一种基于6U-CPEX规范的信号切换装置的制作方法

一种基于6u-cpex规范的信号切换装置
技术领域
1.本实用新型涉及信号切换控制技术领域，特别是一种基于6u-cpex规范的信号切换装置。


背景技术：

2.一个完整的计算机系统除了包含主板单元外，还包括操作控制及显示单元，显示单元以dvi和vga接口较为常见，dvi接口可以适应更高的1080p分辨率；操作控制接口以usb接口和ps2接口较为常用，另外串口成为主板对外常用的低速通信接口。
3.工业及军用环境中，双机备份，多机备份，多机轮换工作的应用场景较为常见，此时涉及多个计算机共用操作控制及显示单元的应用，需要针对操作控制及显示单元进行切换处理。
4.在工业控制领域，cpex接口相对cpci接口能够适应更多的高带宽应用需求，另外近两年来，随着各个国家之间的贸易战争加剧，电路的设计的自主可控保障性越来越收到企业的重视。
5.因此，急需设计一种符合6u-cpex规范的国产化切换装置，以满足军用及工业控制领域，显示及操控设备多种接口的切换控制应用需求。


技术实现要素：

6.本实用新型所解决的技术问题在于提供一种基于6u-cpex规范的信号切换装置。
7.实现本实用新型目的的技术解决方案为：
8.一种基于6u-cpex规范的信号切换装置，包括电源转换模块，主机通信及选择模块、fpga切换控制模块，dvi切换模块，usb切换模块，rs232接口模块，rs422接口模块和ps2接口模块；
9.所述fpga切换控制模块分别与主机通信及选择模块、dvi切换模块、usb切换模块、rs232接口模块、rs422接口模块和ps2接口模块连接；
10.所述电源转换模块用于将接入的电源转换为切换装置工作所需的电源，为切换装置的各个模块供电；
11.所述主机通信及选择模块用于接收外部主机发送切换指令以及io切换选择信号输入；
12.所述fpga切换控制模块用于接收主机通信及选择模块的切换指令，并向dvi切换模块，usb切换模块，rs232接口模块，rs422接口模块和ps2接口模块发送切换指令；
13.所述dvi切换模块和usb切换模块用于实现dvi、usb信号切换；所述rs232接口模块，rs422接口模块用于实现rs232、rs422串口信号电平的转换；所述ps2接口模块用于实现ps2信号电平的转换。
14.进一步的，所述电源转换模块的一端接入12v电压，并分别通过两个电源转换芯片将12v电源将至5v和3.3v电压，所述5v和3.3v电压的输出端各自分别串联一个电阻和一个
发光二极管，用于供电指示；
15.所述两个电源转换芯片的5v和3.3v直流电压分别经过磁珠与切换装置的5v、3.3v电源网络连接，用于电源的调试隔离及工作直流电源滤波；
16.所述电源转换芯片采用型号为bl8033电源芯片。
17.进一步的，所述主机通信及选择模块包括两路串行接口和四路io选择信号输入；
18.其中两路串行接口用于与连接外部主机与fpga切换控制模块，两路串行接口采用一块收发芯片完成数据收发电平转换；
19.所述四路io选择信号输入为悬空或接信号地；
20.所述主机通信及选择模块的串行接口采用rs232电平标准，rs232至lvttl电平转换采用er3232ss芯片，单个芯片完成两路rs232串行通信接口的数据收发电平转换。
21.进一步的，所述usb切换模块包括多个usb2.0信号切换通道，每个usb2.0信号切换通道采用双向多路开关选择芯片将输入的多路usb信号选择一路切换输出；
22.所述usb切换模块通过io引脚与fpga切换控制模块连接；
23.所述双向多路开关选择芯片采用was4735q芯片。
24.进一步的，所述rs232接口模块包括多个收发芯片，每个收发芯片完成两路rs232电平至fpga的lvttl电平标准的转换，实现对外的rs232信号通路；
25.所述rs422接口模块包括多个收发芯片，每个收发芯片完成一路rs422电平至fpga的lvttl电平标准的转换，实现对外的rs422信号通路；
26.所述rs232接口模块的收发芯片采用er3232ss芯片；
