一种实现VGA视频信号和键鼠信号的远距离传输的系统的制作方法

一种实现vga视频信号和键鼠信号的远距离传输的系统
技术领域
1.本发明涉及视频应用领域，尤其涉及一种实现vga视频信号和键鼠信号的远距离传输的系统。


背景技术：

2.随着信息传输技术的发展及各个行业的市场需求，视频应用在消费电子、医疗、军工等行业迅速发展。常用的视频接口有vga、hdmi、dvi等不同类型，而vga作为较早出现的视频接口经过了几十年的发展目前依然没有被淘汰，说明其具有十分重要的应用价值。目前市面上的显示屏、pc电脑、投影仪等设备为了兼容性考虑，一般都预留有vga接口，而在一些工业领域，如数据机房，地铁控制服务中心等重要区域，依然使用着vga制式的传输通路。由于vga视频传输使用的是单端信号，随着传输距离的增加，存在着视频信号衰减、相位偏移、抗干扰能力差等缺点，因此无法进行远距离传输。
3.现有的技术中，虽然有些实现了vga视频的远距离传输，但是对传输线材要求较高，存在多种控制电路，系统容错率低，且没有具备远程键鼠控制的功能，过分强调传输视频的距离和质量，不利于实际的应用场合，或者是视频重量得不到保证，亦或者单一追求视频质量。


技术实现要素：

4.目前市面上产品，一般采用的常规方案，使用多路运算放大器设计单端转差分电路、差分转单端电路、视频信号补偿电路等，甚至某些厂家并不对视频信号进行补偿，由此带来的视频信号的衰减问题，降低了视频传输质量和用户体验。采用此类方案，还带来系统集成度低，故障率高，引入环境干扰等问题。本方案采用专用视频信号转换芯片，并设计外围电路，配置阻抗匹配电路，使得系统集成度大大提高，故障率低，避免引出环境干扰。为了解决上述问题，本发明提供了一种实现vga视频信号和键鼠信号的远距离传输的系统，使用差分信号进行视频的传输，使得vga视频的传输距离和抗干扰能力大大加强，传输线也仅为一根普通的超五类网线，甚至是普通的双绞线即可。目前的视频应用不仅注重视频画质，还强调人机交互，本发明所具备的辅助功能
‑
键鼠远程操作可以适用于更为广泛的应用场景，当我们需要远程操控被控主机时，可以实现视频画面与键鼠操作的同步，带来十分良好的用户体验，而不单一追求视频质量。
5.本发明提出了一种vga视频信号和键鼠信号远距离传输的系统，该装置采用超五类网线或六类网线作为传输介质，视频传输方面包含视频信号发送单元和视频信号接收单元。发送视频输入口采用20pin的sh1.0座子，引出vga公口和usb公口，其中的视频信号转换电路包含单端信号转差分信号电路，发送视频输出口采用标准rj45网口。接收视频输入口采用标准rj45网口，其中的视频信号转换电路包含差分转单端电路、信号增益电路，接收装置视频输出口采用vga公口。vga单端信号从发送单元转换为vga差分信号，并将hs、vs信号(行场信号)编码于vga差分信号中，经过网线的传输50
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100米后到达接收单元，接收单元将
获取到的vga差分信号经过增益加强后，并将编码于vga差分信号中的hs、vs信号解码出来，转换为vga单端信号，由此输出到显示屏，实现vga视频信号的远距离传输。传统的键鼠信号，即hid数据帧是通过usb传输线中的d 和d
‑
两根线来传输的，但由于usb协议中其传输距离一般不超过5米，从而无法实现远距离传输。为此，本发明将键鼠的hid数据帧转换为rs485差分信号用于远距离传输，普通网线中存在四对双绞线，上述的视频传输利用了r 、r
‑
、g 、g
‑
、b 、b
‑
三对双绞线，而键鼠信号利用最后一对双绞线进行传输。与视频信号传输类似，键鼠传输过程也分为接收装置和发送装置，发送装置是与普通的键盘鼠标相连接，发送装置将操作者的键鼠操作指令获取后，转换为rs485信号后发送至接收装置，接收装置处理rs485信号，再次转换为hid数据帧，经由usb传输线发送至被控电脑，从而实现键鼠信号的远距离传输。该本发明具备设计简单、通用性好、抗干扰能力强、成本低廉、开发周期短等优点，可以适用于任何vga视频传输的应用场合，且具备键鼠操作的辅助功能，具有十分良好的经济效益。
6.本发明提供的技术方案带来的有益效果是：通过采用专用视频信号转换芯片，并设计外围电路，配置阻抗匹配电路，使得系统集成度大大提高，故障率低，避免引出环境干扰，同时降低了视频信号的衰减，提高了视频传输质量和用户体验。
附图说明
7.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
8.图1是本发明实施例中一种实现vga视频信号和键鼠信号的远距离传输的系统的结构框图。
9.图2是本发明实施例中sh1.020pin接口的电路图。
10.图3是本发明实施例中视频发送单元的电路图。
