双机冷备计算机信号切换的设计与实现

0 引言
    计算机是系统的核心部件，担负着控制、数据处理、通信等工作，高可靠性是对计算机最重要的要求之一；冗余技术就是在系统中设计二套或二套以上完成同一给定任务的设备的技术，当系统发生故障时，冗余配置的设备介入并承担工作，由此缩短系统的故障时间，提高系统的可靠性。冗余设计可采取的方式多种多样，按照冗余的程度可分为1：1冗余、1：2冗余等多种，按照工作方式分为热备份冗余和冷备份冗余。双机冗余冷备份为采用1：1系统级冷备份冗余方式，其设计相对简单、可靠性高。

1 系统实现原理
    双机冷备计算机系统由两套独立计算机(标识为A、B系统)组成，两套计算机软、硬件配置均相同，配置有CPU模块、扩展模块、电源(将外部+24V供电变换为+5V、+3．3v电源)。两套计算机有独立的加电开关，各有一套I／O信号，例如：VGA接口、PS／2接口、网络接口、USB接口等；通过加电开关选择任一套计算机工作，信号切换电路自动识别选择该计算机I／O接口对外提供，即将处于工作状态的计算机的I／O信号接通对外连接，而此时另一套计算机不工作，处于冷备份状态。当处于工作状态的计算机(如A系统)发生故障时，即关闭A系统，启动B系统并通过信号切换电路将B系统对应的接口对外引出。
    信号选择与切换电路的设计是整个双机冷备计算机系统设计的关键环节之一，也是关系到双机冷备计算机系统可靠性的重点。本设计中，A、B系统信号切换功能是通过专门的信号切换模块实现的，任一套计算机加电即可实现该系统的接口信号通过切换芯片对外引出；其具备的切换功能如下：
    (1)支持VGA显示信号2选1输出；
    (2)支持PS／2键盘信号2选1输出；
    (3)支持PS／2鼠标信号2选1输出；
    (4)支持USB信号2选1输出；
    (5)支持1553B总线信号2选1输出；
    (6)支持RS422串口信号2选1输出；
    (7)支持4路10M／100M自适应以太网交换端口。

2 硬件设计
2．1 电源选择电路设计
    信号切换模块需将处于工作状态的计算机的I／O信号接通对外连接。也就是说，信号切换模块上的各切换芯片工作电源由其中一个系统(A系统或B系统)的电源提供，再配合控制信号(如EN使能信号等)的控制即可实现切换芯片的信号切换。电源选择电路实现的功能是要判断A、B系统的通断电状态，并选择上电系统的电源提供给切换芯片工作。
    设计选用两个桂林航天电子的电磁继电器2JT5-2(额定负载为12V／5A)来完成，原理框图如图1所示。以电源模块输出的+5V电源为例，A系统的+5V电源输出连线进电磁继电器的被控制端，同时也引线至电磁继电器的控制端(即线包)；B系统的+5V电源连接方式同A系统。

    电源选择电路由A、B两个系统电源供电，当其中一套计算机接收外部+24V供电，并通过电源模块转换为+5V输出时，该路继电器的控制端(即线包)达到动作电压，随之被控制端闭合，即可将该+5V电源输出至各个切换芯片。由于另一路继电器断开，所以电源选择电路的输出电源不会影响另一路输入电源，不会影响另个系统的状态。
2．2 VGA视频切换电路设计
    VGA视频切换电路用以实现2路VGA显示信号2选1输出，设计采用芯片MAX4885，MAX4885是完备的VGA 1：2或2：l多路复用器。设计中，MAX4885芯片的+5V供电电源由电源选择电路的输出端提供，使能端SEL接B系统的+5V电源；如此，当A系统上电时，MAX4885芯片使能端为低，此时选择A系统的VGA视频信号输出(切换芯片在默认状态选择A系统对外接口)；而当选择B系统上电时，信号切换模块通过电源选择电路的继电器将B系统+5V电源输出给MAX4885芯片工作，同时不影响A系统状态，此时MAX4885使能端为高(使能端接B系统的+5V输出)，切换芯片将选择B系统对应的VGA视频信号输出。电路原理框图如图2所示。

2．3 网络交换端口电路设计
    鉴于高速的以太网信号不适宜用模拟开关进行切换选择，所以信号切换模块设计了四通道的以太网交换电路，即可提供4路10M／100M自适应网络交换端口。一路网络交换端口和A系统的网络接口互连，一路网络交换端口和B系统的网络接口互连，其余二路网络交换端口则对外引出，用于连接计算机外部的网络设备；各以太网端口通过以太网交换电路交换数据。如此，当A、B任一系统上电时，其均可和外部网络设备实现网络通信。
    设计采用BROADCOM公司的BCM5328作为核心交换控制芯片，该芯片单片集成8个10／100BASE-TX收发器，MID-7120-37为变压耦合器，电路连接示意图如图3所示；BCM5328芯片亦由电源选择电路的输出端提供。

2. 4键盘、鼠标、USB、1553B信号切换电路设计
    键盘、鼠标、USB以及1553B信号的切换均采用模拟开关MAX4761。该模拟开关为8路单刀双掷开关，它们均有8个导通电阻为2．0 Ω的低电容开关，采用1．8～5．5V单电源供电，适合USB信号(全速12Mb／s)、数据和音频信号等的切换用。设计过程与VGA视频切换电路类似，MA-X4761芯片的+5V供电由电源选择电路的输出端提供，使能端SEL仍接B系统的+5V电源；A系统的键盘、鼠标、USB以及1553B信号接在模拟开关的常闭触点(即切换芯片在默认状态选择A系统对外接口)。如此，当A系统上电，模拟开关使能端为低，对应选择A系统的键盘、鼠标、USB以及1553B信号输出；而当B系统上电时，模拟开关使能端为高，常开触点导通，模拟开关将对应选择B系统对应的键盘、鼠标、USB以及1553B信号输出。电路原理框图如图4所示。

2．5 RS422串口信号切换电路设计
    为了保证RS422串口信号的隔离性(不小于1000V的隔离电压)，RS422串口信号的切换不采用模拟开关方案而选用桂林航天电子的两个电磁继电器2JT1-910，分别实现收信号与发信号的切换。电磁继电器的控制端(即线包)接B系统的+5V电源，A系统对应的RS422串口收发信号接电磁继电器被控制端的常闭触点，B系统对应的RS422串口收发信号接电磁继电器被控制端的常开触点。如此，当A系统上电时，电磁继电器控制端(即线包)无动作电压，接在继电器常闭触点的A系统RS422串口信号输出，而当B系统上电时，控制端达到动作电压随之继电器常开触点导通，此时接在继电器常开触点的B系统RS422串口收发信号输出。电路原理框图如图5所示。

3 结束语
    计算机系统设计中双机冗余冷备份方式的使用，虽然增加了系统的复杂度、设计难度和投资，却大大提高了系统的可靠性，缩短了故障时间。作为双机冷备计算机系统关键环节之一的信号切换功能，本研究设计的信号切换模块达到了依据计算机工作状态选择切换两组I／O信号输出的预期目的；同时，通过简化电路设计，采用成熟、标准元器件等保证了高可靠性。本信号切换模块在实际应用中取得了良好的使用效果，具有一定的参考价值。