KVM光矩阵切换系统的制作方法

本发明涉及音视频显示和控制技术领域，尤其是涉及一种kvm光矩阵切换系统。

背景技术：

在音视频显示和控制、安防等领域，矩阵切换系统是必不可少的设备之一，其最基本的应用功能是在具体的使用场景中相互切换各种类型的音视频信号。

在传统的视频矩阵切换系统(简称矩阵、混合矩阵、模拟矩阵或数字矩阵)中，通常是各类型的视频源(包括hdmi、dvi、vga等)连接矩阵切换系统的输入端口，各类型输出端口(包括hdmi、dvi、vga等类型的接口)连接显示设备，通过控制软件将输入端口与输出端口建立联通性从而实现任意种类的输入视频源到任意种类的视频输出的功能特性。这种实现方式需要直连各类视频接口线，不能满足长距离音视频传输的需求；无法满足数据链路的备份和双机热备功能，系统的安全性和可靠性无法保证。局限于各种类型的输入输出板卡，对生产维护和施工以及后续的用户使用都带来了巨大的不便，易用性不强。

普通的光纤矩阵切换系统中，是将各类型视频信号转换成光信号，传入矩阵切换系统输入端口转换成电信号后，通过切换连接到系统的输出端口转换成光信号，光信号传输到接收装置将光信号还原成电信号。这种设计只是满足了视频的远距离传输的应用场景，但是由于不能链路备份，不能双机备份，故不能满足安全性和可靠性的需求；需要人为的区分输入槽位输入端口或输出槽位输出端口。

众所周知，所谓矩阵切换系统是有着大量端口的切换系统，这给设备生产以及施工和后期应用同样带来巨大不便。不具备远端kvm(key，video，mouse即键盘、视频和鼠标)切换功能，且不具备状态回显功能的矩阵系统不能满足用户本地切换远端视频源的需要。在广播电视领域、音视频显控领域、安防以及军事领域等对设备的安全性和可靠性、施工和操作的简易性有较高的要求，而且源端和显示端往往距离较远。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决如何实现混插功能的技术问题，提供一种kvm光矩阵切换系统。

为了实现上述目的，提供以下技术方案：

一种kvm光矩阵切换系统，该系统包括发送端、接收端和切换控制设备；其中：

所述发送端包括：

第一信号收发装置，与至少二第一光模块相连，用于将视频信号转换成数据包以及接收键鼠信号；

所述至少二第一光模块，用于将所述数据包转换成光信号；

所述接收端包括：

第二信号收发装置，与至少二第二光模块相连，用于根据至少二数据链路的连接状态以及优先级确定一数据链路，并将所述数据包转换成视频信号以及发送键鼠信号；

所述至少二第二光模块，用于将所述光信号转换成所述数据包；

所述切换控制设备，用于建立所述发送端与所述接收端之间的所述至少二数据链路。

优选地，所述至少二第一光模块中的任一具有第一发送接口和第一接收接口；

所述第一信号收发装置具体包括：

第一处理器，与至少二第一光口相连，用于将所述视频信号进行打包，生成所述数据包，并且接收键鼠信号，并将所述键鼠信号发送至第一控制器；

所述第一控制器，用于将所述键鼠信号传输至视频源，以进行显示；

所述至少二第一光口，分别与所述至少二第一光模块的所述第一发送接口、所述第一接收接口相连，用于与所述第一发送接口配合将所述数据包转换成光信号，与所述第一接收接口配合将所述光信号转换成所述数据包，并实现互为备份。

优选地，所述至少二第二光模块中的任一具有第二发送接口和第二接收接口；

所述第二信号收发装置具体包括：

第二处理器，用于根据所述至少二数据链路的连接状态以及优先级确定所述一数据链路，并从至少二第二光口接收所述数据包并进行解包，以输出显示，以及将键鼠信号进行打包并将该包发送至所述第二发送接口；

第二控制器，用于接收所述键鼠信号并将其发送至所述第二处理器；

所述至少二第二光口，分别与所述至少二第二光模块的所述第二发送接口、所述第二接收接口相连，用于与所述第二发送接口配合将所述数据包转换成所述光信号，与所述第二接收接口配合将所述光信号转换成所述数据包，并实现互为备份。

