专利名称：采用总线结构的键盘、显示器、鼠标切换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机技术领域，特别是一种采用总线结构的KVM(键盘、显示器、鼠标)切换器。
背景技术：
在服务器机房中一般有数十到数百台计算机，出于成本和机房空间的考虑，无法为每一台计算机配备键盘、鼠标和显示器。一般的做法是使用KVM(Keyboard(键盘)、Video(显示器)、Mouse(鼠标))切换器来实现用一套键盘、鼠标和显示器来操作多台计算机。KVM切换器上连接有一套键盘、鼠标、显示器，并通过连线与多台服务器相连，用户可以使用KVM切换器上连接的键盘、鼠标、显示器来操作任意一台与KVM切换器相连的计算机。
现有的KVM切换器，其结构一般为星型结构。整个KVM切换器只由一个设备组成，这个设备上提供了连接键盘、鼠标、显示器的设备，还提供了多个连接计算机的主机接口，主机接口与计算机之间采用专用电缆连接。这种专用电缆一般由三条电缆合并而成它的一端合并为DB25(一种25针插头/插座)插头，与KVM切换器的主机接口相连；另一端分成三条电缆，分别通过Mini-DIN6(一种6针插头/插座)插头和DB15(一种15针插头/插座)插头与计算机的键盘、鼠标接口和VGA接口相连。由于VGA视频信号直接在专用电缆上传输，为了保证视频信号的质量，专用电缆一般都采用比较粗重的铜缆，并且其长度受限，一般小于5米。
由于DB25插头尺寸较大，专用电缆比较粗重，受KVM切换器体积的限制，一台KVM切换器所能连接的计算机一般在64台以下；由于采用星型结构，计算机与KVM切换器之间通过电缆直接连接，并且专用电缆的长度较短，因而KVM切换器与计算机之间的距离很近，用户只能在机房内、计算机旁使用KVM切换器；当KVM切换器连接的计算机较多时，粗重的专用电缆、星型的连接方式以及较短的电缆长度很容易造成连线的凌乱。
传统KVM切换器规模小、传输距离短、连线凌乱这三个问题限制了KVM切换器的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用总线结构的键盘、显示器、鼠标切换器。
本发明另一个目的是设计一种规模大、传输距离长、连线简洁的KVM切换器，使之能满足机房管理的实际需要。
技术方案一种采用总线结构的KVM切换器，由KVM节点、KVM终端和KVM多路器以及计算机主机设备组成。KVM节点为一电子设备(如图5所示)，其内部电路由控制逻辑和视频驱动电路两部分组成，它负责一台计算机的键盘接口、鼠标接口的命令应答以及视频信号驱动工作。它的尺寸很小，可以插在计算机VGA(Video Graphic Array，一种视频信号标准)信号输出插座上，每一台被KVM切换器操作的计算机都配备一个KVM节点；KVM终端为一电子设备(如图6所示)，其内部电路由控制逻辑和视频接收电路两部分组成，它负责键盘、鼠标的命令应答、接收视频信号并输出到显示器。它与一套键盘、鼠标、显示器相连。多个KVM节点之间通过UTP-5e(超五类非屏蔽双绞线)双绞线按照总线方式连接，将这条总线和KVM终端相连，即可组成含一条总线的KVM切换器；为了进一步增大规模，可以将多条总线与KVM多路器相连，KVM多路器再与KVM终端相连，组成含多条总线的KVM切换器。其中KVM多路器是一电子设备(如图7所示)，其内部电路实现了八选一模拟开关的功能，可以将KVM终端分别与多条总线中的一条相连通。
图1是采用总线结构的KVM切换器示意图(一条总线)。
图2是采用总线结构的KVM切换器示意图(多条总线)。
图3是视频信号通路结构示意图。
图4是RS-485总线结构示意图。
图5是KVM节点结构示意图。
图6是KVM终端结构示意图。
图7是KVM多路器结构示意图。
图1中，①为KVM节点。KVM节点上提供了一个VGA插头，两个PS/2(一种常用的键盘、鼠标接口规范)插座，分别和被操作计算机的显卡输出、键盘、鼠标接口相连。KVM节点上还提供了两个RJ45(一种8脚的插头/插座)插座，其中在总线上靠近KVM终端的RJ45插座②称为近端接口，另一RJ45插座③称为远端接口。④为KVM节点上的拨码开关，用来设置节点的编号，以区分不同的节点。⑤是KVM切换器设备之间的连接线，为UTP-5e双绞线。将各个KVM节点的远端接口与下一KVM节点的近端接口用UTP-5e双绞线连接，即可形成一条总线。⑥为KVM终端，KVM终端上提供了一个VGA插座，两个PS/2插座，分别和显示器、键盘、鼠标相连。KVM终端上还提供了一个RJ45插座⑦，称为终端接口。将终端接口与总线上第一个KVM节点的近端接口用UTP-5e双绞线连接，即可组成只含有一条总线的KVM切换器。KVM终端上有小键盘作为输入装置，在小键盘上输入KVM节点的编号即可选择对相应的KVM节点进行操作。⑧为键盘，⑨为显示器，⑩为鼠标，它们与KVM终端相连。(11)为所有被KVM切换器操作的计算机主机。
