基于Wave Panel 的HID 設(shè)備通訊接口設(shè)計

0 引 言

HID(Human Interface Device,人機接口設(shè)備)是一類低速USB 設(shè)備，典型的HID 設(shè)備有鍵盤.鼠標.游戲桿等.相對于U 盤.打印機等高速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，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛.當前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.精確地對各類視頻色彩參數(shù)進行設(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+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)計一個功能完備.通用性強的通訊接口，并加以驗證.這對企業(yè)和科研機構(gòu)根據(jù)實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 標準外，還具備一些與人機交互密切相關(guān)的特點，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).主機與HID 設(shè)備交換的數(shù)據(jù)存儲在報表(Report)結(jié)構(gòu)內(nèi) .

Wave Panel 的輸入報表長度為27 字節(jié)，其中0 字節(jié)用于記錄報表ID,1 ~ 6 字節(jié)的前41 比特分別記錄41 個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 個解碼器的狀態(tài);20 ~25 字節(jié)每2 字節(jié)分別記錄一個二維跟蹤球X 軸和Y 軸的狀態(tài);26 字節(jié)留作固件升級使用.Wave Panel 的輸出報表長度為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)使用輪詢方式檢測設(shè)備狀態(tài)變化情況.HID 設(shè)備可能在任何時刻向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，例如鼠標發(fā)生移動或鍵盤有按鍵按下.所以HID 設(shè)備會在一個固定的時間間隔內(nèi)輪詢各控制口一次，當發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)有變化時生成輸入報表發(fā)送給主機 .但輪詢的間隔時間要由用戶對HID 設(shè)備的操作速度決定.如果間隔時間過小，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 毫秒對所有控制器端口輪詢一次，若其中任何一個控制器的狀態(tài)在兩次輪詢間隔內(nèi)發(fā)生改變，就會在下次輪詢前生成輸入報表發(fā)送給主機.40 毫秒是基于視頻每幀顯示時間而確定的.

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)動程序，主機與HID 設(shè)備通訊時無須再編寫專門的驅(qū)動程序.這就簡化了HID 設(shè)備與主機應(yīng)用程序通訊接口的設(shè)計和研發(fā).

通過分析，可以將HID 設(shè)備與主機應(yīng)用程序的通訊劃分為設(shè)備識別和打開.讀報表.寫報表和設(shè)備關(guān)閉四個模塊.

2. 1 Wave Panel 的識別和打開

HID 設(shè)備連接到主機后，以廠商ID(VID).產(chǎn)品ID(PID)和產(chǎn)品版本號(PVN)三項屬性值的組合作為設(shè)備唯一標識.Wave Panel 的三項屬性值可以從產(chǎn)品說明書直接獲取.由于一臺主機可能同時連接有多臺HID 設(shè)備，所以在通訊前應(yīng)用程序必須要識別并打開Wave Panel,這一過程需要調(diào)用多個Windows API函數(shù)實現(xiàn).基本方法是首先獲取當前與主機連接的所有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.當三項屬性值都與Wave Panel 相等時表示已經(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 幾個文件中定義并實現(xiàn) .主要包括：

1)HidD_GetHidGuid( )：獲取HID 設(shè)備的GUID值，并保存在一個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為i(i = 0,1,…) 的設(shè)備接口信息，保存在一個SP_DEVICE_INTERFACE_DATA 結(jié)構(gòu)體類型變量中;

4)SetupDiGetDeviceInterfaceDetail()：當獲取設(shè)備接口信息成功時進一步獲取該設(shè)備的詳細信息，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)體變量的三項成員;

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

2. 2 讀報表

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

主機上的應(yīng)用程序接收輸入報表并對數(shù)據(jù)進行解析，然后做出相應(yīng)的處理.

由于Wave Panel 可能在任何時候與主機以中斷方式進行通訊，因此應(yīng)用程序需要維護一個異步調(diào)用的讀報表線程.該線程在Wave Panel 沒有向主機輸入數(shù)據(jù)時阻塞，以減輕系統(tǒng)負載.當有數(shù)據(jù)輸入時，線程恢復(fù)運行，調(diào)用ReadFile()將輸入數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，并對數(shù)據(jù)進行解析.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)建讀報表線程，應(yīng)用程序運行結(jié)束前該線程將一直存在.讀報表流程如圖2 所示.[!--empirenews.page--]

2. 3 寫報表

與讀報表相反，寫報表是指主機向HID 設(shè)備輸出數(shù)據(jù).寫報表對延遲的要求較高，但這一功能不是必需的，根據(jù)HID 設(shè)備的實際用途而定 .鼠標.鍵盤.游戲桿等較簡單的設(shè)備只向主機發(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.控制設(shè)備上發(fā)光元件的亮滅等.

應(yīng)用程序的寫報表線程流程與讀報表線程類似，首先將要輸出的數(shù)據(jù)按Wave Panel 規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進行封裝，復(fù)制到一個緩沖區(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)閉模塊功能比較簡單.當主機與WavePanel 的通訊結(jié)束時，調(diào)用CloseHandle( ) 將打開的Wave Panel 關(guān)閉即可.

3 Wave Panel 通訊接口的設(shè)計

以上述通訊過程為基礎(chǔ)，設(shè)計一個名為CHid-Comm 的通訊接口，其總體框架為：

其中，成員函數(shù)OpenDevice()和CloseDevice()分別用于識別.打開和關(guān)閉Wave Panel.ReadReport-Thread()用于創(chuàng)建讀報表線程.由于線程為異步方式執(zhí)行，因此ReadReportThread( ) 在調(diào)用ReadFile( ) 時要使用一個OVERLAPPED 結(jié)構(gòu)變量，該變量含有一個I/ O 完成后觸發(fā)事件的句柄.當HID 設(shè)備沒有向主機輸入數(shù)據(jù)時，事件處于無信號狀態(tài)，線程被阻塞;當有數(shù)據(jù)輸入時，事件被觸發(fā)，線程恢復(fù)運行，接收并將數(shù)據(jù)保存在讀報表緩沖區(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)建寫報表線程.

成員變量VID.PID 和PVN 用于保存三項屬性值，ReadBuffer 和WriteBuffer 分別定義讀報表緩沖區(qū)和寫報表緩沖區(qū)，其大小由HID 設(shè)備的輸入報表和輸出報表長度決定.S 實際上，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，而無須對識別.打開.讀寫報表等功能進行修改.

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

4 結(jié)束語

Wave Panel 是一類較復(fù)雜的視頻編輯HID 設(shè)備，沒有提供Windows 環(huán)境下的通訊功能.基于WavePanel 對Windows 環(huán)境下的HID 設(shè)備通訊進行研究，能夠解決許多UNIX.Linux.Mac 等操作系統(tǒng)支持的專用HID 設(shè)備無法在Windows 環(huán)境下使用的問題.較之現(xiàn)有的一些解決方案，設(shè)計的CHidComm 接口具有較強的通用性，并可以方便地對功能進行擴展.今后的工作主要是擴展該接口在64 位Windows 環(huán)境下的功能.