0 引言
    計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的核心部件，擔(dān)負(fù)著控制、數(shù)據(jù)處理、通信等工作，高可靠性是對(duì)計(jì)算機(jī)最重要的要求之一；冗余技術(shù)就是在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)間，提高系統(tǒng)的可靠性。冗余設(shè)計(jì)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(jī)冗余冷備份為采用1：1系統(tǒng)級(jí)冷備份冗余方式，其設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠性高。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理
    雙機(jī)冷備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由兩套獨(dú)立計(jì)算機(jī)(標(biāo)識(shí)為A、B系統(tǒng))組成，兩套計(jì)算機(jī)軟、硬件配置均相同，配置有CPU模塊、擴(kuò)展模塊、電源(將外部+24V供電變換為+5V、+3．3v電源)。兩套計(jì)算機(jī)有獨(dú)立的加電開(kāi)關(guān)，各有一套I／O信號(hào)，例如：VGA接口、PS／2接口、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口等；通過(guò)加電開(kāi)關(guān)選擇任一套計(jì)算機(jī)工作，信號(hào)切換電路自動(dòng)識(shí)別選擇該計(jì)算機(jī)I／O接口對(duì)外提供，即將處于工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)的I／O信號(hào)接通對(duì)外連接，而此時(shí)另一套計(jì)算機(jī)不工作，處于冷備份狀態(tài)。當(dāng)處于工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)(如A系統(tǒng))發(fā)生故障時(shí)，即關(guān)閉A系統(tǒng)，啟動(dòng)B系統(tǒng)并通過(guò)信號(hào)切換電路將B系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的接口對(duì)外引出。
    信號(hào)選擇與切換電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)雙機(jī)冷備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是關(guān)系到雙機(jī)冷備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中，A、B系統(tǒng)信號(hào)切換功能是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的信號(hào)切換模塊實(shí)現(xiàn)的，任一套計(jì)算機(jī)加電即可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的接口信號(hào)通過(guò)切換芯片對(duì)外引出；其具備的切換功能如下：
    (1)支持VGA顯示信號(hào)2選1輸出；
    (2)支持PS／2鍵盤(pán)信號(hào)2選1輸出；
    (3)支持PS／2鼠標(biāo)信號(hào)2選1輸出；
    (4)支持USB信號(hào)2選1輸出；
    (5)支持1553B總線信號(hào)2選1輸出；
    (6)支持RS422串口信號(hào)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(jì)
2．1 電源選擇電路設(shè)計(jì)
    信號(hào)切換模塊需將處于工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)的I／O信號(hào)接通對(duì)外連接。也就是說(shuō)，信號(hào)切換模塊上的各切換芯片工作電源由其中一個(gè)系統(tǒng)(A系統(tǒng)或B系統(tǒng))的電源提供，再配合控制信號(hào)(如EN使能信號(hào)等)的控制即可實(shí)現(xiàn)切換芯片的信號(hào)切換。電源選擇電路實(shí)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(jì)選用兩個(gè)桂林航天電子的電磁繼電器2JT5-2(額定負(fù)載為12V／5A)來(lái)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(jìn)電磁繼電器的被控制端，同時(shí)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(gè)系統(tǒng)電源供電，當(dāng)其中一套計(jì)算機(jī)接收外部+24V供電，并通過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)換為+5V輸出時(shí)，該路繼電器的控制端(即線包)達(dá)到動(dòng)作電壓，隨之被控制端閉合，即可將該+5V電源輸出至各個(gè)切換芯片。由于另一路繼電器斷開(kāi)，所以電源選擇電路的輸出電源不會(huì)影響另一路輸入電源，不會(huì)影響另個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)。
2．2 VGA視頻切換電路設(shè)計(jì)