图2中，(12)为KVM多路器。KVM多路器上提供了九个RJ45插座，其中(13)所示的八个RJ45插座用来和多条总线相连，称为KVM多路器的输入接口；(14)所示的一个RJ45插座用来和KVM终端相连，称为KVM多路器的输出接口。如图2所示，将KVM多路器的各个输入接口和各条总线上第一个KVM节点的近端接口用UTP-5e双绞线连接，将KVM多路器的输出接口和KVM终端相连，即可组成含有多条总线的KVM切换器。KVM多路器的八个输入接口被赋予固定的编号1至8，称为总线编号。在KVM终端上输入总线编号和KVM节点编号即可对指定总线上的指定KVM节点进行操作。
本发明采用UTP-5e双绞线作为不同设备之间的连线，连线接插件采用RJ45插头和RJ45插座。UTP-5e双绞线也称为超五类非屏蔽双绞线，是百兆以太网所采用的传输线，它比较轻便，接插方便，便于布线。UTP-5e双绞线中包含四对差分线对，本发明用其中的三对传输视频信号，用第四对作为RS-485(一种串行总线标准)总线传输控制数据及键盘、鼠标数据。本发明在安装时需要按照EIA/TIA 568B(一种非屏蔽双绞线的布线标准)网络布线标准制作UTP-5e双绞线的卡头。
为了能够在UTP-5e双绞线上传输计算机输出的VGA视频信号，本发明对VGA视频信号进行了一定的处理。KVM节点将计算机输出的VGA视频信号(包括R、G、B、H、V五个信号)进行调制和差分变换，生成R’、G’、B’三个信号，并占用UTP-5e双绞线中的三对差分线进行传输，在KVM终端处R’、G’、B’三个信号被解调，还原为VGA信号。由于采用了差分传输，处理后的视频信号能够在双绞线上传输300米，实现了VGA信号的远距离传输。VGA视频信号处理的细节参见发明《长距离VGA信号传输方法》。
由于一条总线上有多个KVM节点，除了总线最远端的KVM节点，其余KVM节点在向KVM终端传输视频信号时，发出的视频信号会在总线上同时向两个方向传播，向远离KVM终端方向传播的信号会在总线的最远端反射，对视频信号的传播造成干扰，使KVM终端接收到的视频信号中包含重影。为了解决这个问题，在每个KVM节点中都设有一组单刀双掷开关。
图3中，N表示KVM节点的近端接口，F表示KVM节点的远端接口，V表示KVM节点的视频输出。KVM终端操作某KVM节点时，该KVM节点的N与V连通，与F断开，从而使该KVM节点的远端接口和近端接口之间的视频信号通路在电路上是断开的；而总线上其余KVM节点的N与F连通，与V断开，使其远端接口和近端接口之间的视频信号通路在电路上是连通的。这样，当前被KVM终端操作的KVM节点成为总线上唯一的视频输出源，并且位于视频通路的最远端，从而消除了视频信号的远端反射。
图4中，RS-485总线是一种广泛应用的现场总线，它允许在一对双绞线上进行多点双向数据通信。RS-485总线采用差分传输，最大传输速率为10Mbps，最大电缆长度为1200米，最大总线负载为32个单位负载。如图4所示，在本发明中每个KVM节点都通过一个RS-485收发器与RS-485总线相连，KVM节点中的RS-485收发器为1/8单位负载，因此理论上图4所示的RS-485总线最多可以挂接256个节点。为了给总线负载保留一定的余量，本发明在一条总线上最多挂接128个KVM节点。控制数据和键盘、鼠标数据均通过RS-485总线进行传输。传输协议采用基于主从结构的命令/应答协议。在RS-485总线上，KVM终端作为主，KVM节点作为从，KVM终端向KVM节点发送命令，KVM节点向KVM终端返回应答。整个系统在KVM终端的控制下协调运行。
