基于Wave Panel的HID設(shè)備通訊接口設(shè)計(jì) - 全文

　　摘 要：HID 設(shè)備研發(fā)和使用中所面臨的重要問(wèn)題之一是設(shè)備與主機(jī)應(yīng)用程序的通訊。文中以視頻編輯專用HID 設(shè)備Wave Panel 為基礎(chǔ)，首先簡(jiǎn)要介紹了HID 設(shè)備的性能特點(diǎn)和Windows 環(huán)境下的HID 通訊機(jī)制，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)用的HID 設(shè)備通訊接口，該通訊接口利用相關(guān)Windows API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)HID 設(shè)備的識(shí)別。打開(kāi)和關(guān)閉，并以異步模式完成設(shè)備與主機(jī)應(yīng)用程序的雙向通訊過(guò)程，最后在Wave Panel 對(duì)該接口進(jìn)行了編程實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該接口的通用性較好，能夠較好地實(shí)現(xiàn)HID 設(shè)備與主機(jī)應(yīng)用程序的通訊功能。

　　引 言

　　HID（Human Interface Device，人機(jī)接口設(shè)備）是一類低速USB 設(shè)備，典型的HID 設(shè)備有鍵盤(pán)。鼠標(biāo)。游戲桿等。相對(duì)于U 盤(pán)。打印機(jī)等高速USB 設(shè)備，HID 設(shè)備具有使用方便。響應(yīng)迅速。研發(fā)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。當(dāng)前HID 設(shè)備正在向?qū)Ｓ没较蚩焖侔l(fā)展 。

　　Wave Panel 是蘋(píng)果公司研發(fā)的視頻色彩編輯軟件Color 支持一型專用的數(shù)據(jù)輸入和顯示HID 設(shè)備，該設(shè)備面板上設(shè)置有按鍵。解碼器和二維跟蹤球三種控制器，能夠快捷。精確地對(duì)各類視頻色彩參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并將控制和狀態(tài)信息同步顯示在設(shè)備微型顯示屏上，從而改變了傳統(tǒng)“鼠標(biāo)+鍵盤(pán)”的視頻編輯軟件控制方式.Wave Panel 沒(méi)有提供Windows 環(huán)境下與應(yīng)用程序通訊的功能，因此可基于Wave Panel 設(shè)計(jì)一個(gè)功能完備。通用性強(qiáng)的通訊接口，并加以驗(yàn)證。這對(duì)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)際需求靈活地配備和控制專用HID 設(shè)備有很大幫助。

　　1 ?Wave Panel 的性能特征

　　HID 設(shè)備除滿足USB 標(biāo)準(zhǔn)外，還具備一些與人機(jī)交互密切相關(guān)的特點(diǎn)，主要包括：

　　1）通常使用控制方式或中斷方式通訊。兩種傳輸方式的區(qū)別在于控制方式適用于對(duì)延遲沒(méi)有特別限制的數(shù)據(jù)，而中斷方式適用于低延遲。周期性的數(shù)據(jù) .Wave Panel 的數(shù)據(jù)傳輸方式為中斷方式。

　　2）單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，且這些數(shù)據(jù)以狀態(tài)變化信息或控制信息為主。其中低速HID 設(shè)備單次傳輸數(shù)據(jù)最大為8 字節(jié)，全速設(shè)備為64 字節(jié)，高速設(shè)備為1024 字節(jié)。主機(jī)與HID 設(shè)備交換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在報(bào)表（Report）結(jié)構(gòu)內(nèi) 。

　　Wave Panel 的輸入報(bào)表長(zhǎng)度為27 字節(jié)，其中0 字節(jié)用于記錄報(bào)表ID，1 ~ 6 字節(jié)的前41 比特分別記錄41 個(gè)按鍵的按下或抬起狀態(tài)，另有7 比特未用，置為0;7 ~19 字節(jié)分別記錄13 個(gè)解碼器的狀態(tài)；20 ~25 字節(jié)每2 字節(jié)分別記錄一個(gè)二維跟蹤球X 軸和Y 軸的狀態(tài)；26 字節(jié)留作固件升級(jí)使用.Wave Panel 的輸出報(bào)表長(zhǎng)度為41 字節(jié)，其中0 ~ 5 字節(jié)為控制命令，6 ~ 40字節(jié)為顯示信息的字符。

　　3）使用輪詢方式檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)變化情況.HID 設(shè)備可能在任何時(shí)刻向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，例如鼠標(biāo)發(fā)生移動(dòng)或鍵盤(pán)有按鍵按下。所以HID 設(shè)備會(huì)在一個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)輪詢各控制口一次，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)有變化時(shí)生成輸入報(bào)表發(fā)送給主機(jī) 。但輪詢的間隔時(shí)間要由用戶對(duì)HID 設(shè)備的操作速度決定。如果間隔時(shí)間過(guò)小，則用戶來(lái)不及在兩次輪詢間隔內(nèi)完成一次操作；反之，又會(huì)使HID 設(shè)備的響應(yīng)速度無(wú)法與用戶的操作速度匹配，造成延遲 。

