音视频KVM切换器 光纤、模拟音频、HDMI

项目属性：项目首次公开，本人原创设计，未参加其他比赛，非毕业/课程设计。

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

5.4LAYOUT

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.芯片购买

6.1MS9331

MS9331是使用IIC控制的，老样子，MS家的芯片是拿不到规格书和寄存器表的，但是和之前的MS芯片一样，马云网上有配套MS8005的IC卖，因此使用现成的即可，不用编程。

https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z09.2.0.0.5f152e8dYHRKFr&id=691533336994&_u=hqavhl8b1f1

6.2MS9601芯片

这家店的芯片供货还可以，不过有最小购买数量，1片的话会让你补邮费，建议购买3片以上。

链接：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.18.44ce4a89OI2g1U&id=664865791026&ns=1&abbucket=1#detail

规格：24C16烧录

7.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

8.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

9.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

10.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

11.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

12.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

 

13.大赛认证LOGO