图5中，KVM节点主要由控制逻辑和视频驱动电路两部分组成。控制逻辑的核心是单片机(15)(MCUMicro Controller Unit，微控制器，即单片机)，它与485总线收发器(16)、视频信号继电器(19)、地址设置拨码开关(20)、LED指示灯(21) (Light Emitting Diode，发光二极管)、主机键盘接口(24)以及主机鼠标接口(25)相连。视频驱动电路包括同步复合电路(17)和差分驱动电路(18)，视频驱动电路的输入来自主机的VGA显卡(26)。485总线收发器(16)挂接在RS-485总线(22)上，视频信号继电器(19)连接在视频总线(23)上。KVM节点的电路原理如下单片机(15)实现了三个主要功能，第一是与计算机主机的键盘接口(24)及鼠标接口(25)进行通信，单片机(15)通过程序模拟PS/2协议，将自己伪装成键盘和鼠标与计算机主机进行通信，对计算机主机而言就像连接了真正的键盘鼠标；第二是控制485总线收发器(16)，通过RS-485总线(22)与KVM终端进行通信；第三是读取由地址设置拨码开关(20)设置的节点编号、控制LED指示灯(21)(LightEmitting Diode，发光二极管)显示节点的状态、并通过控制视频信号继电器(19)来控制是否将视频信号输出到视频总线(23)。而视频驱动电路则将计算机主机VGA显卡(26)输出的视频信号进行变换并加以驱动，以便能够在视频总线(23)上进行传输，视频驱动电路的原理和细节参见发明《长距离VGA信号传输方法》。
当KVM终端未操作某KVM节点时，该KVM节点的单片机控制视频信号继电器，使N与F连通，N与V断开，从而断开自己与视频传输线的连接。此时单片机负责应答计算机对键盘和鼠标的查询命令。同时单片机还要监听RS-485总线，随时准备响应终端的命令。
当KVM终端要操作某KVM节点时，KVM终端通过RS-485总线向该节点发送“连接”命令。KVM节点中的单片机收到命令后，控制视频信号继电器，使N与V连通，N与F断开，将自身的视频信号输出到视频传输线。同时，单片机不再应答计算机对键盘鼠标的查询命令，而是通过RS-485总线，在计算机的键盘鼠标接口和KVM终端之间传递键盘鼠标数据。
图6中，KVM终端主要由控制逻辑和视频接收电路两部分组成。控制逻辑的核心是单片机(27)(MCUMicro Controller Unit，微控制器，即单片机)，它与485总线收发器(28)、LED数码管(31)、小键盘(32)以及键盘⑧、鼠标⑩相连，485总线收发器(28)与RS-485总线(22)相连。视频接收电路包括差分接收电路(30)和同步提取电路(29)，视频接收电路的输入来自视频总线(23)，输出送到显示器⑨。KVM终端的电路原理如下单片机(27)实现了三个主要功能，第一是与键盘、鼠标进行通信，单片机(27)通过程序模拟PS/2协议，将自己伪装成键盘鼠标控制器，可以控制键盘鼠标，接收键盘鼠标的数据；第二是控制485总线收发器(28)，通过RS-485总线(22)与KVM节点进行通信；第三是负责处理小键盘(32)的输入和LED数码管(31)的显示输出，这是KVM终端与用户交互的接口。视频接收电路将视频总线(23)上的信号进行接收和变换后送到显示器⑨，视频接收电路的原理和细节参见发明《长距离VGA信号传输方法》。
用户首先通过KVM终端上的小键盘输入KVM节点的编号。KVM终端得到用户的输入后通过RS-485总线向相应的KVM节点发送命令，与之建立连接。之后，KVM节点将视频信号传送到KVM终端，经KVM终端接收后送到显示器。同时，KVM终端与被操作的KVM节点配合，通过RS-485总线在真正的键盘鼠标和计算机的键盘鼠标接口之间双向传递数据，使得用户可以通过连接在KVM终端上的键盘、鼠标和显示器来操作计算机。使用过程中的各种状态会通过LED数码管显示给用户。
图7中，KVM多路器主要由控制逻辑、8选1开关组和视频驱动电路组成。控制逻辑的核心是单片机(36)，它与485总线收发器(35)、以及两组8选1开关组(33)、(34)相连。8选1开关组(33)与8路RS-485总线(38)相连，8选1开关组(34)与8路视频总线(39)相连。单片机(36)控制485收发器(35)，通过1路RS-485总线(40)与KVM终端通信，根据KVM终端的指令，单片机(36)控制两组8选1开关组，使8选1开关组(33)从8路RS-485总线(38)中选出1路，与1路RS-485总线(40)相连；使8选1开关组(34)从8路视频总线(39)中选出一路，经过视频驱动电路(37)驱动后送至1路视频总线(41)。8选1开关组(33)由两片8选1模拟开关芯片组成，8选1开关组(34)由6片8选1模拟开关芯片组成。视频驱动电路(37)的作用是补偿视频信号在8选1模拟开关芯片上的衰减，其电路原理和细节参见发明《长距离VGA信号传输方法》。
