基于Wave Panel 的HID 设备通讯接口设计

0 引 言

HID(Human Interface Device,人机接口设备)是一类低速USB 设备，典型的HID 设备有键盘.鼠标.游戏杆等.相对于U 盘.打印机等高速USB 设备，HID 设备具有使用方便.响应迅速.研发成本低廉等优点，其应用领域十分广泛.当前HID 设备正在向专用化方向快速发展 .

Wave Panel 是苹果公司研发的视频色彩编辑软件Color 支持一型专用的数据输入和显示HID 设备，该设备面板上设置有按键.解码器和二维跟踪球三种控制器，能够快捷.精确地对各类视频色彩参数进行设置，并将控制和状态信息同步显示在设备微型显示屏上，从而改变了传统“鼠标+键盘”的视频编辑软件控制方式.Wave Panel 没有提供Windows 环境下与应用程序通讯的功能，因此可基于Wave Panel 设计一个功能完备.通用性强的通讯接口，并加以验证.这对企业和科研机构根据实际需求灵活地配备和控制专用HID 设备有很大帮助.

1 Wave Panel 的性能特征

HID 设备除满足USB 标准外，还具备一些与人机交互密切相关的特点，主要包括：

1)通常使用控制方式或中断方式通讯.两种传输方式的区别在于控制方式适用于对延迟没有特别限制的数据，而中断方式适用于低延迟.周期性的数据 .Wave Panel 的数据传输方式为中断方式.

2)单次传输的数据量小，且这些数据以状态变化信息或控制信息为主.其中低速HID 设备单次传输数据最大为8 字节，全速设备为64 字节，高速设备为1024 字节.主机与HID 设备交换的数据存储在报表(Report)结构内 .

Wave Panel 的输入报表长度为27 字节，其中0 字节用于记录报表ID,1 ~ 6 字节的前41 比特分别记录41 个按键的按下或抬起状态，另有7 比特未用，置为0;7 ~19 字节分别记录13 个解码器的状态;20 ~25 字节每2 字节分别记录一个二维跟踪球X 轴和Y 轴的状态;26 字节留作固件升级使用.Wave Panel 的输出报表长度为41 字节，其中0 ~ 5 字节为控制命令，6 ~ 40字节为显示信息的字符.

3)使用轮询方式检测设备状态变化情况.HID 设备可能在任何时刻向主机发送数据，例如鼠标发生移动或键盘有按键按下.所以HID 设备会在一个固定的时间间隔内轮询各控制口一次，当发现设备状态有变化时生成输入报表发送给主机 .但轮询的间隔时间要由用户对HID 设备的操作速度决定.如果间隔时间过小，则用户来不及在两次轮询间隔内完成一次操作;反之，又会使HID 设备的响应速度无法与用户的操作速度匹配，造成延迟 .

Wave Panel 规定，每40 毫秒对所有控制器端口轮询一次，若其中任何一个控制器的状态在两次轮询间隔内发生改变，就会在下次轮询前生成输入报表发送给主机.40 毫秒是基于视频每帧显示时间而确定的.

2 HID 设备的通讯过程

HID 设备是Windows 操作系统最早支持的USB设备.在Windows 98 及以后的各版本中都已内置了HID 设备的驱动程序，主机与HID 设备通讯时无须再编写专门的驱动程序.这就简化了HID 设备与主机应用程序通讯接口的设计和研发.

通过分析，可以将HID 设备与主机应用程序的通讯划分为设备识别和打开.读报表.写报表和设备关闭四个模块.

2. 1 Wave Panel 的识别和打开

HID 设备连接到主机后，以厂商ID(VID).产品ID(PID)和产品版本号(PVN)三项属性值的组合作为设备唯一标识.Wave Panel 的三项属性值可以从产品说明书直接获取.由于一台主机可能同时连接有多台HID 设备，所以在通讯前应用程序必须要识别并打开Wave Panel,这一过程需要调用多个Windows API函数实现.基本方法是首先获取当前与主机连接的所有HID 设备信息的集合，然后逐一枚举集合中的各设备，并比较VID.PID 和PVN 值.当三项属性值都与Wave Panel 相等时表示已经找到，调用CreateFile()将该Wave Panel 打开，并保存Wave Panel 设备句柄.该模块的流程如图1 所示.

流程中调用的Windows API 函数和结构体变量类型分别在hidpi. h.hidsdi. h.hidusage. h.setupapi. h 和hid. lib.setupapi. lib 几个文件中定义并实现 .主要包括：

1)HidD_GetHidGuid( )：获取HID 设备的GUID值，并保存在一个GUID 结构体变量中;

2)SetupDiGetClassDevs()：根据HID 设备的GUID值获取HID 设备信息的集合，并保存在一个HDEVINFO结构体类型的变量中;

3)SetupDiEnumDeviceInterfaces()：在设备信息集合中依次获取编号为i(i = 0,1,…) 的设备接口信息，保存在一个SP_DEVICE_INTERFACE_DATA 结构体类型变量中;

4)SetupDiGetDeviceInterfaceDetail()：当获取设备接口信息成功时进一步获取该设备的详细信息，并保存设备路径;

5)HidD_GetAttributes()：获取设备属性值并保存在一个HIDD_ATTRIBUTES 结构体类型变量中.VID.PID 和PVN 值即为该结构体变量的三项成员;

6)SetupDiDestroyDeviceInfoList( )：销毁设备信息集合.

2. 2 读报表

读报表是指HID 设备向主机输入数据.当WavePanel 面板上任意控制器状态发生变化时，都会在下一次轮询时将这些数据生成输入报表，并发送给主机.

主机上的应用程序接收输入报表并对数据进行解析，然后做出相应的处理.

由于Wave Panel 可能在任何时候与主机以中断方式进行通讯，因此应用程序需要维护一个异步调用的读报表线程.该线程在Wave Panel 没有向主机输入数据时阻塞，以减轻系统负载.当有数据输入时，线程恢复运行，调用ReadFile()将输入数据保存在缓冲区中，并对数据进行解析.这之后线程将再次被阻塞，直到有新的输入数据到来.应用程序在Wave Panel成功打开后就创建读报表线程，应用程序运行结束前该线程将一直存在.读报表流程如图2 所示.