KVM信号远程传输系统设计*

朱　琳，赵永国，李　倩，侯宪伦

（山东省科学院自动化研究所，山东省机器人与制造自动化技术重点实验室，济南250014）



KVM信号远程传输系统设计*

朱琳*，赵永国，李倩，侯宪伦

（山东省科学院自动化研究所，山东省机器人与制造自动化技术重点实验室，济南250014）

摘要：为了实现视频和键盘鼠标信号远程传输，以微处理器、ISL59911和ISL59311芯片为核心，研制了一款低成本的KVM （Keyboard Video Mouse）信号双绞线远程传输系统。该系统包括发送模块和接收模块两个部分，分别完成对视频和键盘鼠标信号的发送和接收处理。经过实验验证，采用本设计的视频和键鼠信号传输距离可达200 m，广泛用于安防和工控领域。

关键词：集成电路；远程传输；ISL59911；ISL59311；KVM；PS/2

项目来源：山东科学院2015年青年基金项目；山东省自然科学基金项目（ZR2013FM026）；国际合作项目（2014DFR10620）；山东省自主创新及成果转化专项项目（2014ZZCX04303）

在工业现场、安防等很多领域，主机的KVM （Keyboard Video Mouse）信号需要传输一段距离来方便用户使用，通常这个距离在几十米到数百米。主机的视频信号接口多数都是采用VGA（Video Graphics Array）接口，VGA是一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点。主机上广泛应用的键盘和鼠标多是PS/2接口。VGA信号和PS/2信号有个共同的缺点是易受到外界干扰，不适合远距离传输。

为了提高KVM信号的传输距离，需要对信号预处理，以减少信号传输过程中的干扰和衰减。采用5类以及5类以上（CAT-5/5e/6）非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）进行视频和键鼠信号传输，结构简单，价格低廉，并且由于利用差分信号进行传输，抗干扰能力较强，可以用于信号的远距离传输［1-6］。在此基础上设计了一套KVM信号远程传输系统，并验证了系统的功能和可靠性。

1　远程传输系统设计

KVM信号远程传输系统从功能上可以分为VGA远程传输和键鼠远程传输两个部分，从模块上可以分为发送模块和接收模块，系统组成框图如图1所示。来自主机端单端模拟视频信号由VGA接口进入发送模块，通过VGA信号处理单元转成差分信号并送到RJ45远程传输端口，利用CAT-5类非屏蔽双绞线中的三对差分线进行远距离传输，传输到接收模块后，接收模块将接收到的差分信号通过VGA信号处理单元转成单端信号并送给VGA接口，供远端显示使用。远端的键盘鼠标通过键鼠接口接到接收模块，经过微处理器识别后的键鼠信号转成串口RS232信号，由于RS232信号也存在传输距离短，抗干扰能力差等缺点，进一步通过MAX485芯片转成差分信号并送到RJ45远程传输端口，利用CAT-5类非屏蔽双绞线中的第4对差分线进行远距离传输，传输到发送模块后首先通过MAX485将差分的键鼠信号转成单端的RS232信号，经过微处理器识别后再转换成相应的PS/2键鼠信号送到键鼠接口，来对主机进行控制。

图1　KVM信号远程传输系统框图

2　VGA信号远程传输系统

VGA信号远程传输系统包括发送端和接收端。发送端将单端VGA信号转成差分信号送到RJ45远程传输端，通过CAT-5类非屏蔽双绞线传输至远程端，远程端将差分信号接收到经过处理后转成单端的视频信号接入VGA接口供远端显示使用。

2.1VGA信号发送端

单端的VGA信号在传输的过程中容易受到外界的干扰，传输距离越长衰减越大，造成信号不能正确读取。因此，VGA信号在进行远程传输前需要先转成差分信号。本系统发送端选用ISL59311为单端至差分信号的驱动器。ISL59311是Intersil公司生产的带同步编码的高带宽（250 MHz）3路差分驱动器，可对视频同步信号进行完整的编码，它的输入适合处理单端或差分形式的高速视频或其他通信信号。高带宽也使得差分信号在标准双绞线或同轴电缆线上有非常低的谐波失真，同时，内部反馈保证输出有稳定的增益和相位，以减少辐射的电磁干扰和谐波。嵌入逻辑将标准的视频水平和垂直同步信号编码到双绞线的共模信号上，因此不需要另外的线缆来传输同步信号。相比单一的驱动器，大大降低了系统成本。ISL59311的原理框图如图2所示。

视频信号通过VGA接口与ISL59311输入端的75 Ω的终端电阻相连，5路单端信号（RGB颜色信号以及行场同步信号）分别与ISL59311输入端的INA+、INB+、INC+以及HSYNC和VSYNC相连，其负颜色分量INA-、INB-、INC-接地。单端的RGB信号被转换为差分信号，HSYNC和VSYNC在3个差分信号各自的共模信号上进行编码。ISL59311 的50 Ω终端输出驱动差分R、G、B信号，通过CAT-5双绞线电缆中三对线缆进行传输。本设计中选取单电源供电，供电电压取5 V，芯片的总功耗约为0.3 W。

图2　ISL59311的原理框图

2.2VGA信号接收端

VGA信号远程传输系统的接收模块采用ISL59911，它是三通道差分接收器和均衡器，带宽为250 MHz，适用于RGB视频信号处理。ISL59911的原理框图如图3所示。ISL59911具有手动和自动偏移校准功能，±4 dB的增益调整范围，调整精度为0.1 dB。ISL59911有一个Enable输入引脚，当此引脚为低电平时，放大器进入低功耗模式，输出高阻态。

