一种USB物理隔离器和KVM装置的制作方法

一种usb物理隔离器和kvm装置
技术领域
1.本实用新型涉及光通信技术领域。更具体地，本实用新型涉及一种usb物理隔离器和kvm装置。


背景技术：

2.kvm装置，是键盘、显示器、鼠标的缩写，kvm技术的核心思想是：通过配置适当的键盘、显示器、鼠标，实现网络系统的集中管理；提高系统的一点对多点的可管理性，从而提高系统管理员的工作效率；大大节约机房的面积，降低网络工程和服务器系统的总体拥有成本。简而言之，利用kvm多主机切换系统，系统管理员可以通过一套键盘、显示器、鼠标在多个不同操作系统的主机或服务器之间进行切换并实施管理。
3.然而，现有的kvm装置中也存在一些问题。第一，多台电脑usb共同在一个芯片内部汇聚，共同采用一个电源。势必存在内外网电脑的usb信号通过电源耦合的隐患，存在内外网信号交合的可能，存在泄密的安全风险。第二，kvm切换电路是通过程序控制，可能存在受到病毒等恶意意图的修改，导致存在两台电脑的usb口直接物理联通的可能，使两个网络电脑的usb信号直接进行通信，造成网络安全风险。第三，由于kvm主控制芯片结构繁杂，内部的信号处理通道是否有后门等不得而知，需要通过更为复杂的技术验证。
4.鉴于此，如何保证不同电脑的主机与kvm装置连接时的安全性，对于促进网络安全具有重要作用。


技术实现要素：

5.本实用新型通过设置光模块实现不同pc机之间的网络安全物理隔离，有效保证了各网络之间的安全性，能够适用于多网络资源共享、需保持各网络之间物理隔离的场景，从而提升了kvm装置应用的可靠性。
6.为了解决上述一个或多个技术问题，本实用新型从以下一个或多个方面提供技术方案。
7.在第一方面中，本实用新型提供了一种usb物理隔离器，所述usb物理隔离器用于kvm装置中，包括：kvm端数据传输接口，其用于与所述kvm装置中的kvm上位机连接，以接收鼠标和/或键盘输入的控制信号；pc端数据传输接口，其用于与多个pc机连接，以实现与所述pc机的信息交互；一个kvm端光模块，其通过kvm端控制电路与所述kvm端数据传输接口连接，用于根据所述鼠标和/或键盘输入的控制信号；驱动机构，其与所述kvm端控制电路连接，用于根据所述鼠标和/或键盘输入的控制信号驱动所述kvm端光模块移动，以实现所述kvm端光模块与任意一个pc端光模块的通信交互；多个pc端光模块，其与所述pc端数据传输接口一一对应，并且每个pc端光模块通过对应的信号传输控制电路与所述pc端数据传输接口连接，用于将所述pc端光模块传输的信号发送至所述pc机。
8.在一个实施例中，所述kvm端数据传输接口包括多个usb接口和数据接口，所述多个usb接口用于传输所述鼠标和/或键盘输入的控制信号，所述数据接口用于传输所述kvm
上位机输出的步进电机位移信号。
9.在一个实施例中，所述kvm端控制电路包括第一控制电路和第二控制电路，所述第一控制电路与所述多个usb接口和kvm端光模块连接，所述第二控制电路与所述数据接口和所述驱动机构连接。
10.在一个实施例中，所述pc端数据传输接口包括多个usb接口，用于分别连接不同的pc机。
11.在一个实施例中，所述kvm端光模块和pc端光模块均包括光电子器件、功能电路和光接口，所述光电子器件包括光发射电路和光接收电路，用于实现光电信号转换以进行数据传输，所述功能电路与所述光电子器件和光接口连接，用于对进行光电转换后的电信号进行处理，并通过光接口进行数据传输。
12.在一个实施例中，所述驱动机构包括步进电机、螺杆和滑块，所述螺杆与所述步进电机的输出轴连接，所述滑块设置于所述螺杆上，所述kvm端光模块固定于所述滑块上，用于通过所述步进电机驱动所述滑块移动以将所述kvm端光模块沿直线移动设定的距离。