27.所述rs422接口模块的收发芯片采用er3491ss芯片。
28.进一步的，所述ps2接口模块采用多个分立元器件实现ps2电平至fpga的lvttl电平标准的转换。
29.进一步的，所述dvi切换模块包括dvi切换芯片，esd防护芯片；
30.所述dvi切换芯片与fpga切换控制模块通过io引脚连接，用于完成fpga切换控制模块的dvi输入视频通道的切换输出选择控制；
31.所述esd防护芯片有多个，分别与fpga切换控制模块的dvi输入视频通道和dvi切换芯片的切换输出的dvi视频连接，对其进行esd防护；
32.所述dvi切换芯片采用lt8642ux芯片，esd防护芯片采用esd5344d芯片。
33.进一步的，所述dvi切换模块包括多个eeprom芯片，eeprom芯片分别与fpga切换控制模块连接，接收fpga切换控制模块输出的dvi数字视频数据，根据芯片预设的edid信息输出相应分辨率的dvi数字视频信号。
34.进一步的，所述fpga切换控制模块采用gw1n-9型国产fpga芯片。
35.本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：
36.(1)本实用新型中的接口均采用标准cpex接口，相cpci接口，切换装置具备更好的信号完整性，进而使信号切换具备更强的稳定性；
37.(2)本实用新型的接口切换控制灵活可配置，切换控制接口支持串口和普通io的多种混合控制模式；
38.(3)本实用新型的信号切换装置单个装置即可实现dvi、usb、rs232、rs422、ps2信号切换，且信号接口路数量可拓展；
39.(4)本实用新型的信号切换装置中的dvi接口切换模块设置esd防护电路，对误插拔情况具有一定的安全防护能力。
40.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述。
附图说明
41.图1为本实用新型的基于6u-cpex规范的信号切换装置的结构示意图。
42.图2为本实用新型的实施例中的电路结构示意图。
43.图3为本实用新型的实施例中的dvi切换模块电路示意图。
44.图4为本实用新型的实施例中的fpga切换控制模块的功能示意图。
45.图5为本实用新型的实施例中的ps2接口模块的电路示意图。
46.图6为本实用新型的实施例的实物外形示意图。
具体实施方式
47.实施例
48.结合图1和图2，一种基于6u-cpex规范的信号切换装置，包括电源转换模块，主机通信及选择模块、fpga切换控制模块，dvi切换模块，usb切换模块，rs232接口模块，rs422接口模块和ps2接口模块；
49.所述fpga切换控制模块分别与主机通信及选择模块、dvi切换模块、usb切换模块、rs232接口模块、rs422接口模块和ps2接口模块连接；
50.fpga切换控制模块接收主机通信及选择电路的切换控制命令，向dvi切换电路和usb切换电路输出切换控制信号，对经由rs232接口电路，rs422接口电路电平转换后的信号进行切换，对经由ps2接口电路的信号进行ps2协议匹配识别和切换；
51.dvi切换模块和usb切换模块采用专用集成电路，接收fpga切换控制模块输出的信号，实现dvi、usb信号切换；
52.rs232接口模块和rs422接口模块分别负责rs232、rs422串口信号电平的转换，串口信号的切换由fpga切换控制电路实现；
53.ps2接口模块负责ps2信号电平的转换，ps2信号的协议匹配识别和切换处理由fpga切换控制电路实现；
54.所述dc-dc电源转换模块用于将cpex接口接入的电压转换为切换装置工作所需的电压，为切换装置的各个模块供电。
55.进一步的，所述dc-dc电源转换模块的一端接入12v电压，并分别通过两个电源转换芯片将12v电源将至5v和3.3v电压，所述5v和3.3v电压的输出端各自分别串联一个电阻和一个表贴发光二极管至信号地，用于供电指示；
56.所述电源转换芯片采用上海贝岭有限公司的bl8033国产电源芯片；