11.图4是本发明实施例中mcu单元的电路示意图。
12.图5是本发明实施例中键鼠接收单元的电路图。
13.图6是本发明实施例中rj45接口的电路图。
14.图7是本发明实施例中视频接收单元的电路图。
15.图8是本发明实施例中hs和vs信号解码电路图。
16.图9是本发明实施例中el5375单端信号输出的电路图。
17.图10是本发明实施例中信号补偿电路图。
具体实施方式
18.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
19.本发明的实施例提供了一种实现vga视频信号和键鼠信号的远距离传输的系统，采用视频专用集成芯片和mcu控制的方法，不仅具备如视频信号单端转差分、差分转单端、信号补偿等功能，还创造性地加入了远程键鼠控制的辅助功能，使得其商业应用价值大为增加。该架构灵活性和拓展性高，当具有多台被控主机时，可在操作者端配置多个视频接收装置，从而达到集中控管的目的。本发明的主要保护点在于四点：视频发送(单端转差分，el4543部分)，视频接收(差分转单端，el4575部分)，远程键鼠(mcu及sp485部分)，信号补偿
部分。
20.请参考图1，图1是本发明实施例中一种实现vga视频信号和键鼠信号的远距离传输的系统的结构框图，该系统包括模块a和模块b，该模块a包括接口一、视频发送单元、mcu单元一、键鼠接收单元和接口二，该模块b包括接口三、视频接收单元、mcu单元二、键鼠发送单元、vga口、usb接口一和usb接口二，接口二与接口三通过网线连接，即连接模块a和模块b，所述接口一用于引出usb公头和vga公头，所述vga口、usb接口一和usb接口二分别连接显示屏、键盘和鼠标；所述视频发送单元用于将vga单端信号转化为vga差分信号，进而远距离传输视频信息；所述视频接收单元用于接收视频发送单元发送的视频信息。所述接口一为sh1.020pin接口，所述接口二和接口三均为rj45接口，所述mcu单元一和所述mcu单元二均包含stm32f103c8t6芯片，用于提供usb键鼠复合设备驱动程序。sh1.020pin接口用于负责引出usb公头和vga公头，usb数据线负责给模块a供电以及负责将模块b发送过来的键鼠数据传输至被控主机，当实际应用中仅有视频源时，则仅提供模块a的电源。
21.sh1.020pin接口负责引出vga线(标准是15根线，本系统中主要用到了h、v、r、g、b五根信号线，其他的线都是无关紧要的线，可以忽略)和usb线(标准是4根线)，vga接口的线对应是vga_r_out、vga_g_out、vga_b_out、hd和vd五根线，在rgb的信号线上有三个二极管(z1、z2和z5)用于稳定数据传输，接口顺序如图2所示，usb线包括5v电压线、stusbdp、stusbdm和gnd四根线，主要是usb提供系统电源并通过usb总线负责与被控电脑通信，mcu单元接收到操作者的键鼠控制指令后，发送给被控电脑。此处用了一个10k阻值的上拉电阻用于拉高usb d 数据线空闲时的电平，因为电脑是通过检测usb总线上的电压变化来判断是否有usb设备插入的，当配置有上拉电阻的usb设备插入电脑时，会使得usb总线上的电压发生变化(电阻分压电路)，从而让电脑识别到有设备插入。
22.视频发送单元包含单端转差分芯片el4543及其外围电路，el4543输入输出端进行了阻抗匹配，防止高频信号的反射，如图3所示，输入部分：从sh1.020pin接口接入的vga视频源属于单端信号，远距离传输过程中信号容易受到干扰，为了实现远距离传输，本发明采用el4543芯片将vga单端信号转化为vga差分信号，其中vga单端信号中r分量从ina 引脚接入，g分量从inb 引脚接入，b分量从inc 引脚接入，并在接入端并接75r电阻到地(gnd)，用于吸收视频信号传输过程中的反射信号。ina
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、inb
‑
和inc
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均接地，hs和vs(行场信号)信号分别接入el4543芯片的vsync和hsync引脚，这里的行场信号可以理解为一幅图像传输，是分成一行行的，当传输一行数据的时候，hs便发出一个行信号，一行对应一个信号，当一幅图发送完了，vs就发送一个场信号。
23.输出部分：vga单端信号经过el4543芯片后，便自动进行信号编码和转换，并将hs和vs信号编码于rgb差分信号中，所以输出就只有六根线，分别是r 、r
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、g 、g