KVM多路器相当于一个受KVM终端控制的八选一选择器。KVM多路器通过输出接口与终端相连。KVM多路器的八个输入接口被赋予固定的编号1至8，称为总线编号。KVM多路器可以根据KVM终端的命令，将八个输入接口中的一个与输出接口相连。这样，KVM终端选定某条总线后，对于KVM终端及该总线上的各个KVM节点来说，KVM多路器是透明的。
在配备了KVM多路器的情况下，用户需要在KVM终端上输入总线编号和KVM节点编号来指定一个KVM节点。这时，KVM终端先和KVM多路器通信，选择指定的总线和自己相连。之后，KVM终端再和该总线上指定的KVM节点进行连接，连接过程与没有KVM多路器的情况相同。
发明效果本发明的积极效果体现在1.规模大。如果采用8口的KVM多路器，每条总线上挂接128个KVM节点，整套KVM切换器可以连接1024台计算机。
2.传输距离长。KVM终端距KVM节点的最大距离可达300米，使用户可以在机房之外操作计算机，适用于无人机房的管理。
3.布线简洁。UTP-5e双绞线比铜线电缆轻便，接插件制作方便，总线型连接方式减少了布线的复杂程度，并且布线的复杂性不随KVM切换器规模的增加而增加。
4.布线成本低。UTP-5e双绞线的价格远低于铜线电缆。
5.伸缩性强。使用中可以根据实际情况确定总线数目及各总线上挂接的KVM节点数目，适合不同的实际要求。
DB15一种15针插头/插座DB25一种25针插头/插座EIA/TIA 568B一种非屏蔽双绞线的布线标准KVMKeyboard(键盘)、Video(显示器)、Mouse(鼠标)的缩写LEDLight Emitting Diode，发光二极管Mbps兆波特率，信号传输速度单位MCUMicro Controller Unit，微控制器，即单片机Mini-Din6一种6针插头/插座PS/2一种常用的键盘、鼠标接口规范RJ45一种8脚的插头/插座RS-485一种串行总线标准UTP-5e超五类非屏蔽双绞线VGAVideo Graphic Array，一种视频信号标准
权利要求
1.一种采用总线结构的KVM切换器，由KVM节点、KVM终端和KVM多路器以及计算机主机组成，其中，KVM节点负责一台计算机的键盘接口、鼠标接口的命令应答以及视频信号驱动工作，KVM终端负责键盘、鼠标的命令应答、接收视频信号并输出到显示器，每一台被KVM切换器操作的计算机都配备一个KVM节点，多个KVM节点之间采用总线结构连接，其特征在于，KVM多路器通过连接线分别连接到KVM节点和KVM终端。
2.根据权利要求1所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，KVM多路器通过连接线分别连接到KVM节点的近端接口和KVM终端接口。
3.根据权利要求1所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，KVM节点提供了远端接口和近端接口两个总线接口，用连线将各个KVM节点的远端接口和下一KVM节点的近端接口相连，并将第一个KVM节点的近端接口用连线引出，即形成一条总线。
4.根据权利要求1或3所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，可以将一条总线直接与KVM终端相连，组成只含一条总线的KVM切换器。
5.根据权利要求1或3所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，可以将多条总线分别与KVM多路器相连，再将KVM多路器与KVM终端相连，组成含多条总线的KVM切换器。
6.根据权利要求1或3所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，当KVM终端切换到某一KVM节点时，该KVM节点的远端接口和近端接口之间的视频信号通路在电路上是断开的，而其它KVM节点的远端接口和近端接口之间的视频信号通路在电路上是连通的。
7.根据权利要求1所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，KVM节点、KVM终端和KVM多路器之间的连线为UTP-5e双绞线，连线接插件为RJ45插头和RJ45插座。