13.在一个实施例中，还包括供电电路，所述供电电路与所述kvm端光模块、kvm端控制电路和步进电机连接，用于对kvm端光模块、kvm端控制电路和步进电机进行供电，所述多个pc端光模块与对应的pc机连接，以通过pc机进行供电。
14.在第二方面中，本实用新型还提供了一种kvm装置，包括壳体，所述壳体内设置有kvm切换器以及如前文一个或多个实施例中所述的usb物理隔离器。
15.在一个实施例中，所述壳体的外部还安装有操作面板，所述操作面板上设置有多个控制按键，用于实现功能切换。
16.在一个实施例中，所述壳体内还设置有散热风扇，所述散热风扇用于对所述usb物理隔离器和kvm切换器进行散热。
17.根据本实用新型的方案，可以通过光模块通信过程实现鼠键端与不同pc机之间的信息交互，并通过光模块移动过程中，鼠标键盘与多台电脑的usb接口之间物理切换对应关系的不可编程性，有效保证了pc机切换运行过程中的网络安全物理隔离，保证了多网络信息资源调度融合应用的安全性。进一步，还可以通过对不同的电路模块进行独立的供电，从而保证供电隔离，有效提升了网络安全的可靠性。
附图说明
18.通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
19.图1是示意性示出根据本实用新型实施例的usb物理隔离器的结构图；
20.图2是示意性示出根据本实用新型实施例的驱动机构控制电路的示意图；
21.图3a分别是示意性示出根据本实用新型实施例的pc端光模块的供电原理图；
22.图3b和图3c是示意性示出根据本实用新型实施例的3.3v电源为各电路模块供电的示意图；
23.图3d是示意性示出根据本实用新型实施例的1.05v电源为各电路模块供电的示意图；
24.图4是示意性示出根据本实用新型实施例的kvm端3.3v电源的示意图；
25.图5是示意性示出根据本实用新型实施例的kvm端的usb接口电路的示意图；以及
26.图6是示意性示出根据本实用新型实施例的kvm装置的示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.下面结合附图来详细描述本实用新型的具体实施方式。
29.图1是示意性示出根据本实用新型实施例的usb物理隔离器的应用场景的示意图。
30.如图1所示，根据本实用新型的上下文，该usb物理隔离器可以用于kvm装置中，以实现对不同pc机通过kvm连接时信号的物理隔离。具体的，该usb物理隔离器可以与kvm上位机连接，从而实现隔离器与kvm上位机之间的信息交互。具体地，该usb物理隔离器包括kvm端数据传输接口、pc端数据传输接口、一个kvm端光模块、驱动机构和多个pc端光模块。
31.kvm端数据传输接口可以用于与kvm装置中的kvm上位机连接，以接收鼠标和/或键盘输入的控制信号。在一些实施例中，该kvm端数据传输接口可以包括多个usb接口和数据接口。多个usb接口用于传输所述鼠标和/或键盘输入的控制信号，数据接口用于传输kvm上位机输出的步进电机位移信号。
32.在一个应用场景中，该kvm端数据传输接口中可以包括4个usb接口和一个数据接口。4个usb接口可以实现与kvm装置中的kvm上位机连接，从而获取来自鼠标或键盘的控制信号。而数据接口可以与kvm上位机连接，从而可以获取来自kvm上位机的位移指令，从而控制驱动机构进行移位操作。
33.pc端数据传输接口可以用于与多个pc机连接，以实现与pc机的信息交互。在一些实施例中，该pc端数据传输接口可以包括多个usb接口，用于分别连接不同的pc机。
34.一个kvm端光模块，其通过kvm端控制电路与kvm端数据传输接口连接，用于根据所述鼠标和/或键盘输入的控制信号。在一些实施例中，通过移动该kvm端光模块实现与pc端光模块的匹配，从而利用光电转换过程建立该kvm端光模块与对应pc端光模块的信息传输通道。