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、b 和b
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，分别从el4543芯片的outa 、outa
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、outb 、outb
‑
、outc 和outc
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引脚输出，六根线都用阻值为49.9r电阻作为串阻，来抑制差分信号的反射。
24.模块a的mcu单元包含stm32f103c8t6芯片及其外围电路、晶振电路、复位电路和下载电路等。其主要功能是提供usb键鼠复合设备驱动程序，可以让被控主机识别到usb复合设备，同时负责控制max485芯片接收操作者的键鼠指令，电路图如图4所示。所述mcu单元就是微控制器，采用stm32单片机，主要作用是处理键鼠接收单元接收到键鼠数据，并将此数据通过mcu的usb总线发送给被控电脑。键鼠数据是通过uart串口接收的，串口通信有两根
线：txd和rxd，连接图4左边中间的uart2tx和uart2rx两个引脚，usb总线就是stusbdp和stusbdm两根线，位于接图4右边偏下的位置。模块b的mcu单元与键鼠发送单元与模块a中的相同。通过采用mcu控制的方式，开发了远程键鼠控制的辅助功能。
25.模块a的键鼠接收单元包含sp485芯片及外围电路，如图5所示。sp485芯片是ttl电平和rs
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485电平转换的器件，mcu单元是ttl电平，网线传输的rs
‑
485电平，如图5左边所示，uart2rx和uart2tx是从mcu单元过来的，分别接入到sp485芯片的ro引脚和di引脚，re(带上划线，表示低电平有效)、de引脚是用于控制sp485的收发状态的，他们属于互斥的状态，通常将他们连接在一起，用于统一控制。这里是属于键鼠数据的接收部分，因此应该把re设置为低电平，port1是有mcu控制的，mcu的一个引脚始终输出低电平，那么sp485芯片就一直处于接收状态，不断接收远处传来的键鼠数据。图5右边是rs485信号接口端，分别连接引脚a 和b
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，这两根线是连接到rj45网口处的。其主要目的是为了接收模块b发送过来的键鼠rs485信号，并转换为ttl信号，送入stm32单片机处理，单片机处理后的数据通过usb总线发送至被控主机，因为sp485芯片只能工作于半双工的状态，因此可通过stm32的一个引脚进行收发控制。
26.如图6所示，rj45接口的网口是8根线，两根线为一对双绞线，一共4对，其中三对用于传输vga差分信号，如图6右边所示，rj45的1、2、3、6、7和8六根线传输差分信号，4和5两根线用于传输键鼠数据的rs485差分信号。模块b中的rj45网口部分与模块a一致，都是用于传输vga差分信号和rs485差分信号，线序与模块a一致。
27.图7为视频接收单元，用于接收远处传输过来的vga差分信号，并转化为vga单端信号，输出到屏幕上。r01 、ro1
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两路差分信号属于r 和r
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，分别连接到el5375芯片的inp1和inn1引脚，g01 、go1
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两路差分信号属于g 和g
‑
，分别连接到el5375芯片的inp2和inn2引脚，b01 、bo1
‑
两路差分信号属于b 和b
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，分别连接到el5375芯片的inp3和inn3引脚，三组信号线上同样并接了一些电阻，用于改善视频质量和抑制视频信号传输中的反射现象。vga差分信号传输过程中是将hs和vs信号编码于r 、r
‑
、g 、g
‑
、b 和b
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信号中的，因此在接收端也要进行相应的解码操作，这里的编解码是由硬件自动完成的。具体实现的解码电路为如图8所示的hs和vs信号解码电路，图8中采用了一颗sgm公司的双运放芯片sgm8062，分别从r 、r
‑
、g 、g
