基于Wave Panel 的HID 設備通訊接口設計

0 引 言

HID(Human Interface Device,人機接口設備)是一類(lèi)低速USB 設備，典型的HID 設備有鍵盤(pán).鼠標.游戲桿等.相對于U 盤(pán).打印機等高速USB 設備，HID 設備具有使用方便.響應迅速.研發(fā)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，其應用領(lǐng)域十分廣泛.當前HID 設備正在向專(zhuān)用化方向快速發(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(zhuān)用的數據輸入和顯示HID 設備，該設備面板上設置有按鍵.解碼器和二維跟蹤球三種控制器，能夠快捷.精確地對各類(lèi)視頻色彩參數進(jìn)行設置，并將控制和狀態(tài)信息同步顯示在設備微型顯示屏上，從而改變了傳統“鼠標+鍵盤(pán)”的視頻編輯軟件控制方式.Wave Panel 沒(méi)有提供Windows 環(huán)境下與應用程序通訊的功能，因此可基于Wave Panel 設計一個(gè)功能完備.通用性強的通訊接口，并加以驗證.這對企業(yè)和科研機構根據實(shí)際需求靈活地配備和控制專(zhuān)用HID 設備有很大幫助.

1 Wave Panel 的性能特征

HID 設備除滿(mǎn)足USB 標準外，還具備一些與人機交互密切相關(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.兩種傳輸方式的區別在于控制方式適用于對延遲沒(méi)有特別限制的數據，而中斷方式適用于低延遲.周期性的數據 .Wave Panel 的數據傳輸方式為中斷方式.

2)單次傳輸的數據量小，且這些數據以狀態(tài)變化信息或控制信息為主.其中低速HID 設備單次傳輸數據最大為8 字節，全速設備為64 字節，高速設備為1024 字節.主機與HID 設備交換的數據存儲在報表(Report)結構內 .

Wave Panel 的輸入報表長(cháng)度為27 字節，其中0 字節用于記錄報表ID,1 ~ 6 字節的前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 字節分別記錄13 個(gè)解碼器的狀態(tài);20 ~25 字節每2 字節分別記錄一個(gè)二維跟蹤球X 軸和Y 軸的狀態(tài);26 字節留作固件升級使用.Wave Panel 的輸出報表長(cháng)度為41 字節，其中0 ~ 5 字節為控制命令，6 ~ 40字節為顯示信息的字符.

3)使用輪詢(xún)方式檢測設備狀態(tài)變化情況.HID 設備可能在任何時(shí)刻向主機發(fā)送數據，例如鼠標發(fā)生移動(dòng)或鍵盤(pán)有按鍵按下.所以HID 設備會(huì )在一個(gè)固定的時(shí)間間隔內輪詢(xún)各控制口一次，當發(fā)現設備狀態(tài)有變化時(shí)生成輸入報表發(fā)送給主機 .但輪詢(xún)的間隔時(shí)間要由用戶(hù)對HID 設備的操作速度決定.如果間隔時(shí)間過(guò)小，則用戶(hù)來(lái)不及在兩次輪詢(xún)間隔內完成一次操作;反之，又會(huì )使HID 設備的響應速度無(wú)法與用戶(hù)的操作速度匹配，造成延遲 .

Wave Panel 規定，每40 毫秒對所有控制器端口輪詢(xún)一次，若其中任何一個(gè)控制器的狀態(tài)在兩次輪詢(xún)間隔內發(fā)生改變，就會(huì )在下次輪詢(xún)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(shí)間而確定的.

2 HID 設備的通訊過(guò)程

HID 設備是Windows 操作系統最早支持的USB設備.在Windows 98 及以后的各版本中都已內置了HID 設備的驅動(dòng)程序，主機與HID 設備通訊時(shí)無(wú)須再編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)程序.這就簡(jiǎn)化了HID 設備與主機應用程序通訊接口的設計和研發(fā).

通過(guò)分析，可以將HID 設備與主機應用程序的通訊劃分為設備識別和打開(kāi).讀報表.寫(xiě)報表和設備關(guān)閉四個(gè)模塊.

2. 1 Wave Panel 的識別和打開(kāi)

HID 設備連接到主機后，以廠(chǎng)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備唯一標識.Wave Panel 的三項屬性值可以從產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)直接獲取.由于一臺主機可能同時(shí)連接有多臺HID 設備，所以在通訊前應用程序必須要識別并打開(kāi)Wave Panel,這一過(guò)程需要調用多個(gè)Windows API函數實(shí)現.基本方法是首先獲取當前與主機連接的所有HID 設備信息的集合，然后逐一枚舉集合中的各設備，并比較VID.PID 和PVN 值.當三項屬性值都與Wave Panel 相等時(shí)表示已經(jīng)找到，調用CreateFile()將該Wave Panel 打開(kāi)，并保存Wave Panel 設備句柄.該模塊的流程如圖1 所示.

流程中調用的Windows API 函數和結構體變量類(lèi)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 .主要包括：

1)HidD_GetHidGuid( )：獲取HID 設備的GUID值，并保存在一個(gè)GUID 結構體變量中;

2)SetupDiGetClassDevs()：根據HID 設備的GUID值獲取HID 設備信息的集合，并保存在一個(gè)HDEVINFO結構體類(lèi)型的變量中;

3)SetupDiEnumDeviceInterfaces()：在設備信息集合中依次獲取編號為i(i = 0,1,…) 的設備接口信息，保存在一個(gè)SP_DEVICE_INTERFACE_DATA 結構體類(lèi)型變量中;

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

5)HidD_GetAttributes()：獲取設備屬性值并保存在一個(gè)HIDD_ATTRIBUTES 結構體類(lèi)型變量中.VID.PID 和PVN 值即為該結構體變量的三項成員;

6)SetupDiDestroyDeviceInfoList( )：銷(xiāo)毀設備信息集合.

2. 2 讀報表

讀報表是指HID 設備向主機輸入數據.當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(xún)時(shí)將這些數據生成輸入報表，并發(fā)送給主機.

主機上的應用程序接收輸入報表并對數據進(jìn)行解析，然后做出相應的處理.

由于Wave Panel 可能在任何時(shí)候與主機以中斷方式進(jìn)行通訊，因此應用程序需要維護一個(gè)異步調用的讀報表線(xiàn)程.該線(xiàn)程在Wave Panel 沒(méi)有向主機輸入數據時(shí)阻塞，以減輕系統負載.當有數據輸入時(shí)，線(xiàn)程恢復運行，調用ReadFile()將輸入數據保存在緩沖區中，并對數據進(jìn)行解析.這之后線(xiàn)程將再次被阻塞，直到有新的輸入數據到來(lái).應用程序在Wave Panel成功打開(kāi)后就創(chuàng )建讀報表線(xiàn)程，應用程序運行結束前該線(xiàn)程將一直存在.讀報表流程如圖2 所示.