    VGA視頻切換電路用以實(shí)現(xiàn)2路VGA顯示信號(hào)2選1輸出，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，MAX4885芯片使能端為低，此時(shí)選擇A系統(tǒng)的VGA視頻信號(hào)輸出(切換芯片在默認(rèn)狀態(tài)選擇A系統(tǒng)對(duì)外接口)；而當(dāng)選擇B系統(tǒng)上電時(shí)，信號(hào)切換模塊通過(guò)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(shí)不影響A系統(tǒng)狀態(tài)，此時(shí)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(duì)應(yīng)的VGA視頻信號(hào)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(jì)
    鑒于高速的以太網(wǎng)信號(hào)不適宜用模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換選擇，所以信號(hào)切換模塊設(shè)計(jì)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(duì)外引出，用于連接計(jì)算機(jī)外部的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；各以太網(wǎng)端口通過(guò)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(shí)，其均可和外部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。
    設(shè)計(jì)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(gè)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(pán)、鼠標(biāo)、USB、1553B信號(hào)切換電路設(shè)計(jì)
    鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、USB以及1553B信號(hào)的切換均采用模擬開(kāi)關(guān)MAX4761。該模擬開(kāi)關(guān)為8路單刀雙擲開(kāi)關(guān)，它們均有8個(gè)導(dǎo)通電阻為2．0 Ω的低電容開(kāi)關(guān)，采用1．8～5．5V單電源供電，適合USB信號(hào)(全速12Mb／s)、數(shù)據(jù)和音頻信號(hào)等的切換用。設(shè)計(jì)過(guò)程與VGA視頻切換電路類(lèi)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(pán)、鼠標(biāo)、USB以及1553B信號(hào)接在模擬開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)(即切換芯片在默認(rèn)狀態(tài)選擇A系統(tǒng)對(duì)外接口)。如此，當(dāng)A系統(tǒng)上電，模擬開(kāi)關(guān)使能端為低，對(duì)應(yīng)選擇A系統(tǒng)的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、USB以及1553B信號(hào)輸出；而當(dāng)B系統(tǒng)上電時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)使能端為高，常開(kāi)觸點(diǎn)導(dǎo)通，模擬開(kāi)關(guān)將對(duì)應(yīng)選擇B系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、USB以及1553B信號(hào)輸出。電路原理框圖如圖4所示。

2．5 RS422串口信號(hào)切換電路設(shè)計(jì)
    為了保證RS422串口信號(hào)的隔離性(不小于1000V的隔離電壓)，RS422串口信號(hào)的切換不采用模擬開(kāi)關(guān)方案而選用桂林航天電子的兩個(gè)電磁繼電器2JT1-910，分別實(shí)現(xiàn)收信號(hào)與發(fā)信號(hào)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(duì)應(yīng)的RS422串口收發(fā)信號(hào)接電磁繼電器被控制端的常閉觸點(diǎn)，B系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的RS422串口收發(fā)信號(hào)接電磁繼電器被控制端的常開(kāi)觸點(diǎn)。如此，當(dāng)A系統(tǒng)上電時(shí)，電磁繼電器控制端(即線包)無(wú)動(dòng)作電壓，接在繼電器常閉觸點(diǎn)的A系統(tǒng)RS422串口信號(hào)輸出，而當(dāng)B系統(tǒng)上電時(shí)，控制端達(dá)到動(dòng)作電壓隨之繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)導(dǎo)通，此時(shí)接在繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)的B系統(tǒng)RS422串口收發(fā)信號(hào)輸出。電路原理框圖如圖5所示。

3 結(jié)束語(yǔ)
    計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中雙機(jī)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(jì)難度和投資，卻大大提高了系統(tǒng)的可靠性，縮短了故障時(shí)間。作為雙機(jī)冷備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一的信號(hào)切換功能，本研究設(shè)計(jì)的信號(hào)切換模塊達(dá)到了依據(jù)計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)選擇切換兩組I／O信號(hào)輸出的預(yù)期目的；同時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，采用成熟、標(biāo)準(zhǔn)元器件等保證了高可靠性。本信號(hào)切換模塊在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的使用效果，具有一定的參考價(jià)值。