优选地，所述第二处理器还用于根据数据包格式，对所述数据包进行分包，并验证所述数据包是否完整，如果是，则将各分包组成视频帧并进行输出。

优选地，所述第二处理器还用于在所述数据包不完整时，则触发所述至少二第二光口进行主备转换。

优选地，所述第二处理器还用于在进行主备转换时，将当前的视频帧进行冻结，直至切换到另一数据链路并接收到完整的视频帧为止。

优选地，所述第二处理器还用于在解包后的视频信号的图层上叠加一新图层；

键盘利用组合键将叠加后的图层呼出。

优选地，所述切换控制设备具体包括：

多个io卡，分别与所述发送端、接收端相连，用于传输所述视频信号和所述键鼠信号；

切换单元，用于切换所述多个io卡；

中央处理单元，用于控制所述多个io卡以及所述切换单元，以确保所述视频信号和所述键鼠信号在所述多个io卡上的连通性。

优选地，键盘，呼出登录信息，并主动触发所述中央处理单元并与之进行通讯；

所述中央处理单元，响应于所述通讯，并校验所述登录信息，如果所述登录信息匹配，则将在位视频源信号发送至所述第一信号收发装置，并在回显界面显示对应的端口状态。

优选地，与所述接收端相连的多个io卡包括：

第三光口，连接有第三光模块；

第三处理器，用于将对经所述第二信号收发装置传输来的电信号进行解析并将解析结果传输至第四处理器，还用于将由第四处理器传输来的电信号发送至所述第三光模块；

所述第三光模块，还与所述第二信号收发装置相连，用于将由所述键鼠信号转换得到的光信号转换成电信号并将其传输至所述第三处理器，还用于将由所述第三处理器发送来的电信号转换成光信号并将其发送至所述第二信号收发装置；

与所述发送端相连的多个io卡包括：

第四光口，连接有第四光模块；

第四处理器，用于将所述解析结果传输至所述第四光模块，还用于将由视频信号经光电转换得到的电信号发送至所述第三处理器；

所述第四光模块，用于所述解析结果转换成光信号，并将所述光信号发送至所述第一信号收发装置，还用于将由所述视频信号转换得到的光信号转换成电信号，并将所述电信号发送至所述第四处理器。

本发明实施例提供一种kvm光矩阵切换系统。该系统分别在发送端和接收端设置第一信号收发装置和第二信号收发装置，以及至少两个第一光模块和至少两个第二光模块，然后，在发送端和接收端之间通过切换控制设备来对数据链路进行切换。因此，只需要一种统一设计的板卡，不再局限于输入输出的方向，即不再区分输入槽位、输入端口以及输出槽位、输出端口，通过与接入的光信号转换设备通信来自动适配端口是作为输入端口使用还是作为输出端口使用。由此，本发明实施例实现了光矩阵系统的混插功能，用户可以自定义输入端口和输出端口，工程施工人员可将光信号转换设备随意插入到光矩阵系统中，从而给光矩阵系统的实施带来极大的易操作性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的kvm光矩阵切换系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的第一信号收发装置的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的第二信号收发装置的结构示意图；

图4为根据本发明另一实施例的kvm光矩阵切换系统的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

为了满足在音视频显控领域、安防等领域内对安全性、可靠性、施工和操作的简易性等各方面的需求，本发明实施例提供一种kvm光矩阵切换系统。如图1所示，该系统10包括发送端11、接收端12和切换控制设备13。其中，发送端11包括：第一信号收发装置111与至少二第一光模块112相连，用于将视频信号转换成数据包以及接收键鼠信号。至少二第一光模块112用于将数据包转换成光信号。接收端12包括：第二信号收发装置121与至少二第二光模块122相连，用于根据至少二数据链路的连接状态以及优先级确定一数据链路，并将数据包转换成视频信号以及发送键鼠信号。至少二第二光模块122用于将光信号转换成数据包。切换控制设备13用于建立发送端与接收端之间的至少二数据链路。