35.驱动机构可以与kvm端控制电路连接，用于根据鼠标和/或键盘输入的控制信号驱动kvm端光模块移动，以实现所述kvm端光模块与任意一个pc端光模块的通信交互。
36.多个pc端光模块可以与pc端数据传输接口一一对应，并且每个pc端光模块通过对应的信号传输控制电路与pc端数据传输接口连接，用于将所述pc端光模块传输的信号发送至所述pc机。
37.在一些实施例中，kvm端控制电路包括第一控制电路和第二控制电路。第一控制电路与多个usb接口和kvm端光模块连接。第二控制电路与数据接口和驱动机构连接。
38.在实际应用过程中，kvm上位机和鼠标键盘连接，以接收来自鼠标键盘的usb信号。第一控制电路可以通过多个usb接口连接kvm上位机，并且第一控制电路还与kvm端光模块连接，从而可以传输来自kvm上位机的usb信号，实现鼠标键盘与pc机的通信过程。同时，kvm
上位机还可以根据鼠标键盘的控制信号分析处需要控制的pc机，此处为现有技术，将不再详细说明。第二控制电路可以根据需要控制的pc机控制步进电机移动对应的距离，从而实现kvm端光模块与对应pc端光模块的通信。例如，当kvm上位机监测到键盘的“*+3”的组合键时，kvm上位机可以通过数据接口将该信号传输至第二控制电路，第二控制电路将控制步进电机将滑块移动至3号pc机的位置。需要说明的是，本方案中，第二控制电路控制步进电机移动的过程可以采用现有技术实现。例如第二控制电路中可以存储有键盘组合键与移动位置的映射关系表，从而实现驱动控制。
39.在一些实施例中，kvm端光模块和pc端光模块均包括光电子器件、功能电路和光接口。光电子器件包括光发射电路和光接收电路，用于实现光电信号转换以进行数据传输。功能电路与光电子器件和光接口连接，用于对进行光电转换后的电信号进行处理，并通过光接口进行数据传输。上述功能电路中例如可以采用光电转换芯片rtl8211dn，以进行光信号和电信号的转换，还可以包括放大电路、滤波电路等。
40.在实际应用过程中，对usb信号的物理隔离可以采用步进电机进行机械切换的方法。采用kvm端光模块的激光头水平移动方法，对水平排列的pc端光模块进行一一对应选择以切换usb通道。该方法实现了鼠标键盘在任何时刻唯一对应一台pc终端物理接触，实现了各台pc终端互相物理隔离，不存在物理上和逻辑上两台pc终端互联的可能性。并且实现不同网络之间通过usb接口直接进行数据通信的可能性。
41.基于此，上述驱动机构可以包括步进电机、螺杆和滑块。将螺杆与步进电机的输出轴连接，滑块设置于螺杆上，kvm端光模块固定于滑块上，用于通过步进电机驱动所述滑块移动以将kvm端光模块沿直线移动设定的距离。具体地，采用步进电动机中安装内螺纹转子，转子的内螺纹与螺杆啮合以进行直线运动。驱动kvm光模块的光头进行直线滑运动。kvm端光模块的激光头的运动速度和停止位置仅取决于脉冲信号的频率和脉冲的数量，激光头设定4个固定位置，分别对应与4个pc端的光模块。在靠近步进电机的一端设定一个限位开关，此位置为初始位置。kvm端光模块的激光头在这5个位置做精确滑动运动，当与某个pc机通信时，使用键盘或鼠标操作，控制激光头就移动到该pc端的光模块，建立光通信链路。
42.如图2所示，通过鼠标或键盘控制上述步进电机，例如上述第二控制电路中的单片机可以采用宏晶stc8g1k08，步进电机驱动电路使用lb1848。插接口j5使用p2.54针距一个，与步进电机的排线相连，以驱动步进电机。插接口j1-4使用p2.0针距，j1为外接控制扩展电路，用于操作使用，按键功能分别为模式1(+)、2(-)、3、4(退出)，4个操作按键。j2的3/4脚为kvm端光模块的5v电源供电端子。1/2脚是限位开关的引脚，用于监测步进电机的位置状态。j3的5/6/7脚为是数据输入端，读取kvm上位机的控制数据，完成激光头位置的调整。2、3脚是接收编程器的烧录数据。1/4脚为5v电源的输入脚。j4为单片机控制板的5v供电引脚。
