宋 宇，曹桂均，王 健，姚宇峰

（中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京100081）

計算機雙機仲裁切換設備（簡稱雙機切換設備）從20世紀80年代初開始引入我國鐵路車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)和駝峰自動化控制系統(tǒng)，迄今已有近30年的歷史。從最初的繼電器電路切換方式發(fā)展到嵌入式計算機軟件切換方式，計算機雙機仲裁切換設備在技術上取得了巨大的進步，已廣泛應用在鐵路各種雙機熱備型計算機系統(tǒng)中。

計算機外設通道切換延長設備（又稱KVM延長器，簡稱外設延長設備）的作用主要有2個：（1）實現(xiàn)用一套外圍設備分時控制兩臺計算機主機；（2）實現(xiàn)外圍設備對計算機主機的長距離控制。

長期以來，雙機切換設備和外設延長設備一直由不同的廠家進行開發(fā)和生產(chǎn)，功能相對獨立，使用中存在兩臺計算機發(fā)生主備用狀態(tài)切換后，外設通道不隨之切換而引起控制臺操作失效的問題。同時，由于采用信號簡單模擬放大的方式，目前的外設延長設備對高于1 024×768分辨率的視頻信號無論在傳輸距離還是圖像保真方面都不甚理想，應用受到很大限制。

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)是在上述兩種設備已有技術的基礎上，通過功能整合與技術創(chuàng)新，結(jié)合蘭州北編組站綜合自動化（SAM）系統(tǒng)的工程實施需求研發(fā)而成。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)由主機端和操控端兩部分組成，通過9芯光纜把主機端2臺工業(yè)控制計算機（簡稱工控機）的外設信號延長到操控端的外圍設備，如圖1。

圖1 新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主機端位于計算機主機一側(cè)，通過2個RS232接口與2臺工控機交互主備用消息，根據(jù)是否收到工控機心跳消息決定工控機A和B的主備用狀態(tài)。同時，主機端的2路外設接口也分別與2臺工控機相連，每路外設接口支持1個PS/2鍵盤、1個PS/2鼠標、1個串口鼠標、2個DVI視頻和1個音頻。

主機端與操控端之間通過9芯光纜延長外設信號，1芯用于鍵盤、鼠標、音頻、串口信號的延長，8芯用于2路DVI視頻信號的延長。

操控端位于計算機外設一側(cè)，可連接1個PS/2鍵盤、1個PS/2鼠標、1個串口鼠標、2個DVI視頻和1個音頻。

2 系統(tǒng)原理

2.1 雙機切換原理

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)的雙機切換功能由主機端獨立完成。主機端通過2個RS232串口分別連接工控機A和工控機B，默認條件下向工控機A輸出“主用”消息，向工控機B輸出“備用”消息，如圖2。

圖2 新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)雙機切換原理

工控機A和工控機B工作正常時，每隔500 ms向主機端發(fā)送一次心跳消息，此時主機端不進行主備用切換。若工控機A（主機）故障，工控機B（備機）正常，主機端收不到工控機A輸出的心跳消息，則切換工控機A和工控機B的主備用。工控機B主用、工控機A備用時的情形與此類似。

主機端除了根據(jù)心跳消息自動切換工控機A和工控機B的主備用外，還可以通過面板上的按鈕手動切換主備用。

2.2 外設切換延長原理

外設切換延長功能由主機端和操控端共同完成。主機端同時連接工控機A和工控機B兩路外設信號，默認情況下選擇A路外設信號輸出，經(jīng)光纖延長后在操控端將信號分別供給鍵盤、鼠標、顯示器、音箱和串口設備，如圖3。

圖3 新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)外設切換延長原理

外設切換延長功能分為 “調(diào)試”和“工作”2種模式，通過設在主機端面板上的開關進行設置。在“調(diào)試”模式下，主機端選擇的外設信號不與工控機A和工控機B的主備用狀態(tài)發(fā)生關聯(lián)，外設信號可以通過面板上的按鈕手動切換。在“工作”模式下，主機端始終選擇當前主用工控機的外設信號進行延長，當工控機A和工控機B的主備用狀態(tài)發(fā)生切換時，主機端輸出的外設信號也自動進行切換，此模式下外設信號手動切換方式失效。