在上述实施例中，kvm是指key键盘、video视频、mouse鼠标的缩写。发送端也是键鼠信号的接收端。接收端也是键鼠信号的发送端。

这里，kvm光矩阵切换系统也可称之为光矩、光矩阵或光矩阵切换系统，有关光矩、光矩阵或光矩阵切换系统的主题也应在本发明的保护范围内。

上述第一光模块和第二光模块可以为单模或多模光模块。上述光模块成对地配置。

本实施例通过采用上述技术方案，只需要一种统一设计的板卡，不再局限于输入输出的方向，即不再区分输入槽位、输入端口以及输出槽位、输出端口，通过与接入的光信号转换设备通信来自动适配端口是作为输入端口使用还是作为输出端口使用。由此，本发明实施例实现了光矩阵系统的混插功能，用户可以自定义输入端口和输出端口，工程施工人员可将光信号转换设备随意插入到光矩阵系统中，从而给光矩阵系统的实施带来极大的易操作性。

在一个可选的实施例中，上述至少二第一光模块中的任一具有第一发送接口和第一接收接口。如图2所示，第一信号收发装置20具体包括：第一处理器22、第一控制器24和至少二第一光口(26,28)。其中，第一处理器与至少二第一光口相连，用于将视频信号进行打包，生成数据包，并且接收键鼠信号，并将键鼠信号发送至第一控制器。第一控制器用于将键鼠信号传输至视频源，以进行显示。至少二第一光口分别与至少二第一光模块的第一发送接口、第一接收接口相连，用于与第一发送接口配合将数据包转换成光信号，与第一接收接口配合将光信号转换成数据包，并实现互为备份。

其中，光模块具有两个方向的接口，其中一个是发送接口，另一个是接收接口。发送接口将电信号转换成光信号并通过光纤进行发送。接收接口接收来自光纤的光信号，并将其转换为电信号。成对的两个光模块之间通过光纤连接，从而可以实现光信号的双向传输。

举例来说，以第一光模块和第二光模块成对配置为例，本领域技术人员应能理解，这里的“第一”和“第二”仅仅是为了区分两个光模块而已。

其中，第一光模块和第二光模块通过两根光纤连接。第一光模块的发送接口通过光纤连接至第二光模块的接收接口；第一光模块的接收接口通过光纤连接至第二光模块的发送接口，从而形成了光信号的收发线路。

发送端和接收端的信号收发装置分别具有至少两个光口。该至少两个光口可以分别与光模块的两个接口相连，从而使得发送端的信号收发装置的至少两个光口为互为备份的两个接口，接收端的信号收发装置的至少两个光口为互为备份的两个接口。

这里，备份的目的是为了提高kvm光矩阵切换系统的稳定性和安全性。假设信号收发装置具有第一光口和第二光口。假如第一光口坏掉，或者连接第一光口的光纤断掉，亦或是接入第一光口的光模块坏掉。这样，第一光口所在的传输链路或通信链路不能正常传输数据，反映出来的现象就是视频无法显示、音频无法播放、键鼠无法操作等。而本发明通过第一光口和第二光口的备份，实现在第一光口所在传输链路或通信链路出现异常时，第二光口所在链路会自动启用。这里，第二光口就是第一光口的备份链路。同理，如果第二光口所在的链路出现异常，第一光口所在的链路会自动启用。这时，第一光口就是第二光口的备份链路。这样，第一光口和第二光口互为备份，由此实现了任何一条链路出现故障，另一条链路会自动取代该出现故障的链路而保证传输链路或通信链路的畅通。

上述第一处理器例如可以为可编程逻辑器件、数字信号处理器、专用集成电路器件等，但绝不限于此。

第一信号收发装置的第一处理器接收到有效的视频信号后，将该视频信号进行数据打包，然后将数据包通过至少两个光口发送至光模块，光模块的发送接口再将数据包转换为光信号并通过光纤发送至切换控制设备。