8.根据权利要求1或7所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，KVM节点将计算机输出的VGA视频信号包括R、G、B、H、V五个信号，进行调制和差分变换，生成R’、G’、B’三个信号，并占用UTP-5e双绞线中的三对差分线进行传输，在KVM终端处R’、G’、B’三个信号被解调，还原为VGA视频信号。
9.根据权利要求1或7所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，键盘、鼠标与计算机之间的通信数据通过一条RS485总线传输，这条RS485总线占用UTP-5e双绞线中的一对差分线。
10.根据权利要求1所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，每个KVM节点上都设有一组拨码开关，用来设置该KVM节点的编号，区分不同的KVM节点。
11.根据权利要求1所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，KVM节点主要由控制逻辑和视频驱动电路两部分组成，控制逻辑的核心是单片机(15)，它与485总线收发器(16)、视频信号继电器(19)、地址设置拨码开关(20)、LED指示灯(21)、主机键盘接口(24)以及主机鼠标接口(25)相连，视频驱动电路包括同步复合电路(17)和差分驱动电路(18)，视频驱动电路的输入来自主机的VGA显卡(26)，485总线收发器(16)挂接在RS-485总线(22)上，视频信号继电器(19)连接在视频总线(23)上。
12.根据权利要求1所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，KVM终端主要由控制逻辑和视频接收电路两部分组成，控制逻辑的核心是单片机(27)，它与485总线收发器(28)、LED数码管(31)、小键盘(32)以及键盘⑧、鼠标⑩相连，485总线收发器(28)与RS-485总线(22)相连，视频接收电路包括差分接收电路(30)和同步提取电路(29)，视频接收电路的输入来自视频总线(23)，输出送到显示器⑨。
13.根据权利要求1所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，KVM多路器主要由控制逻辑、8选1开关组和视频驱动电路组成，控制逻辑的核心是单片机(36)，它与485总线收发器(35)、以及两组8选1开关组(33)、(34)相连，8选1开关组(33)与8路RS-485总线(38)相连，8选1开关组(34)与8路视频总线(39)相连，单片机(36)控制485收发器(35)，通过1路RS-485总线(40)与KVM终端通信，根据KVM终端的指令，单片机(36)控制两组8选1开关组，使8选1开关组(33)从8路RS-485总线(38)中选出1路，与1路RS-485总线(40)相连；使8选1开关组(34)从8路视频总线(39)中选出一路，经过视频驱动电路(37)驱动后送至1路视频总线(41)。
14.根据权利要求13所述的采用总线结构的KVM切换器，其特征在于，8选1开关组(33)由两片8选1模拟开关芯片组成，8选1开关组(34)由6片8选1模拟开关芯片组成，视频驱动电路(37)的作用是补偿视频信号在8选1模拟开关芯片上的衰减。
全文摘要
涉及计算机技术领域的一种采用总线结构的KVM切换器，解决了传统KVM切换器遇到的规模小、传输距离短、连线凌乱问题。它由KVM节点、KVM终端、KVM多路器及计算机主机设备组成。KVM节点负责一台计算机的键盘接口、鼠标接口及视频信号处理工作，每一台被KVM切换器操作的计算机都配备一个KVM节点；KVM终端负责键盘、鼠标和显示器的信号处理工作，它与一套键盘、鼠标、显示器相连。多个KVM节点之间通过UTP－5e双绞线按照总线方式连接，将这条总线和KVM终端相连，即可组成含一条总线的KVM切换器；也可以将多条总线与KVM多路器相连，KVM多路器再与KVM终端相连，组成含多条总线的KVM切换器。
文档编号G06F3/00GK1558304SQ200410001819
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月14日 优先权日2004年1月14日
发明者刘涛, 张佩珩, 孙凝晖, 吴冬冬, 鲁常红, 钱宇辉, 刘 涛 申请人:中国科学院计算技术研究所