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  • 音视频KVM切换器 光纤、模拟音频、HDMI#第八届立创电赛#

  • 2023-10-25 10:25:24 阅读量:4249

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。

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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:

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HDMI音频解码器:

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音频切换器:

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光纤切换器:

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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:


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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


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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。

 

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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。


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后极芯片的输出又给到MS9331,9331检测直接使用5V做HDMIDET


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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


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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

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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

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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


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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


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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


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把HDMI和触摸信号网络都设置对应规则


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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


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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


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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


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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。


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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


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触摸阻容走向注意,先过和后过。


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错误示范:

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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。


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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


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螺丝:

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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


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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


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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

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调试口预留,调试触摸使用

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UART,实际未使用,后续可以预留后用PC上位机控制

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触摸口,基本都用上了

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还有一些控制IO做输出,没有做输入的

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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

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触摸有一个按下触摸后P407的LED会亮起,松手灭

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最后初始化的时候预设默认的接口切换电平

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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


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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




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型号
价格
MAX31865ATP+T/模数转换芯片ADC 12.95
LTM4644IY#PBF/电源模块 130.7
ADUM1201BRZ-RL7/数字隔离器 4.69
MAX31855KASA+T/ADC/DAC-专用型 8
DS3231MZ+TRL/实时时钟(RTC) 11.31
AD7190BRUZ-REEL/模拟前端(AFE) 37.95
AD623ARZ-R7/仪表放大器 11.23
MAX3232EEAE+T/RS232芯片 6.41
ADUM3160BRWZ-RL/隔离式USB芯片 21.98
AD620ARZ-REEL7/仪表放大器 20.91
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