57.所述两个电源转换芯片的5v和3.3v直流电压分别经过jpb3216-800/4a型磁珠与切换装置的5v、3.3v电源网络连接，用于电源的初次调试隔离及正常工作直流电源滤波。
58.进一步的，所述主机通信及选择模块包含与外部主机通信的串行接口，用于接收主机串口发送的切换控制命令，同时包含io选择信号输入，通过配置io选择信号的高低电平状态，使切换装置处于不同工作模式，实现对切换装置的切换控制；
59.主机通信及选择模块包括两路串行接口和四路io选择信号输入；
60.其中两路串行接口用于与连接外部主机与fpga切换控制模块，两路串行接口采用一块收发芯片完成数据收发电平转换；主机通信串口采用rs232电平标准，rs232至lvttl电平转换采用天光半导体的er3232ss国产芯片，单个芯片完成两路rs232串行通信接口的数据收发电平转换，转换后的lvttl电平串口信号连接至fpga切换控制电路；
61.所述四路io选择信号输入为悬空或接信号地，当输入为悬空状态时，切换装置内置的io上拉电路形成高电平输出至fpga切换控制电路，当输入为接信号地时，低电平输出至fpga切换控制电路。
62.针对特殊的应用场景，主机通信及选择电路可以做适应性更改，当要求主机通信接口具备抗电磁干扰能力或者主机只具备rs422/rs485接口时，主机通信串口采用的电平标准可以由rs232电平更改为rs422/rs485电平，此时可以选用天光半导体的er3491ss国产芯片；当输入的4路io选择信号已经具备与fpga芯片io电平兼容的lvttl高电平状态时，切换装置可以取消内置的io上拉电路。
63.进一步的，所述usb切换模块包括多个usb2.0信号切换通道，每个usb2.0信号切换通道采用双向多路开关选择芯片将输入的多路usb信号选择一路切换输出；
64.所述usb切换模块通过io引脚与fpga切换控制模块连接；
65.本实施例中，usb切换模块选用韦尔半导体的was4735q国产芯片，共包含四组功能相同的usb2.0信号切换通道，每个usb信号切换通道采用一片was4735q芯片，实现将输入的四路usb信号选择一路切换输出，was4735q芯片的切换控制由fpga的两个普通io引脚控制，通过控制两个普通io引脚的不同高低电平组合实现切换控制。
66.进一步的，所述rs232接口模块包括多个收发芯片，每个收发芯片完成两路rs232电平至fpga的lvttl电平标准的转换，实现对外的rs232信号通路；
67.本实施例中，收发芯片选用天光半导体的er3232ss国产芯片；rs232接口模块采用6片er3232ss芯片实现对外12路rs232信号通路；
68.所述rs422接口模块包括多个收发芯片，每个收发芯片完成一路rs422电平至fpga的lvttl电平标准的转换，实现对外的rs422信号通路；
69.本实施例中，收发芯片选用天光半导体的er3491ss国产芯片，rs422接口模块采用12片er3491ss芯片实现对外12路rs422信号通路；
70.每个rs232、rs422信号通路可自定义为主机的串口信号输入或者为串口信号切换输出，信号的切换控制由fpga切换控制芯片实现；
71.本实施例中，rs232接口模块对外连接的12路rs232信号通路中，四路信号用于连接主机a的四路rs232串口，四路信号用于连接主机b的四路rs232串口，四路信号用于切换输出主机a的四路rs232串口或者主机b的四路rs232串口；
72.rs422接口模块对外连接的12路rs422信号通路中，四路信号用于连接主机a的四路rs422串口，四路信号用于连接主机b的四路rs422串口，四路信号用于切换输出主机a的四路rs422串口或者主机b的四路rs422串口；
73.rs232和rs422串口信号的切换控制由fpga切换控制芯片完成。
74.进一步的，所述ps2接口模块采用多个分立元器件实现ps2电平至fpga的lvttl电平标准的转换；
75.本实施例中，ps2接口模块提供10路ps2接口通路，10路ps2接口通路具有相同的电路连接方式，如图5所示：