其中，有效的视频信号可以是hdmi、dvi、vga、sdi等各种类型的视频源信号。视频源可以是计算机。视频源可以通过usb接口与信号收发装置相连。

上述实施例通过信号收发装置的至少两个光口同时将数据包发送至切换控制设备，从而实现了光信号在发送端的备份功能，由此，有效地解决了因发送端光纤折断等原因造成的数据断路的问题。

另外，本发明实施例还可以连接至两台处于同一局域网中的切换控制设备，从而可以实现光信号在发送端的双机备份功能。由此，解决了因kvm光矩阵切换系统宕机而造成的数据断路的问题，进一步提升了kvm光矩阵切换系统的安全性和可靠性。

本领域技术人员应能知道，为了确保视频信号发送端可以在实际应用中正常工作，其还可以包括视频接口数据线、usb数据线和光纤。

在一个可选的实施例中，至少二第二光模块中的任一具有第二发送接口和第二接收接口。如图3所示，上述第二信号收发装置具体包括：第二处理器、第二控制器和至少二第二光口。其中，第二处理器32用于根据至少二数据链路的连接状态以及优先级确定一数据链路，并从至少二第二光口接收数据包并进行解包，以输出显示，以及将键鼠信号进行打包并将该包发送至第二发送接口。第二控制器34用于接收键鼠信号并将其发送至第二处理器。至少二第二光口(36,38)分别与至少二第二光模块的第二发送接口、第二接收接口相连，用于与第二发送接口配合将数据包转换成光信号，与第二接收接口配合将光信号转换成数据包，并实现互为备份。

本实施例中，有关第二处理器、第二控制器和第二光口的说明可以参见第一处理器、第一控制器和第一光口的说明，在此不再赘述。

第二控制器用于接收键鼠信号(即键盘鼠标数据)，并将该键鼠信号发送至第二处理器。在实际应用中，第二控制器可以通过usb接口来接收键鼠信号。第二处理器接收到键鼠信号后，将其进行数据打包并发送至光模块。然后，光模块的发送接口将打包后的数据包转换成光信号发送至切换控制设备。

本领域技术人员应能知道，为了确保视频信号接收端可以在实际应用中正常工作，本发明实施例还可以包括视频接口数据线、鼠标、键盘和光纤。视频信号接收端与显示器、键盘和鼠标建立连接。键盘鼠标数据通过usb接口被信号收发装置中控制单元接收并将数据传到处理单元，该处理单元将数据打包发送给光模块，该光模块将数据转换成光信号发送出去。

发送端和接收端的第一信号收发装置和第二信号收发装置的至少两个光口通过光模块与切换控制设备的任意两个端口连接，从而可以在发送端和接收端之间建立连接关系，进而可以在接收端实现光信号的双链路备份。即：任何一条传输链路/通信链路的光纤或光模块出现故障后都能保证数据的正常传输。由此，提高了kvm光矩阵切换系统的可靠性。

在一个可选的实施例中，上述第二处理器32还用于根据数据包格式，对数据包进行分包，并验证数据包是否完整，如果是，则将各分包组成视频帧并进行输出。

在接收端，与第二信号收发装置连接的光模块接收光信号并将该光信号转换成电信号。然后，第二信号收发装置的第二处理器对该电信号进行数据解包。如果解包得到的视频信号是有效的视频信号，则第二处理器将该视频信号发送至显示器进行显示。

在另一个可选的实施例中，上述第二处理器32还用于在数据包不完整时，则触发至少二第二光口进行主备转换。

在又一个可选的实施例中，上述第二处理器32还用于在进行主备转换时，将当前的视频帧进行冻结，直至切换到另一数据链路并接收到完整的视频帧为止。

本实施例中，第二处理器在检测到视频信号切换动作时，冻结当前输出的视频帧并在该视频信号切换动作完成后输出视频信号。由此，可以实现不同分辨率视频之间的无缝切换，没有黑屏、花屏的现象。

在又一个可选的实施例中，为了实现连接状态的回显，基于图层叠加技术原理，上述第二处理器32还用于在解包后的视频信号的图层上叠加一新图层；键盘利用组合键将叠加后的图层呼出。

