雙機冷備計算機信號切換的設計與實現

0 引言
計算機是系統的核心部件，擔負著控制、數據處理、通信等工作，高可靠性是對計算機最重要的要求之一；冗余技術就是在系統中設計二套或二套以上完成同一給定任務的設備的技術，當系統發生故障時，冗余配置的設備介入并承擔工作，由此縮短系統的故障時間，提高系統的可靠性。冗余設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系統級冷備份冗余方式，其設計相對簡單、可靠性高。

1 系統實現原理
雙機冷備計算機系統由兩套獨立計算機(標識為A、B系統)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，各有一套I／O信號，例如：VGA接口、PS／2接口、網絡接口、USB接口等；通過加電開關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。當處于工作狀態的計算機(如A系統)發生故障時，即關閉A系統，啟動B系統并通過信號切換電路將B系統對應的接口對外引出。
信號選擇與切換電路的設計是整個雙機冷備計算機系統設計的關鍵環節之一，也是關系到雙機冷備計算機系統可靠性的重點。本設計中，A、B系統信號切換功能是通過專門的信號切換模塊實現的，任一套計算機加電即可實現該系統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自適應以太網交換端口。

2 硬件設計
2．1 電源選擇電路設計
信號切換模塊需將處于工作狀態的計算機的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(A系統或B系統)的電源提供，再配合控制信號(如EN使能信號等)的控制即可實現切換芯片的信號切換。電源選擇電路實現的功能是要判斷A、B系統的通斷電狀態，并選擇上電系統的電源提供給切換芯片工作。
設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系統的+5V電源連接方式同A系統。

電源選擇電路由A、B兩個系統電源供電，當其中一套計算機接收外部+24V供電，并通過電源模塊轉換為+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，不會影響另個系統的狀態。