76.信号切换装置ps2接口通路包含时钟信号ps2_clk和数据信号ps2_dat，ps2_clk和ps2_dat信号分别经过第一电阻r1和第二电阻r2与fpga芯片的普通io引脚的fpga_clk和fpga_dat信号连接，ps2_clk和ps2_dat信号分别经过第三电阻r3和第四电阻r4与电源转换模块输出的5v电源网络连接，fpga_clk和fpga_dat信号分别经过第一双向二极管v1和第二双向二极管v2同时与信号地和电源转换模块输出的3.3v电源网络连接，用于将fpga_clk和fpga_dat信号的电压钳位至0v至3.3v之间。
77.其中，在本实施例中，第一电阻r1和第二电阻r2的阻值大小为120欧姆，第三电阻r3和第四电阻r4的阻值大小为2k欧姆，第一双向二极管v1和第二双向二极管v2选用振华永光的bat54s型国产双向二极管；
78.10路ps2接口通路中，四路ps2接口用于连接4路主机的鼠标接口，一路用于连接鼠标设备，4路主机的鼠标接口切换连接至一路鼠标设备；另有四路ps2接口用于连接4路主机的键盘接口，一路用于连接键盘设备，4路主机的键盘接口切换连接至一路键盘设备。
79.进一步的，结合图3，所述dvi切换模块包括dvi切换芯片，esd防护芯片；
80.所述dvi切换芯片与fpga切换控制模块通过io引脚连接，用于完成pga切换控制模块的dvi输入视频通道的切换输出选择控制；
81.本实施例中，dvi切换芯片选用龙讯半导体的lt8642ux国产芯片，单个芯片实现将四路输入dvi-d单通道数字视频中的两路选择性的切换输出至两路dvi视频输出端口，四路输入dvi-d数字视频用于接收外部主机输出的dvi视频信号，两路输出dvi视频信号用于连接显示设备，fpga芯片通过两个普通io引脚输出lvttl电平标准的rs232协议串口信号，用于连接lt8642ux切换芯片的控制端口，完成输入视频通道的切换输出选择控制。
82.lt8642ux芯片输入至输出的dvi视频通道的切换不仅包含dvi数字视频数据涉及的三对差分数据信号和一对差分时钟信号的切换，还包括dvi通路的ddc通信信号的同步切换，lt8642ux芯片读取与两路输出dvi视频通道相连接的显示设备的edid信息，切换输出至被选择的两路输入dvi视频接口。
83.所述esd防护芯片有多个，分别与fpga切换控制模块的dvi输入视频通道和dvi切换芯片的切换输出的dvi视频连接，对其进行esd防护；
84.本实施例中，esd防护芯片选用韦尔半导体公司的esd5344d型国产esd防护芯片，对四路输入dvi-d数字视频和两路切换输出的dvi视频进行esd防护处理，每路dvi-d数字视频信号中的三对差分数据信号线data0+/-、data1+/-、data2+/-和一对差分数据时钟信号线data_clk+/-需要进行esd防护处理，单个esd5344d芯片可以完成两对差分信号的esd防护处理，因此每路dvi-d数字视频信号需要使用两片esd5344d芯片。
85.另外，四路输入dvi-d数字视频接口的ddc通信信号不仅可以与lt8642ux芯片的四路dvi输入接口连接，也可以通过绕线跳线或者调整串接电阻焊接位置的方式，与四个i2c接口的eeprom芯片直接连接，eeprom芯片内部存储预设的edid信息，用于控制四路主机强制按照预设的edid信息输出相应分辨率的dvi数字视频信号，eeprom芯片选用上海贝岭股份公司的bl24c02型i2c接口国产eeprom芯片，ddc通信信号的ddc_clk信号与bl24c02芯片的时钟信号连接,ddc_dat信号与bl24c02芯片的双向数据信号连接。
86.所述dvi信号为dvi-d单通道数字视频信号，每路dvi-d数字视频信号包含三对差分数据信号线data0+/-、data1+/-、data2+/-，一对差分数据时钟信号线data_clk+/-，用于传输dvi数字视频数据；一根热插拔检测信号hpd，用于dvi连接器的热插拔识别；一根ddc通信数据信号ddc_dat，和一根ddc通信时钟信号ddc_clk,ddc_clk信号和ddc_dat信号组成一组ddc通信信号，主机通过dvi接口的ddc通信信号识别显示设备的分辨率等信息。
