0 引言
    計算機是系統(tǒng)的核心部件，擔(dān)負著控制、數(shù)據(jù)處理、通信等工作，高可靠性是對計算機最重要的要求之一；冗余技術(shù)就是在系統(tǒng)中設(shè)計二套或二套以上完成同一給定任務(wù)的設(shè)備的技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余配置的設(shè)備介入并承擔(dān)工作，由此縮短系統(tǒng)的故障時間，提高系統(tǒng)的可靠性。冗余設(shè)計可采取的方式多種多樣，按照冗余的程度可分為1：1冗余、1：2冗余等多種，按照工作方式分為熱備份冗余和冷備份冗余。雙機冗余冷備份為采用1：1系統(tǒng)級冷備份冗余方式，其設(shè)計相對簡單、可靠性高。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)原理
    雙機冷備計算機系統(tǒng)由兩套獨立計算機(標(biāo)識為A、B系統(tǒng))組成，兩套計算機軟、硬件配置均相同，配置有CPU模塊、擴展模塊、電源(將外部+24V供電變換為+5V、+3．3v電源)。兩套計算機有獨立的加電開關(guān)，各有一套I／O信號，例如：VGA接口、PS／2接口、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口等；通過加電開關(guān)選擇任一套計算機工作，信號切換電路自動識別選擇該計算機I／O接口對外提供，即將處于工作狀態(tài)的計算機的I／O信號接通對外連接，而此時另一套計算機不工作，處于冷備份狀態(tài)。當(dāng)處于工作狀態(tài)的計算機(如A系統(tǒng))發(fā)生故障時，即關(guān)閉A系統(tǒng)，啟動B系統(tǒng)并通過信號切換電路將B系統(tǒng)對應(yīng)的接口對外引出。
    信號選擇與切換電路的設(shè)計是整個雙機冷備計算機系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是關(guān)系到雙機冷備計算機系統(tǒng)可靠性的重點。本設(shè)計中，A、B系統(tǒng)信號切換功能是通過專門的信號切換模塊實現(xiàn)的，任一套計算機加電即可實現(xiàn)該系統(tǒng)的接口信號通過切換芯片對外引出；其具備的切換功能如下：
    (1)支持VGA顯示信號2選1輸出；
    (2)支持PS／2鍵盤信號2選1輸出；
    (3)支持PS／2鼠標(biāo)信號2選1輸出；
    (4)支持USB信號2選1輸出；
    (5)支持1553B總線信號2選1輸出；
    (6)支持RS422串口信號2選1輸出；
    (7)支持4路10M／100M自適應(yīng)以太網(wǎng)交換端口。

2 硬件設(shè)計
2．1 電源選擇電路設(shè)計
    信號切換模塊需將處于工作狀態(tài)的計算機的I／O信號接通對外連接。也就是說，信號切換模塊上的各切換芯片工作電源由其中一個系統(tǒng)(A系統(tǒng)或B系統(tǒng))的電源提供，再配合控制信號(如EN使能信號等)的控制即可實現(xiàn)切換芯片的信號切換。電源選擇電路實現(xiàn)的功能是要判斷A、B系統(tǒng)的通斷電狀態(tài)，并選擇上電系統(tǒng)的電源提供給切換芯片工作。
    設(shè)計選用兩個桂林航天電子的電磁繼電器2JT5-2(額定負載為12V／5A)來完成，原理框圖如圖1所示。以電源模塊輸出的+5V電源為例，A系統(tǒng)的+5V電源輸出連線進電磁繼電器的被控制端，同時也引線至電磁繼電器的控制端(即線包)；B系統(tǒng)的+5V電源連接方式同A系統(tǒng)。

    電源選擇電路由A、B兩個系統(tǒng)電源供電，當(dāng)其中一套計算機接收外部+24V供電，并通過電源模塊轉(zhuǎn)換為+5V輸出時，該路繼電器的控制端(即線包)達到動作電壓，隨之被控制端閉合，即可將該+5V電源輸出至各個切換芯片。由于另一路繼電器斷開，所以電源選擇電路的輸出電源不會影響另一路輸入電源，不會影響另個系統(tǒng)的狀態(tài)。
2．2 VGA視頻切換電路設(shè)計
    VGA視頻切換電路用以實現(xiàn)2路VGA顯示信號2選1輸出，設(shè)計采用芯片MAX4885，MAX4885是完備的VGA 1：2或2：l多路復(fù)用器。設(shè)計中，MAX4885芯片的+5V供電電源由電源選擇電路的輸出端提供，使能端SEL接B系統(tǒng)的+5V電源；如此，當(dāng)A系統(tǒng)上電時，MAX4885芯片使能端為低，此時選擇A系統(tǒng)的VGA視頻信號輸出(切換芯片在默認狀態(tài)選擇A系統(tǒng)對外接口)；而當(dāng)選擇B系統(tǒng)上電時，信號切換模塊通過電源選擇電路的繼電器將B系統(tǒng)+5V電源輸出給MAX4885芯片工作，同時不影響A系統(tǒng)狀態(tài)，此時MAX4885使能端為高(使能端接B系統(tǒng)的+5V輸出)，切換芯片將選擇B系統(tǒng)對應(yīng)的VGA視頻信號輸出。電路原理框圖如圖2所示。

