瑞萨MCU杯第八届立创电子设计开源大赛正式落幕，最终获奖项目正式出炉！本文介绍的是：本届大赛三等奖项目《音视频KVM切换器 光纤、模拟音频、HDMI》。

本文作者：瑞萨MCU杯第八届立创电子设计开源大赛选手@__Aknice，禁止商用，未经许可禁止转载。

1.简介

使用瑞萨芯片进行主控和触摸检测，2个MS9601进行HDMI5切1，MS9331进行HDMI音频解码，继电器进行模拟音频切换，CH444G进行S/PDIF切换的音视频切换器。

 

2.切换器实际使用情况

本人的HDMI设备，音频设备比较多，各种树莓派，香橙派，台式机，笔电，游戏机，碟机，卡带机。但是显示器和音响只有一个，于是乎有想让这些设备共享这些外设的东西，那么就是切换器市面上也有不少买切换器的。

HDMI切换器：

HDMI音频解码器：

音频切换器：

光纤切换器：

但是他们价格不菲，而且一个个拆分，接线很麻烦。虽然价格不是他们的问题，是我的问题，实力不允许啊！但是我可以自己做啊：

于是，这是本人之前电脑后面的样子，凌乱不堪，这是集这几个工程的，所以接线非常多：

有了这个整合在一起，可以全部拆下

更换后：线少了好多，看上去比之前顺眼多了，但是还是乱啊（悲）

于是本人将切换器放置在显示器下方，切换的时候拿出来即可。

3.框图

主要框图如下，注意电源使用，模拟音频、光纤的灯光指示和控制使用的是同一组控制信号

 

布局基本可以参考框图摆放

4.电路原理图

4.1控制HDMI信号

根据MS9601规格书可知，RX的HPD信号给到对应端口即可让对应HDMI切换到该端口

因此控制很简单，只需要控制HPD高低电平即可。很多时候，输入设备检测到HPD后，就会输出差分视频信号。

首先我们要了解HPD（热插拔）工作原理：

HDMI分输入和输出端，输入就是显示器，以及我们这里的HDMI3进，输出就是电脑显卡，以及我们这里的1出。

当输出设备连接到输入设备后，输入设备会通过HPD信号线高速输出设备输入这边已经ready了，输入设备就会开始EDID通讯和传输视频信号

因此我们控制HPD就能控制输入设备，也就是MS9601是否对输出设备发起EDID通讯。

 

HDMIEN_MID为中间信号的中继，控制芯片2输入切换到芯片1输出，在使用HDMI1、HDMI2、HDMI3的时候，HDMIEN_MID需要拉高才能输入切换芯片1

4.2HDMI信号流

根据框图可知，HDMI信号1、2、3是进MS9601的前一个芯片，这个芯片出来又给一个后极芯片的输入，并且HDMI的4、5也是进入后极芯片。这两个芯片之间信号输入输出直连即可。

后极芯片的输出又给到MS9331，9331检测直接使用5V做HDMIDET

HPD输入信号还是保留原来两个3904的方式输入，IIC上拉一个47K

4.3指示灯

由于RA芯片端口资源紧张，因此不可能给4个IO口给OPT和AUX控制，但是两个IO可以出来4中状态，也是可以做切换和指示的，指示只需要加个74LS139逻辑芯片做指示即可

以OPT为例：

A:0 B:0 -> OPT1
A:1 B:0 -> OPT2
A:0 B:1 -> OPT3
A:1 B:1 -> OPT4

AUX同理

4.4AUX

模拟音频直接使用继电器切换，纯正物理切换，保证模拟音频原汁原味，不经过数字切换器！

模拟音频这边做了地线单独出处理，这里的地线不会接到整版GND，因此音质可以说是最纯正出来的原声（太HIFI了）

因此需要加多一路GND切换的继电器处理

AUX这里除了做指示，还要做控制继电器的使能，因此出来EN1234，接到继电器的三极管控制

5.LAYOUT

本工程中技术含量较高部分在LAYOUT中，由于使用20x10的大PCB板，因此使用双面板降低制作成本，但是布线难度就会增加，因此提前布局好各种规则是非常必要的。

本工程走HDMI高速信号，走线要求高，但是交互用的是触摸，触摸信号对走线要求也很高，音频切换的模拟信号，对走线要求也较高。三者叠加使得难度陡增

5.1安全间距

设置触摸安全间距

5.2铺铜间距

设置触摸和HDMI的铺铜间距，触摸建议设置更大点

把HDMI和触摸信号网络都设置对应规则

5.3阻抗匹配

HDMI走100欧阻抗匹配

5.4 LAYOUT

本人工作中经常设计有触摸的产品，因此对触摸LAYOUT有一些经验。如果有错误的地方也欢迎指正。整板LAYOUT如下，实际上我个人感觉地是比较烂的，如果上四层板会好很多

本人经常用的这款插件的HDMI，这款焊接的时候很好焊，之前用的贴片的焊接较多虚焊，这种很好，但是有两个信号线在后面，因此走线出来比较绕而且会打交叉。

HDMI差分参数设置如下，建议间距设置为3倍线宽，即9.2的三倍，但是此处未设置，使用默认15mil。

差分误差控制5mil以内

HDMI信号和触摸信号交叉时注意需要垂直错层交叉，能不交叉尽量不交叉

触摸走线尽量细，不要走很粗，能走多细走多细，双面板目前可以做4mil，为了兼顾良品率和最小线宽，我这里走了6mil

触摸过孔尽量走少，控制在1个或0个最佳，过孔孔径尽量做小，双面板最小外径0.5mm，内径0.3mm。此处有个别触摸线走了2个过孔，受限于布局。

触摸信号尽量不做滴泪，但是我懒得一个个删掉了，同时也为了兼顾PCB良品率，因此保留

触摸焊盘周围敷铜是增加抗干扰，但是注意间距不要过近，而且周围元器件不建议摆在焊盘周围，此处为了指示灯而妥协放在焊盘旁边。触摸焊盘能做多大尽量做多大，增加灵敏度和抗干扰