　　Wave Panel 規(guī)定，每40 毫秒對(duì)所有控制器端口輪詢一次，若其中任何一個(gè)控制器的狀態(tài)在兩次輪詢間隔內(nèi)發(fā)生改變，就會(huì)在下次輪詢前生成輸入報(bào)表發(fā)送給主機(jī).40 毫秒是基于視頻每幀顯示時(shí)間而確定的。

　　2? HID 設(shè)備的通訊過(guò)程

　　HID 設(shè)備是Windows 操作系統(tǒng)最早支持的USB設(shè)備。在Windows 98 及以后的各版本中都已內(nèi)置了HID 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，主機(jī)與HID 設(shè)備通訊時(shí)無(wú)須再編寫(xiě)專門(mén)的驅(qū)動(dòng)程序。這就簡(jiǎn)化了HID 設(shè)備與主機(jī)應(yīng)用程序通訊接口的設(shè)計(jì)和研發(fā)。

　　通過(guò)分析，可以將HID 設(shè)備與主機(jī)應(yīng)用程序的通訊劃分為設(shè)備識(shí)別和打開(kāi)。讀報(bào)表。寫(xiě)報(bào)表和設(shè)備關(guān)閉四個(gè)模塊。

　　2. 1 Wave Panel 的識(shí)別和打開(kāi)

　　HID 設(shè)備連接到主機(jī)后，以廠商ID（VID）。產(chǎn)品ID（PID）和產(chǎn)品版本號(hào)（PVN）三項(xiàng)屬性值的組合作為設(shè)備唯一標(biāo)識(shí).Wave Panel 的三項(xiàng)屬性值可以從產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)直接獲取。由于一臺(tái)主機(jī)可能同時(shí)連接有多臺(tái)HID 設(shè)備，所以在通訊前應(yīng)用程序必須要識(shí)別并打開(kāi)Wave Panel，這一過(guò)程需要調(diào)用多個(gè)Windows API函數(shù)實(shí)現(xiàn)?；痉椒ㄊ鞘紫全@取當(dāng)前與主機(jī)連接的所有HID 設(shè)備信息的集合，然后逐一枚舉集合中的各設(shè)備，并比較VID.PID 和PVN 值。當(dāng)三項(xiàng)屬性值都與Wave Panel 相等時(shí)表示已經(jīng)找到，調(diào)用CreateFile（）將該Wave Panel 打開(kāi)，并保存Wave Panel 設(shè)備句柄。該模塊的流程如圖1 所示。

　　流程中調(diào)用的Windows API 函數(shù)和結(jié)構(gòu)體變量類型分別在hidpi. h.hidsdi. h.hidusage. h.setupapi. h 和hid. lib.setupapi. lib 幾個(gè)文件中定義并實(shí)現(xiàn) 。主要包括：

　　1）HidD_GetHidGuid（ ）：獲取HID 設(shè)備的GUID值，并保存在一個(gè)GUID 結(jié)構(gòu)體變量中；

　　2）SetupDiGetClassDevs（）：根據(jù)HID 設(shè)備的GUID值獲取HID 設(shè)備信息的集合，并保存在一個(gè)HDEVINFO結(jié)構(gòu)體類型的變量中；

　　3）SetupDiEnumDeviceInterfaces（）：在設(shè)備信息集合中依次獲取編號(hào)為i（i = 0，1，…） 的設(shè)備接口信息，保存在一個(gè)SP_DEVICE_INTERFACE_DATA 結(jié)構(gòu)體類型變量中；

　　4）SetupDiGetDeviceInterfaceDetail（）：當(dāng)獲取設(shè)備接口信息成功時(shí)進(jìn)一步獲取該設(shè)備的詳細(xì)信息，并保存設(shè)備路徑；

　　5）HidD_GetAttributes（）：獲取設(shè)備屬性值并保存在一個(gè)HIDD_ATTRIBUTES 結(jié)構(gòu)體類型變量中.VID.PID 和PVN 值即為該結(jié)構(gòu)體變量的三項(xiàng)成員；

　　6）SetupDiDestroyDeviceInfoList（ ）：銷毀設(shè)備信息集合。

　　2. 2 讀報(bào)表

　　讀報(bào)表是指HID 設(shè)備向主機(jī)輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)WavePanel 面板上任意控制器狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)在下一次輪詢時(shí)將這些數(shù)據(jù)生成輸入報(bào)表，并發(fā)送給主機(jī)。

　　主機(jī)上的應(yīng)用程序接收輸入報(bào)表并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后做出相應(yīng)的處理。

　　由于Wave Panel 可能在任何時(shí)候與主機(jī)以中斷方式進(jìn)行通訊，因此應(yīng)用程序需要維護(hù)一個(gè)異步調(diào)用的讀報(bào)表線程。該線程在Wave Panel 沒(méi)有向主機(jī)輸入數(shù)據(jù)時(shí)阻塞，以減輕系統(tǒng)負(fù)載。當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，線程恢復(fù)運(yùn)行，調(diào)用ReadFile（）將輸入數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。這之后線程將再次被阻塞，直到有新的輸入數(shù)據(jù)到來(lái)。應(yīng)用程序在Wave Panel成功打開(kāi)后就創(chuàng)建讀報(bào)表線程，應(yīng)用程序運(yùn)行結(jié)束前該線程將一直存在。讀報(bào)表流程如圖2 所示。