2．3 網(wǎng)絡(luò)交換端口電路設(shè)計
    鑒于高速的以太網(wǎng)信號不適宜用模擬開關(guān)進行切換選擇，所以信號切換模塊設(shè)計了四通道的以太網(wǎng)交換電路，即可提供4路10M／100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)交換端口。一路網(wǎng)絡(luò)交換端口和A系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口互連，一路網(wǎng)絡(luò)交換端口和B系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口互連，其余二路網(wǎng)絡(luò)交換端口則對外引出，用于連接計算機外部的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；各以太網(wǎng)端口通過以太網(wǎng)交換電路交換數(shù)據(jù)。如此，當(dāng)A、B任一系統(tǒng)上電時，其均可和外部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。
    設(shè)計采用BROADCOM公司的BCM5328作為核心交換控制芯片，該芯片單片集成8個10／100BASE-TX收發(fā)器，MID-7120-37為變壓耦合器，電路連接示意圖如圖3所示；BCM5328芯片亦由電源選擇電路的輸出端提供。

2. 4鍵盤、鼠標(biāo)、USB、1553B信號切換電路設(shè)計
    鍵盤、鼠標(biāo)、USB以及1553B信號的切換均采用模擬開關(guān)MAX4761。該模擬開關(guān)為8路單刀雙擲開關(guān)，它們均有8個導(dǎo)通電阻為2．0 Ω的低電容開關(guān)，采用1．8～5．5V單電源供電，適合USB信號(全速12Mb／s)、數(shù)據(jù)和音頻信號等的切換用。設(shè)計過程與VGA視頻切換電路類似，MA-X4761芯片的+5V供電由電源選擇電路的輸出端提供，使能端SEL仍接B系統(tǒng)的+5V電源；A系統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)、USB以及1553B信號接在模擬開關(guān)的常閉觸點(即切換芯片在默認狀態(tài)選擇A系統(tǒng)對外接口)。如此，當(dāng)A系統(tǒng)上電，模擬開關(guān)使能端為低，對應(yīng)選擇A系統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)、USB以及1553B信號輸出；而當(dāng)B系統(tǒng)上電時，模擬開關(guān)使能端為高，常開觸點導(dǎo)通，模擬開關(guān)將對應(yīng)選擇B系統(tǒng)對應(yīng)的鍵盤、鼠標(biāo)、USB以及1553B信號輸出。電路原理框圖如圖4所示。

2．5 RS422串口信號切換電路設(shè)計
    為了保證RS422串口信號的隔離性(不小于1000V的隔離電壓)，RS422串口信號的切換不采用模擬開關(guān)方案而選用桂林航天電子的兩個電磁繼電器2JT1-910，分別實現(xiàn)收信號與發(fā)信號的切換。電磁繼電器的控制端(即線包)接B系統(tǒng)的+5V電源，A系統(tǒng)對應(yīng)的RS422串口收發(fā)信號接電磁繼電器被控制端的常閉觸點，B系統(tǒng)對應(yīng)的RS422串口收發(fā)信號接電磁繼電器被控制端的常開觸點。如此，當(dāng)A系統(tǒng)上電時，電磁繼電器控制端(即線包)無動作電壓，接在繼電器常閉觸點的A系統(tǒng)RS422串口信號輸出，而當(dāng)B系統(tǒng)上電時，控制端達到動作電壓隨之繼電器常開觸點導(dǎo)通，此時接在繼電器常開觸點的B系統(tǒng)RS422串口收發(fā)信號輸出。電路原理框圖如圖5所示。

3 結(jié)束語
    計算機系統(tǒng)設(shè)計中雙機冗余冷備份方式的使用，雖然增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度、設(shè)計難度和投資，卻大大提高了系統(tǒng)的可靠性，縮短了故障時間。作為雙機冷備計算機系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一的信號切換功能，本研究設(shè)計的信號切換模塊達到了依據(jù)計算機工作狀態(tài)選擇切換兩組I／O信號輸出的預(yù)期目的；同時，通過簡化電路設(shè)計，采用成熟、標(biāo)準(zhǔn)元器件等保證了高可靠性。本信號切換模塊在實際應(yīng)用中取得了良好的使用效果，具有一定的參考價值。