87.进一步的，结合图4，所述fpga切换控制模块采用广东高云半导体的gw1n-9型国产fpga芯片，fpga切换控制芯片接收主机通信及选择电路的切换控制命令，向dvi切换电路和usb切换电路输出切换控制信号，对经由rs232接口电路，rs422接口电路电平转换后的信号进行切换，对经由ps2接口电路的信号进行ps2协议匹配识别和切换；
88.所述gw1n-9型国产fpga芯片内置flash单元，与外部主机通信串行接口部分逻辑由外部9.8304mhz的晶振驱动，所有的切换控制逻辑及ps2信号的协议匹配识别部分逻辑由外部25mhz的晶振驱动，由不同晶振驱动的逻辑单元采用异步方式通信。
89.所述fpga芯片内置信号去抖模块，对主机通信及选择电路的输入io选择信号进行信号去抖动处理，用于滤除io选择信号在电平跳变时的信号抖动；
90.fpga芯片内置rs232协议解析模块，依据rs232通信协议标准，对电平变换后的主机串口信号进行协议解析，输出接收的串行数据比特流；
91.fpga芯片内置通信指令协议解析模块，用于对rs232协议解析模块输出串行数据比特流形成的多个字节的数据格式进行解析，识别字节数据流的指令要求；
92.fpga芯片内置切换控制模块，用于接收通信指令协议解析模块输出的指令要求信息，同时用于接收信号去抖模块输出的选择信号，依据预先设计的工作模式要求，执行相应的切换控制动作；
93.fpga芯片内置dvi切换指令数据模块，将切换控制模块输出的切换控制要求，转换为dvi切换控制芯片能够识别的字节指令数据流；
94.fpga芯片内置rs232协议生成模块，依据rs232通信协议标准，将dvi切换指令数据模块输出的字节指令数据流转换为串行比特数据流，此过程与rs232协议解析模块处理流程互为逆过程，最终通过fpga的io引脚输出至dvi切换芯片；
95.fpga芯片内置usb切换控制信号模块，依据usb切换芯片的控制信号真值表，将切换控制模块的切换要求转换为usb切换芯片能够识别的控制信号io电平，通过fpga芯片的io引脚连接至usb切换芯片；
96.fpga芯片内置rs232信号切换模块和rs422信号切换模块，依据切换控制模块的切换动作要求，将相应的输入串口信号与输出串口信号通路连接；
97.fpga芯片内置ps2切换控制信号模块，依据切换控制模块的切换动作要求，执行ps2信号的切换输出；
98.fpga芯片内置ps2协议生成模块，用于ps2信号的协议匹配识别，执行ps2信号的上电初始识别，解决ps2信号不支持热插拔对信号切换带来的影响。
99.结合图6，为本实用新型实施例的切换装置的外形及接口示意图；
100.电路印制板外形尺寸为233.35mm(长)
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160mm(宽)，对外接口连接器xp1至xp8的布放符合cpex规范，电路电源取自xp1位号cpex连接器，3.3v电源取自xp1连接器的b1至b4引脚；5v电源取自xp1连接器的c1至c4引脚；12v电源取自xp1连接器的e1至e4和f1至f4引
脚；rs232、rs422串口信号、ps2信号可布放于xp2至xp8连接器，dvi、usb高速信号可布放于xp2、xp3、xp5至xp8连接器。
101.一些实施例中，只使用xp1连接器12v电源进行dc-dc电源转换，rs232接口电路输入输出信号位于xp2连接器，rs422接口电路输入输出信号位于xp3连接器，ps2接口电路输入输出信号位于xp4连接器，usb切换电路输入输出信号位于xp5连接器，dvi切换电路输入输出信号位于xp6至xp8连接器。
102.本实用新型的信号切换装置单个装置即可实现dvi、usb、rs232、rs422、ps2信号切换，且信号接口路数量可拓展，切换功能具有更强的灵活性；并且所有芯片均采用国产芯片，实现自主可控，使切换装置具备更强的保障性，在提高了切换装置国产化率的同时，满足军用及工业控制领域，显示及操控设备多种接口的切换控制应用需求。