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

0 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.鼠標(biāo).游戲桿等.相對(duì)于U 盤.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”的視頻編輯軟件控制方式.Wave Panel 沒有提供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)間過小，則用戶來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)無須再編寫專門的驅(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.讀報(bào)表.寫報(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

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)品說明書直接獲取.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Wave Panel,這一過程需要調(diào)用多個(gè)Windows API函數(shù)實(shí)現(xiàn).基本方法是首先獲取當(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，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.應(yīng)用程序在Wave Panel成功打開后就創(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.