焊盘背部敷铜不敷铜主要取决面板厚度，面板较厚不铺铜，较薄需要铺网格铜，网格铜不能铺在焊盘正中间，需要铺在周围（可能有点抽象，以后有案例再演示）

注意触摸焊盘是开窗的，不开窗会影响灵敏度

触摸阻容走向注意，先过和后过。

错误示范：

触摸和高速信号尽量不平行走，这里我拉开了点距离，但是不是被迫无奈还是不建议平行走。

触摸不要走到继电器，电感等有磁干扰的元器件下方，能躲多远躲多远。

开源平台玩触摸的人还是有不少的，其实触摸也有玄学成分在里面，很多人觉得很难调触摸，其实还好。我这里还有很多门道没讲到，我这里就点到为止，有机会再做触摸的工程再更深入的将各种规则把，后续整理一份触摸设计指南，给想玩触摸的同学学习一下。

6.外壳绘制

外壳使用SOLIDWORKS绘制

 

螺丝：

类型	参数	数量
单通六角铜柱	M3X6+6	4
单通六角铜柱	M3X14+6	4
铜六角螺母	M3	4
304十字薄头机丝	CM3X6	4

7.面板绘制

从上一部绘制外壳时顺便绘制好面板外壳，然后导出DXF，然后将DXF导入立创EDA面板绘制即可。

触摸焊盘需要对位才能精确绘制触摸位置，选择导出顶层锡膏层

保留触摸位置，删除其他没用焊盘

板框和SW绘制导入的对好位置即可绘制

个人建议打1mm即可，我试过打2mm，触摸灵敏度会差一点，但是还是可以识别的。

8.装配

首先装好导电棉

然后装好两个铜柱

然后面板放置下来后拧上螺母

安装进外壳，先安装右上角，把拨动开关卡进去后在安装左下角

接着上背面螺丝

最后上音量旋钮

9.瑞萨MCU软件

本次使用的是R7FA2E1A72DFL，MCU资源吃紧，基本榨干IO口。

10.1IO配置

本次工程比较简单，没有使用通讯等功能，基本都是IO控制，因此没有特殊端口

调试口预留，调试触摸使用

UART，实际未使用，后续可以预留后用PC上位机控制

触摸口，基本都用上了

还有一些控制IO做输出，没有做输入的

10.2触摸逻辑

很简单，都是按到什么按键变化对应的IO即可，没有难度

触摸有一个按下触摸后P407的LED会亮起，松手灭

最后初始化的时候预设默认的接口切换电平

10.触摸调试

注意：触摸灵敏度非常调试受限于装配，首先将面板，外壳打回来装配好所有东西后再进行触摸灵敏度调试！

建议这一步和前面编写代码时同步进行。触摸调试需要导电棉装配到位，我这里使用10x10x15的导电棉

注意注意，购买时注意描述或者询问卖家导电棉粘粘的胶是不是导电胶！！这点非常重要，有些胶不会导电

装好导电棉后，装上绘制外壳中提供的铜柱规格，因为我选择15高的导电棉，因此我使用14高的铜柱，压下去刚刚好，不建议用13的会压不下去

导电棉刚刚好顶到面板触摸位置

当所有东西装配好后即可进行装配，注意将调试线引出到仿真器

然后使用e2的cap touch 调试即可，按照说明一步步调试，设置对应触摸键位分配

设置触摸电阻需要和贴片电阻对应上，此处本人未使用默认560欧姆，而是更换470欧姆，程序也是设置470欧姆，触摸调试如下，当超过阈值一会后，便会触发按键按下，此时即可执行我们想要做的动作

11.总结

本工程的技术含量主要在触摸的布线和交互上，包括触摸LAYOUT规则，以及触摸与高速信号的相容性。

本工程调试流程与普通的工程不同，由于有触摸的加入，触摸的灵敏度非常受限于结构装配，因此需要装配完全后才能进行调试。

本工程亮点还在结构和电子的巧妙技术配合上，触摸焊盘与面板的交互使用的导电棉。

而在软件层面来说主要是配合触摸装好后的调试。

是一个几乎能完美使用嘉立创配套产业制作下来的一个工程，包括EDA设计，PCB制造，商城采购，SMT，以及面板设计和三维猴的3D打印。当然还有瑞萨的支持，以及e2软件对于触摸匹配做了专门的优化设计。

 

本工程主要是解决我切换设备越来越多，频繁拔插HDMI线，以及电脑后面线材越来越多的问题！MCU电源选择5V，不要使用3.3V

高速显示设备建议接入到HDMI5和4，且优先接入到HDMI5和4输入，可以不用再经过一个切换芯片，发热量也小

建议MS9601和MS9331芯片加散热片，发热较大

这次KVM没有加入USB切换比较可惜，因为再加板都要上百块了，所以我目前还在用去年做的USB3的切换器将就

今年还会做一个集合各种东西的KVM切换器，而且加入遥控敬请期待（这个还要站起来到电脑后面用手按，我感觉还是挺麻烦），本工程主要成本统计，外壳自己打印的因此没有估算，总成本约130左右

 

物料	价格
PCB板	60x5片，单片12元
MS9601	10元x2=20元
MS9331	12元x1
MCU	8元x1
继电器	2元x9=18元
光纤接收器	3元x3=9元
导电棉	10元
面板	立创22元不包邮
其他外围，阻容等	约15元