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、b 、b
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信号采样，然后差分转单端信号，每一路运放分别输出hs和vs信号。ina 和ina
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采自ro1 、ro1
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、bo1 和bo1
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四根线，从ouia引脚输出vga_hs1信号，inb 和inb
‑
采自ro1 、ro1
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、go1 、go1
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四根线，从ouib引脚输出vga_vs1信号，具体的电阻阻值和分布是由信号的编码方式决定的。
28.图9为el5375单端信号输出电路图，六路差分信号输入到el5375芯片中，输出三路单端信号，对应vga视频中的rgb分量，对应图9中的argbin_r1、argbin_g1和argbin_b1。r、g、b、hs、vs五根单端信号线均配置了75r的匹配电阻，用于vga视频传输中的阻抗匹配。这是一款视频专用芯片，主要负责将vga差分信号转单端信号，这部分也分别对vga单端rgb信号分别配置了75r的阻抗匹配电阻，用于改善视频的画质。并用sgm8062双通道差分转单端信号芯片将编码于rgb差分信号中的hs和vs信号(行场信号)解码出来，与rgb三个单端视频信号共同组成r、g、b、h、v五个vga原始信号。考虑到不同传输距离的应用场景，本发明采用了无视频增益、近距离传输视频增益、远距离传输视频增益三档不同增益倍数的信号补偿电路，通过mcu单元控制模拟信号选择器ch440g选择不同的增益倍数。一般30m内无需视频增
益，30m～60m属于近距离视频增益，60m以上属于远距离视频增益。
29.信号补偿电路如图10所示，差分信号经过远距离传输后，信号的幅值(简单点说就是电压)有所衰减，经过差分转单独的信号处理后，幅值进一步衰减，为了补偿信号在传输过程中的衰减，为此设计了一个信号补偿电路，其主要目的是增加信号的幅值。图10左边是三组阻容电路，用于增强左边三路信号的幅值，图10中间的ch440g是一个模拟信号开关，可以通过设置，选择哪组阻容电路通过。argbin_g1、argbin_b1和ch440g芯片的s1a和s2a引脚对应两组电路用于增强argbin_r1的信号幅值，至于是哪一组由ch440g的in引脚决定，in引脚高或低电平选择哪一组补偿电平通过ch440g芯片补偿到r g b信号中，其他两组也一样的原理。ch440g芯片的s1b和s2b引脚对应两组电路用于增强argbin_g1的信号幅值。ch440g芯片的s1c和s2c引脚对应两组电路用于增强argbin_b1的信号幅值。此外还设置了不进行信号补偿的情况，通过控制ch440g的en#引脚的高低电平即可完成补偿电平的通断控制。
30.本系统中的el系列的芯片可以采用adi、ti、nxp等公司的视频集成芯片；用于视频增益选择的模拟信号除了选择芯片ch440g，还可以采用其他型号的模拟信号，如ch442、ch444等，或者其他公司的同类芯片，如ti公司的cd40xx系列芯片；mcu芯片可以替换为国产的兼容芯片，如hk32，cks32，gd32、ch32、apm32，还可以是nxp lpc系列的单片机。
31.本发明的关键点及欲保护点在于：
32.(1)针对常规方案成本较高，开发周期长等问题，本发明采用stm32、el系列视频专用芯片代替常规方案，本方案集成度高，系统容错率大大增加，故障率由此降低，相对成本也更低，开发流程更加简单明了，所需开发周期更短；
33.(2)针对vga视频长距离传输带来的信号衰减问题，采用了不同传输距离使用不同的视频补偿电路的方案，不仅改善了视频传输质量，还更具灵活性和实际应用价值；
34.(3)增加了键鼠远程控制的辅助功能，用户在预览远程被控主机的同时，还可进行键鼠操作，改善了用户的使用体验。
35.本发明的有益效果是：通过采用专用视频信号转换芯片，并设计外围电路，配置阻抗匹配电路，使得系统集成度大大提高，故障率低，避免引出环境干扰，同时降低了视频信号的衰减，提高了视频传输质量和用户体验。
36.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。