ISL59911可对水平和垂直方向上的信息进行共模译码，该信息由ISL59311的3个差分输入端编码，因此仅用3对电缆，就可完整地传输RGB视频信号和行场同步信号。ISL59911为双电源供电，供电电压的范围为±5 V，逻辑值在0～+5 V之间，芯片的总功耗约为1.1 W。

ISL59911还有一个重要的特点是具备I2C（Inter-Integrated Circuit）接口，在本设计中将I2C接到接到微处理器。微处理器通过该接口完成对ISL59911芯片的初始化和校准，并且可以通过修改ISL59911内部寄存器的值来设置VGA信号在CAT-5类非屏蔽双绞线要传输的距离。

图3　ISL59911的原理框图

3　键鼠信号远程传输系统

常见的键鼠信号采用PS/2接口协议，不适合远距离传输。要把键鼠信号做远距离传输需要对键鼠信号进行处理。键鼠信号远程传输系统的核心是微处理器，它识别和转换PS/2键鼠信号并且以串口通讯模式进行信号传输［7-10］。本系统采用AT89S52作为键鼠信号处理的微处理器，它是Atmel公司生产的低功耗、高性能、片内含8 kbyte Flash的单片机，支持在系统编程，具有外围硬件电路简单，体积小，可靠性高等优点。

在发送模块，远端接收模块送来差分的RS485信号先由MAX485转成单端的RS232信号，之后送给AT89S52，由AT89S52识别出键鼠信号以后再通过其IO端口模拟PS/2协议将相应的键鼠信号发给控制主机［11］，完成对主机的控制。图4是发送端微处理器软件流程图。

图4　发送模块微处理器软件流程图

在接收模块，AT89S52接收由键鼠设备发来的PS/2信号，经过处理后识别到相应的数据，然后通过微处理器自身的串口将数据以RS232发送出来，之后经过MAX485芯片将单端的RS232信号转成RS485差分信号进行远距离传输。接收模块微处理器的软件流程图如图5所示。

图5　接收模块微处理器软件流程图

4　PCB叠层和阻抗设计

由于单端的VGA信号和差分VGA信号均为高速信号，为了提高系统的抗干扰能力，PCB板的设计采用了四层板，有独立的电源层和地层。根据PCB厂家的制程能力，设计的四层板叠层结构如下表1所示。

表1　PCB叠层设计

单端的VGA走线的阻抗为75 Ω，差分VGA走线为100 Ω。根据设计的PCB叠层结构，采用Polar SI9000计算75 Ω表层走线的线宽为6 mil，100 Ω表层差分走线线宽为10 mil，线间距10 mil。同时为了减少走线阻抗跳变，高速信号走线下面的地平面保持完整。

5　测试结果

远程传输系统发送模块和接收模块单板实验电路调试完毕后，搭建了测试实验系统，系统实物图如图6所示。发送模块靠近电脑主机，通过KVM线缆接到主机的VGA和键鼠接口，再通过UTP双绞线接到接收模块。接收模块的VGA接口通过VGA线缆接到液晶显示器上，键鼠接口接键鼠外设，实验UTP双绞线的长度约为30 m。

对系统上电以后，将显示器的分辨率设置为1 600 pixel×900 pixel，观察液晶显示器上的图像，发现图像显示清晰，没有拖尾和闪烁。键鼠功能正常，可以通过键盘对主机进行控制，实现了KVM的远程传输功能。通过修改ISL59911寄存器的值，UTP双绞线的长度理论上可以达到200 m。

图6　KVM远程传输系统试验

6　结论

设计了一款低成本的KVM信号远程传输系统，采用CAT-5e类UTP双绞线传输VGA和键鼠信号，经过在工业现场测试该系统可以完成30 m的KVM信号远程传输，视频图像清晰，没有拖尾和闪烁，理论传输距离可以达到200 m，抗干扰能力强，可以广泛的用于安防和工控领域。该系统目前已经成功用于码垛机器人示教器项目上，运行稳定。

参考文献：

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朱琳（1982-），男，汉族，山东枣庄人，山东省科学院自动化研究所副研究员，主要研究方向为机器人及运动控制器等，zhulin_4357@126.com。

A Method Designed for Improving Data Storage Rate and Reliability of Storage System*

CAO Xun，ZHAO Dong’e*，LI Zhicheng，ZHANG Bin

（Key Laboratory of Instrument Science and Dynamic Measurement Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：As the fragment velocity measurement system for high data storage rate and reliability requirements pres⁃ents a fast data storage scheme based on pipeline design and establishes a virtual memory to manage the FLASH bad block list based on FPGA chip. This method reduces the average response time and makes the data storage rate 2 times faster. Meanwhile，the virtual memory can manage the Flash bad block list easily and block bad blocks effec⁃tively，then ensure the reliability of the fragment data storage. Tests show that the method improves the data storage rate raised to 2.4 Mbyte/s which is 3 times as original rate. The reliability of data storage is 100%. This method im⁃proves data storage rate and reliability effectively.

Key words：storage test；storage rate；pipeline design；bad block management

doi：EEACC：7320E；0170N10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.031

收稿日期：2015-03-16修改日期：2015-04-21

中图分类号：TN431

文献标识码：A

文章编号：1005-9490（2016）01-0148-04