下面举例说明视频回显的工作过程。

以通过键盘呼出显示器的登录界面为例，通过键盘主动发起与切换控制设备之间的通讯。其中，切换控制设备包括中央处理器，该中央处理器与键盘建立通讯连接。键盘通过中断的方式触发中央处理器。该中央处理器查询到通讯包后，校验登录信息。如果该登录信息匹配，则将属于该用户的在位视频源信号发送至接收端的信号收发装置，并在回显界面显示对应的端口状态。这样，通过键盘来选择对应的属于当前登录用户的在位端口，可以提供不同视频源之间的切换，即：将对端的视频源信号切换到当前的显示器，或者，将对端的视频源信号切换到当前的显示器且将当前的键鼠通道切换到对端的视频源，从而实现利用本地键鼠带有权限地控制远端视频源的目的。

在一个可选的实施例中，切换控制设备具体包括：多个io卡、切换单元和中央处理单元。其中，多个io卡分别与发送端、接收端相连，用于传输视频信号和键鼠信号。切换单元用于切换多个io卡。中央处理单元用于控制多个io卡以及切换单元，以确保视频信号和键鼠信号在多个io卡上的连通性。

其中，上述中央处理单元可以对光模块和信号收发装置进行控制。例如：中央处理单元通过rs485串行总线实现对光模块和信号收发装置的控制。中央处理单元还可以通过spi控制总线来控制切换单元。

在一个可选的实施例中，键盘呼出登录信息，并主动触发中央处理单元并与之进行通讯。中央处理单元响应于通讯，并校验登录信息，如果登录信息匹配，则将在位视频源信号发送至第一信号收发装置，并在回显界面显示对应的端口状态。

在一个可选的实施例中，与接收端相连的多个io卡具体包括：第三光口、第三处理器和第三光模块。其中，第三光口连接有第三光模块。第三处理器用于将对经第二信号收发装置传输来的电信号进行解析并将解析结果传输至第四处理器，还用于将由第四处理器传输来的电信号发送至第三光模块。第三光模块还与第二信号收发装置相连，用于将由键鼠信号转换得到的光信号转换成电信号并将其传输至第三处理器，还用于将由第三处理器发送来的电信号转换成光信号并将其发送至第二信号收发装置。与发送端相连的多个io卡包括：第四光口、第四处理器和第四光模块。其中，第四光口连接有第四光模块。第四处理器用于将解析结果传输至第四光模块，还用于将由视频信号经光电转换得到的电信号发送至第三处理器。第四光模块用于解析结果转换成光信号，并将光信号发送至第一信号收发装置，还用于将由视频信号转换得到的光信号转换成电信号，并将电信号发送至第四处理器。

