述内容经过差分信号的转换过程，实现了远程传输功能，如图3所示的50m距离的传输，使得用户即使远离被控主机，也能实时的进行视频信号传输、显示及采取相应的操作以对显示器上显示的视频进行处理，且在视频信号传输的过程中不会造成视频信号的失真，视频画面也几乎不会有延迟。

本发明通过以上两个模块的设计和开发，结合CIM模块，实现了VGA和键鼠信号选通和传递。后续经过开发板对VGA和键鼠信号处理，VGA可以远程显示，键鼠信号被传送回被控主机进行操作和控制，最终可以实现连接16台被控主机，用户以切换形式控制被控主机，支持2个远程用户同时访问和操作。

关于上述内容中的16路VGA和键鼠差分信号电路图如图8所示，用于16选2的VGA信号选通的SGM6514电路图如图9所示，用于16选2的键鼠信号选通的STM32F103电路图如图10所示，图8是本发明实施例中16路VGA和键鼠差分信号电路图，图9是本发明实施例中用于16选2的VGA信号选通的SGM6514电路图，图10是本发明实施例中用于16选2的键鼠信号选通的STM32F103的电路图，具体说明如下：

图8中，由于16路的电路图相同，这里以第1路差分信号(网线有8根，6根传VGA,2根传键鼠)为例进行说明，其他路同理，首先VGA的RGB三对差分信号由RJ45网口进入，这里的RGB三对差分信号是指R、G、B三路的差分信号，另外一对差分信号是键鼠的RS485信号，后接一个SP485芯片(用作RS485收发器)，用于将TTL电平转换为RS485信号。三路RGB差分信号由三个SGM8061运算放大器(SOT-23-5)把差分信号转换成单端信号，并做一定的信号放大处理。完整的VGA单端信号是有R、G、B、H、V五路信号，HV信号是混杂在RGB差分信号中传输过来的，从RGB差分信号线上分别取信号到SGM8062芯片(MSOP-8)上，然后得到HV两路单端信号。

图9中用于16选2的VGA信号选通的SGM6514电路图，图8中VGA差分信号已经转成VGA单端信号了。后接五片SGM6514视频选通芯片分别选通R、G、B、H、V五路信号，控制芯片通过I²C总线同时给五片芯片发送选通信号，就可以控制五片SGM6514同时输出2路视频信号，可扩展同时输出八路视频。

图10用于16选2的键鼠信号选通的STM32F103的电路图，STM32F103是用于传输键鼠信号和选通信号。图8中SP485芯片，用于TTL电平到RS485的转换。同时16个SP485的RO(作为接收器输出引脚)和DI端(作为发送器输入引脚)均接在STM32103的同一个I/O口上，控制指令通过I²C总线发送给STM32103，进行SP485的选通，进而实现键鼠信号选通。

本发明的有益效果是：

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统，其特征在于：包括：多个被控主机、多个CIM模块、网口部件、VGA信号16选2输入模块、开发板、显示器和键鼠信号16选2输出模块；

每个被控主机与每个CIM模块单一对应连接，多个被控主机输出的VGA信号分别对应传输至每一个CIM模块，多个CIM模块均通过各自的接口连接于网口部件，该网口部件单向连接于VGA信号16选2输入模块，所述VGA信号16选2输入模块单向连接于开发板；每个CIM模块用于将该VGA信号转换为VGA差分信号，并将该VGA差分信号通过网口部件传输至VGA信号16选2输入模块；VGA信号16选2输入模块用于将所述VGA差分信号转换成VGA信号和根据所述VGA信号16选2输入模块的选通输出2路VGA信号，VGA信号16选2输入模块中的转换线，用于将所述2路VGA信号转换为2路HDMI信号，并最终输出该2路HDMI信号至开发板；该开发板还连接显示器，该显示器用于显示开发板接收的HDMI信号形成的视频；所述开发板单向连接于键鼠信号16选2输出模块，该键鼠信号16选2输出模块单向连接于上述网口部件；开发板用于将用户操作键盘鼠标后所产生的相应信号转换为HID数据帧并传输至键鼠信号16选2输出模块，该键鼠信号16选2输出模块用于将HID数据帧转换为HID差分信号，并用于根据其16选2的选通功能，通过网口部件将该HID差分信号传输至CIM模块，该CIM模块用于将HID差分信号转换为键鼠信号并传输至多个被控主机，从而实现了VGA信号和键鼠信号的选通和传递。

2.如权利要求1所述的一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统，其特征在于：所述CIM模块包括差分放大器和第一STM32单片机，该差分放大器用于将VGA信号转换为VGA差分信号，该STM32单片机用于将HID差分信号转换为键鼠信号。

3.如权利要求2所述的一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统，其特征在于：所述差分放大器为EL4543差分放大器。

4.如权利要求1所述的一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统，其特征在于：所述VGA信号16选2输入模块通过SGM6514芯片+转换线的形式来实现信号的转换和选通功能，SGM6514芯片用于实现16选2的选通和VGA差分信号转换为VGA信号，转换线将VGA转换为HDMI信号。

5.如权利要求1所述的一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统，其特征在于：所述键鼠信号16选2输出模块包括第二STM32单片机和MAX485芯片，该STM32单片机用于实现16选2的选通，该MAX485芯片用于将HID数据帧转换为HID差分信号。

6.如权利要求5所述的一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统，其特征在于：所述开发板包括HDMI接口和I²C插针，所述HDMI接口用于传输HID数据帧至第二STM32单片机，所述I²C插针用于发送选通控制信号至该第二STM32单片机，以便实现16选2的选通功能。

7.如权利要求5所述的一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统，其特征在于：所述第二STM32单片机包括通用异步收发器、USB主机控制器和I²C口，通用异步收发器用于与MAX485芯片进行异步通信，USB主机控制器用于接收HID数据帧，I²C口用于接收并执行选通控制信号。

8.如权利要求1所述的一种16选2的VGA和键鼠信号传递系统，其特征在于：所述开发板为Hi3531D开发板。