摘 要：HID 設(shè)備研發(fā)和使用中所面臨的重要問題之一是設(shè)備與主機應(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)，首先簡要介紹了HID 設(shè)備的性能特點和Windows 環(huán)境下的HID 通訊機制，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出一個實用的HID 設(shè)備通訊接口，該通訊接口利用相關(guān)Windows API 函數(shù)實現(xiàn)對HID 設(shè)備的識別。打開和關(guān)閉，并以異步模式完成設(shè)備與主機應(yīng)用程序的雙向通訊過程，最后在Wave Panel 對該接口進行了編程實驗。實驗結(jié)果證明該接口的通用性較好，能夠較好地實現(xiàn)HID 設(shè)備與主機應(yīng)用程序的通訊功能。

　　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(biāo)。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(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(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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(dāng)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)獲取設(shè)備接口信息成功時進一步獲取該設(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(dāng)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(fù)載。當(dāng)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。

　　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(biāo)。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(dāng)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(dāng)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(dāng)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.