下面结合图4以优选实施例对本发明的工作原理进行详细阐述。

本实施例中，定义与发送端的信号收发装置相连的光模块为第一光模块，与切换控制设备的io卡相连的光模块为第三光模块，与接收端的信号收发装置相连的光模块为第二光模块。

如图4所示，视频源401通过视频接口线将视频传输至发送端的第一信号收发装置402。第一信号收发装置402的第一处理器4021将接收到的视频信号进行打包，并以数据流的形式将视频数据包发送至第一光模块(403,404)，第一光模块(403,404)的发送接口将视频数据包转换成光信号，并将其发送至切换控制设备405中的io卡(4051)的第三光模块(40511)。然后，第三光模块(40511)将接收到的光信号转化成电信号，之后将其发送至io卡4051的第三处理器40512。这里，第三处理器40512接收到的即为发送端的信号收发装置402中的第一处理器4021发送的视频信号流。第三处理器40512通过包格式的包头和包尾解析出完整的视频数据并将其进行缓存，然后，将其发送至切换控制设备405的信号通道。由于第三处理器40512缓存一个完整的视频数据包，所以，其发出的视频数据总是一个完整有效的数据包。又由于包格式支持可变长度，所以，在视频数据流的速度一定的情况下，本发明提出的kvm光矩阵切换系统可以支持不同刷新率的视频格式。在切换控制设备405中，切换单元4053将与发送端相连的io卡4051接收的视频数据包切换到与接收端相连的io卡4052。与接收端相连的io卡4052中的第三处理器40522对切换来的视频数据包进行检测，并将该视频数据包发送至与接收端相连的至少两个光模块(406,407)。然后，该光模块将视频数据包转换成光信号并通过发送接口发送至接收端的至少两个第二光模块(406,407)。该第二光模块(406,407)再将光信号转换成电信号并将其传输至第二处理器4081。第二处理器4081根据线路的连接状态，并根据数据链路/传输链路或通信链路的优先等级，选择一条通道为主通道，然后，根据数据包格式，将光模块(406,407)转换后的电信号(视频数据流)进行分包，并验证视频数据流是否是完整包。如果是，则将视频数据流写入当前的写入缓存。接着，再将各个分包组成一个视频帧进行缓存并验证其是否是完整的数据包。如果是，则将缓存的数据包转变为待输出的缓存。将待输出的缓存进行输出即为正常显示的图像。如果视频数据流不是完整的数据包，或者当前链路异常(例如：光线折断、光模块异常等)，再或者另一条链路的优先级主动变高等，则第二处理器4081触发接收端的信号收发装置408的光口进行主备转换。在进行主备转换时，接收端的第二信号收发装置408的第二处理器4081将当前的视频帧进行冻结，即显示器409上会显示主备倒换前的最后一帧视频，直至切换到另一条传输链路并收到完整的视频帧为止，然后，将收到的完整视频帧输出至显示器，从而，实现了主备过程的无缝倒换，这其中看不到黑屏、花屏和缩放的过程。

再如图4所示，键鼠信号(键盘和鼠标的数据流)与视频信号流正好反向。键盘411、鼠标410通过usb连接至接收端的第二信号收发装置408的usb接口。第二信号收发装置408的第二控制器4082周期性地采集usb数据，并将其发送至第二处理器4081，然后，第二处理器4081将键鼠信号进行打包并发送至第二光模块(406,407)。其中，对键鼠信号的打包方式可以采用对视频信号进行打包的方式。至少两个第二光模块(406,407)将打包的键鼠信号转换成光信号后发送至切换控制设备405的io卡4052连接的至少两个光模块40521。在接收端的第二信号收发装置408的光口与切换控制设备405的io卡4052上的光口之间传输的是相同的数据，所以，形成了键鼠数据包流的双链路备份。因此，与io卡(4051,4052)连接的光模块始终能接收到键鼠信号。与io卡4052连接的第三光模块40521将键鼠信号发送至第三处理器40522。该处理器40522根据包格式将键鼠信号进行分包且验证键鼠信号是否是完整的数据包，并始终缓存一个完整的数据包。接着，该处理器40522将完整的键鼠数据包发送至切换单元4053的数据通道并将键鼠数据包传输至与发送端相连的io卡4051的第三处理器40512。该处理器40512将键鼠数据包传输至与发送端相连的第三光模块(40511,40512)进行光电转换。转换后得到的光信号被发送至发送端的与第一信号收发装置402相连的第一光模块(403,404)。第一光模块(403,404)将光信号转换成电信号并将该电信号发送至第一信号收发装置402的第一处理器4021。然后，第一处理器4021根据链路的连通性以及优先级，选择一条链路作为键鼠信号的接收链路，将接收到的键鼠信号流分包并检验数据包的完整性，接着，将完整的键鼠信号包发送至第一控制器4022，第一控制器4022将键鼠信号经usb接口传输至视频源401(例如：计算机)。这时，可以在视频源401上可以看到代表鼠标的符号，由此，通过键盘411和鼠标410就可以操作视频源401。

需要说明的是，上述优先级的确定可以预先设定。例如，可以接收端的第二信号收发装置的任一光口为高优先级端口，则会优先接收来自指定端口的视频信号。

本领域技术人员应能理解，文中的术语“第一”、“第二”、“第三”等不应视为对本发明保护范围的限制。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。实施例的选择和描述是为了最佳地说明本发明的原理及其实际应用，从而使本领域其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适于特定使用预期的各种变型。本发明的实施例可以省略上述技术特征中的一些技术特征，仅解决现有技术中存在的部分技术问题。而且，所描述的技术特征可以进行任意组合。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。