43.可以理解的是，第二控制电路根据选择的pc机控制步进电机移动相应的距离的控制算法属于现有技术，本方案中仅对该usb物理隔离器中的电路结构和结构设置进行保护。
44.图3a至图3d中分别说明在该usb物理隔离器中为pc端光模块等电路结构提供供电电源的示意图。图4是示意性示出根据本实用新型实施例的kvm端3.3v电源的示意图。
45.在该usb物理隔离器中可以将供电电路与kvm端光模块、kvm端控制电路和步进电机连接，用于对kvm端光模块、kvm端控制电路和步进电机进行供电。多个pc端光模块则可以与对应的pc机连接，以通过pc机进行供电。
46.在对pc端光模块和对应的信号传输控制电路进行供电时，可以对pc端光模块的直流供电电源进行物理隔离，起到了各网络pc之间的物理隔离作用。pc端光模块由各个pc主机提供5v的独立供电电源，共pc端4个光模块。可以进行最大4路usb信号的切换。进一步，供电电路中还可以设计双电源的地线相互独立。与pc机的+5v和+12v的地线相互独立不存在共地问题。与光模块的配合共同起到了对地线的物理隔离作用。如图3a中所示，可以利用电压变换器将pc主机提供的5v供电电源转换成3.3v的电压，从而为不同的芯片、电路等进行供电。如图3b、3c所示，3.3v的供电电压可以为不同的芯片、usb、io端等提供工作电源。如图3d所示，还可以利用降压变换器u3将3.3v的工作电源转换为1.05v的工作电源，从而为其他的电路进行供电。
47.进一步，还可以对kvm端光模块等直流供电电源进行物理隔离，从而使得usb物理隔离器与各个pc之间的物理隔离。kvm端光模块由本机电源提供独立5v的供电电源，即为kvm端光模块这1个光模块，以及相应的控制电路等。如图4所示，可以利用电压变换器u2，将来自电源接口的电压转换为对应的工作电压，从而为kvm端光模块等进行供电。更进一步地，如图5中示出了kvm端数据传输接口中，usb接口电路的结构，该usb接口电路中可以采用双usb结构。
48.在本实用新型的第二方面中，还提供了一种kvm装置。如图5所示，该kvm装置包括壳体，在壳体内设置有kvm切换器以及如前文一个或多个实施例中的usb物理隔离器。
49.在一些实施例中，壳体的外部还安装有操作面板，操作面板上设置有多个控制按键，用于实现功能切换。进一步，在该操作面板上还可以设置显示屏，将显示屏与上述各控制电路连接，可以获取当前的控制信息。例如当前正在操作中的pc机。
50.在一些实施例中，壳体内还设置有散热风扇，散热风扇用于对所述usb物理隔离器和kvm切换器进行散热。同时，在壳体内还设置有电源板，该电源板上设置有供电电路，从而为kvm装置中的各部分电路结构进行供电。
51.虽然本说明书已经示出和描述了本实用新型的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本实用新型思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本实用新型的过程中，可以采用对本文所描述的本实用新型实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本实用新型的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。

技术特征：