　　2. 3 寫(xiě)報(bào)表

　　與讀報(bào)表相反，寫(xiě)報(bào)表是指主機(jī)向HID 設(shè)備輸出數(shù)據(jù)。寫(xiě)報(bào)表對(duì)延遲的要求較高，但這一功能不是必需的，根據(jù)HID 設(shè)備的實(shí)際用途而定 。鼠標(biāo)。鍵盤(pán)。游戲桿等較簡(jiǎn)單的設(shè)備只向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常是一些控制信息和狀態(tài)信息 ，例如改變HID 設(shè)備液晶屏上的顯示信息?？刂圃O(shè)備上發(fā)光元件的亮滅等。

　　應(yīng)用程序的寫(xiě)報(bào)表線程流程與讀報(bào)表線程類似，首先將要輸出的數(shù)據(jù)按Wave Panel 規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行封裝，復(fù)制到一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，再調(diào)用WriteFile（）將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)輸出到Wave Panel 即可，這些信息主要是與視頻幀狀態(tài)變化相關(guān)的信息。

　　2. 4 設(shè)備關(guān)閉

　　設(shè)備關(guān)閉模塊功能比較簡(jiǎn)單。當(dāng)主機(jī)與WavePanel 的通訊結(jié)束時(shí)，調(diào)用CloseHandle（ ） 將打開(kāi)的Wave Panel 關(guān)閉即可。

　　3?? Wave Panel 通訊接口的設(shè)計(jì)

　　以上述通訊過(guò)程為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)名為CHid-Comm 的通訊接口，其總體框架為：

　　其中，成員函數(shù)OpenDevice（）和CloseDevice（）分別用于識(shí)別。打開(kāi)和關(guān)閉Wave Panel.ReadReport-Thread（）用于創(chuàng)建讀報(bào)表線程。由于線程為異步方式執(zhí)行，因此ReadReportThread（ ） 在調(diào)用ReadFile（ ） 時(shí)要使用一個(gè)OVERLAPPED 結(jié)構(gòu)變量，該變量含有一個(gè)I/ O 完成后觸發(fā)事件的句柄。當(dāng)HID 設(shè)備沒(méi)有向主機(jī)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，事件處于無(wú)信號(hào)狀態(tài)，線程被阻塞；當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，事件被觸發(fā)，線程恢復(fù)運(yùn)行，接收并將數(shù)據(jù)保存在讀報(bào)表緩沖區(qū)，供數(shù)據(jù)解析函數(shù)使用.WriteReportThread（）與ReadReportThread（ ） 的功能類似，用于創(chuàng)建寫(xiě)報(bào)表線程。

　　成員變量VID.PID 和PVN 用于保存三項(xiàng)屬性值，ReadBuffer 和WriteBuffer 分別定義讀報(bào)表緩沖區(qū)和寫(xiě)報(bào)表緩沖區(qū)，其大小由HID 設(shè)備的輸入報(bào)表和輸出報(bào)表長(zhǎng)度決定.S 實(shí)際上，該接口不僅可以用于WavePanel，同樣也適用于其它HID 設(shè)備。只需要重新設(shè)置VID.PID 和PVN 值以及ReadBuffer.WriteBuffer 緩沖區(qū)的大小，而無(wú)須對(duì)識(shí)別。打開(kāi)。讀寫(xiě)報(bào)表等功能進(jìn)行修改。

　　圖3 是主機(jī)應(yīng)用程序調(diào)用CHidComm 接口實(shí)現(xiàn)與Wave Panel 通訊的情況。以十六進(jìn)制形式輸出讀報(bào)表緩沖區(qū)的值，并顯示控制器狀態(tài)變化情況。需要注意的一個(gè)重要問(wèn)題是Wave Panel 輸入報(bào)表并不使用報(bào)表ID，在這種情況下應(yīng)將讀報(bào)表緩沖區(qū)ReadBuffer 的第0 字節(jié)設(shè)置為0×00，否則讀報(bào)表線程將無(wú)法接收到輸入報(bào)表。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　Wave Panel 是一類較復(fù)雜的視頻編輯HID 設(shè)備，沒(méi)有提供Windows 環(huán)境下的通訊功能?；赪avePanel 對(duì)Windows 環(huán)境下的HID 設(shè)備通訊進(jìn)行研究，能夠解決許多UNIX.Linux.Mac 等操作系統(tǒng)支持的專用HID 設(shè)備無(wú)法在Windows 環(huán)境下使用的問(wèn)題。較之現(xiàn)有的一些解決方案，設(shè)計(jì)的CHidComm 接口具有較強(qiáng)的通用性，并可以方便地對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展。今后的工作主要是擴(kuò)展該接口在64 位Windows 環(huán)境下的功能.