3 系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計

3.1.1 主機端

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)主機端由雙電源模塊，視頻接口及光收發(fā)模塊I，視頻接口及光收發(fā)模塊II，鍵盤、鼠標、音頻、串口（以下簡稱鍵鼠音串）接口模塊，鍵鼠音串光收發(fā)模塊和雙機切換控制模塊組成，如圖4。

圖4 新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)主機端硬件設計

（1）雙電源模塊

通過2個電源模塊，分別將兩路外接AC220 V電源轉(zhuǎn)換為DC5 V電源供其他模塊使用，任意一個電源模塊發(fā)生故障都不會影響整個設備的供電。

（2）視頻接口模塊

選擇A機或B機視頻信號中的一路，轉(zhuǎn)換成光信號后進行輸出，其中視頻接口及光收發(fā)模塊I用于選擇A機與B機的視頻信號I，轉(zhuǎn)換后輸出4路光纖信號，視頻接口及光收發(fā)模塊II用于選擇A機和B機的視頻信號II，轉(zhuǎn)換后也輸出4路光纖信號。

（3）鍵鼠音串接口模塊

選擇A機或B機鍵鼠音串信號中的一路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行輸出。該模塊提供視頻接口及光收發(fā)模塊I和視頻接口及光收發(fā)模塊II的切換控制信號，切換控制信號由人工按壓面板按鈕產(chǎn)生或雙機切換控制模塊產(chǎn)生。

（4）鍵鼠音串光收發(fā)模塊

將鍵鼠音串接口模塊傳來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光信號傳輸給操控端；將操控端傳來的鍵鼠音串光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給鍵鼠音串接口模塊。

（5）雙機切換控制模塊

接收A機和B機送來的心跳信號，選擇2臺計算機中的一臺作為主用機，另一臺作為備用機。當主用機與備用機狀態(tài)切換時，自動發(fā)送切換控制信號給鍵鼠音串接口模塊，使其同步切換。

3.1.2 操控端

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)操控端由電源模塊，視頻接口及光收發(fā)模塊I，視頻接口及光收發(fā)模塊II，鍵鼠音串接口模塊和鍵鼠音串光收發(fā)模塊組成，如圖5。

圖5 新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)操控端硬件設計

（1）電源模塊

將外接AC220 V電源轉(zhuǎn)換為DC5 V電源供其他模塊使用。

（2）視頻接口及光收發(fā)模塊

將4路光信號轉(zhuǎn)換為DVI視頻信號傳輸給顯示器，其中視頻接口及光收發(fā)模塊I用于轉(zhuǎn)換視頻信號I，視頻接口及光收發(fā)模塊II用于轉(zhuǎn)換視頻信號II。

（3）鍵鼠音串接口模塊

將鍵盤、鼠標、音箱等外設傳來的模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給鍵鼠音串光收發(fā)模塊；將鍵鼠音串光收發(fā)模塊傳來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號傳輸給鍵鼠音串設備。

（4）鍵鼠音串光收發(fā)模塊

將鍵鼠音串接口模塊傳來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光信號傳輸給主機端；將主機端傳來的鍵鼠音串光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給鍵鼠音串接口模塊。

3.2 軟件設計

新一代鐵路計算機雙機切換及外設延長系統(tǒng)的控制軟件內(nèi)置于主機端控制芯片中，軟件主要實現(xiàn)雙機切換控制邏輯和外設通道切換控制邏輯。

3.2.1 雙機切換控制邏輯

雙機切換控制邏輯流程如圖6。

圖6 雙機切換控制邏輯流程圖

3.2.2 外設通道切換控制邏輯

外設通道切換控制邏輯流程如圖7。

圖7 外設通道切換控制邏輯流程圖

4 結(jié)束語

新一代鐵路計算機雙機切換與外設延長系統(tǒng)把設備功能有機地結(jié)合在一起，在1 920×1 200分辨率條件下可將主機與外圍設備的距離延長到2 km。隨著蘭州北編組站綜合自動化（SAM）系統(tǒng)的工程實施，該設備有望在未來的SAM系統(tǒng)項目中進一步推廣使用。

[1] 蘭州北編組站綜合自動化技術建議書[R] .中國鐵道科學研究院通信信號研究所，2009.

[2] 李毅力. 新一代計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)關鍵技術研究 [D] . 上海：上海交通大學，2005.

[3] 韓鋒. 計算機KVM延長器與KVM前端維護器在廣電系統(tǒng)中的應用[J] . 廣播與電視技術，2009（8）：126-127.