1.一种usb物理隔离器，其特征在于，所述usb物理隔离器用于kvm装置中，包括：kvm端数据传输接口，其用于与所述kvm装置中的kvm上位机连接，以接收鼠标和/或键盘输入的控制信号；pc端数据传输接口，其用于与多个pc机连接，以实现与所述pc机的信息交互；一个kvm端光模块，其通过kvm端控制电路与所述kvm端数据传输接口连接，用于根据所述鼠标和/或键盘输入的控制信号；驱动机构，其与所述kvm端控制电路连接，用于根据所述鼠标和/或键盘输入的控制信号驱动所述kvm端光模块移动，以实现所述kvm端光模块与任意一个pc端光模块的通信交互；多个pc端光模块，其与所述pc端数据传输接口一一对应，并且每个pc端光模块通过对应的信号传输控制电路与所述pc端数据传输接口连接，用于将所述pc端光模块传输的信号发送至所述pc机。2.根据权利要求1所述的usb物理隔离器，其特征在于，所述kvm端数据传输接口包括多个usb接口和数据接口，所述多个usb接口用于传输所述鼠标和/或键盘输入的控制信号，所述数据接口用于传输所述kvm上位机输出的步进电机位移信号。3.根据权利要求2所述的usb物理隔离器，其特征在于，所述kvm端控制电路包括第一控制电路和第二控制电路，所述第一控制电路与所述多个usb接口和kvm端光模块连接，所述第二控制电路与所述数据接口和所述驱动机构连接。4.根据权利要求1所述的usb物理隔离器，其特征在于，所述pc端数据传输接口包括多个usb接口，用于分别连接不同的pc机。5.根据权利要求1所述的usb物理隔离器，其特征在于，所述kvm端光模块和pc端光模块均包括光电子器件、功能电路和光接口，所述光电子器件包括光发射电路和光接收电路，用于实现光电信号转换以进行数据传输，所述功能电路与所述光电子器件和光接口连接，用于对进行光电转换后的电信号进行处理，并通过光接口进行数据传输。6.根据权利要求1所述的usb物理隔离器，其特征在于，所述驱动机构包括步进电机、螺杆和滑块，所述螺杆与所述步进电机的输出轴连接，所述滑块设置于所述螺杆上，所述kvm端光模块固定于所述滑块上，用于通过所述步进电机驱动所述滑块移动以将所述kvm端光模块沿直线移动设定的距离。7.根据权利要求6所述的usb物理隔离器，其特征在于，还包括供电电路，所述供电电路与所述kvm端光模块、kvm端控制电路和步进电机连接，用于对kvm端光模块、kvm端控制电路和步进电机进行供电，所述多个pc端光模块与对应的pc机连接，以通过pc机进行供电。8.一种kvm装置，其特征在于，包括壳体，所述壳体内设置有kvm切换器以及如权利要求1-7任意一项所述的usb物理隔离器。9.根据权利要求8所述的kvm装置，其特征在于，所述壳体的外部还安装有操作面板，所述操作面板上设置有多个控制按键，用于实现功能切换。10.根据权利要求8所述的kvm装置，其特征在于，所述壳体内还设置有散热风扇，所述散热风扇用于对所述usb物理隔离器和kvm切换器进行散热。

技术总结
本实用新型涉及一种USB物理隔离器和KVM装置，所述USB物理隔离器包括KVM端数据传输接口、PC端数据传输接口、一个KVM端光模块，其通过KVM端控制电路与KVM端数据传输接口连接，用于根据所述鼠标和/或键盘输入的控制信号；驱动机构与KVM端控制电路连接，用于根据鼠标和/或键盘输入的控制信号驱动所述KVM端光模块移动，以实现所述KVM端光模块与任意一个PC端光模块的通信交互；多个PC端光模块与PC端数据传输接口一一对应，并且每个PC端光模块通过对应的信号传输控制电路与所述PC端数据传输接口连接，用于将所述PC端光模块传输的信号发送至所述PC机。根据本实用新型的方案，解决了不同电脑的主机与KVM装置连接时的安全性低、信息易泄漏的问题。易泄漏的问题。易泄漏的问题。


技术研发人员：郭志强 李帅航 白俊华 黄振宙 周瑞博 刘广文 靳昊
受保护的技术使用者：郭志强
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/7/17