0 引 言

HID(Human Interface Device,人機接口設備)是一類低速USB 設備，典型的HID 設備有鍵盤.鼠標.游戲桿等.相對于U 盤.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，其應用領域十分廣泛.當前HID 設備正在向專用化方向快速發(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.精確地對各類視頻色彩參數進行設置，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”的視頻編輯軟件控制方式.Wave Panel 沒有提供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)和科研機構根據實際需求靈活地配備和控制專用HID 設備有很大幫助.

1 Wave Panel 的性能特征

HID 設備除滿足USB 標準外，還具備一些與人機交互密切相關的特點，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(jié)，全速設備為64 字節(jié)，高速設備為1024 字節(jié).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備狀態(tài)變化情況.HID 設備可能在任何時刻向主機發(fā)送數據，例如鼠標發(fā)生移動或鍵盤有按鍵按下.所以HID 設備會在一個固定的時間間隔內輪詢各控制口一次，當發(fā)現設備狀態(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完成一次操作;反之，又會使HID 設備的響應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 設備的通訊過程

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 設備的驅動程序，主機與HID 設備通訊時無須再編寫專門的驅動程序.這就簡化了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.讀報表.寫報表和設備關閉四個模塊.

2. 1 Wave Panel 的識別和打開

HID 設備連接到主機后，以廠商ID(VID).產品ID(PID)和產品版本號(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 設備，所以在通訊前應用程序必須要識別并打開Wave Panel,這一過程需要調用多個Windows API函數實現.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 相等時表示已經找到，調用CreateFile()將該Wave Panel 打開，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 .主要包括：

1)HidD_GetHidGuid( )：獲取HID 設備的GUID值，并保存在一個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HDEVINFO結構體類型的變量中;

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SP_DEVICE_INTERFACE_DATA 結構體類型變量中;

4)SetupDiGetDeviceInterfaceDetail()：當獲取設備接口信息成功時進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HIDD_ATTRIBUTES 結構體類型變量中.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，都會在下一次輪詢時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行解析，然后做出相應的處理.

由于Wave Panel 可能在任何時候與主機以中斷方式進行通訊，因此應用程序需要維護一個異步調用的讀報表線程.該線程在Wave Panel 沒有向主機輸入數據時阻塞，以減輕系統負載.當有數據輸入時，線程恢復運行，調用ReadFile()將輸入數據保存在緩沖區(qū)中，并對數據進行解析.這之后線程將再次被阻塞，直到有新的輸入數據到來.應用程序在Wave Panel成功打開后就創(chuàng)建讀報表線程，應用程序運行結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 設備輸出數據.寫報表對延遲的要求較高，但這一功能不是必需的，根據HID 設備的實際用途而定 .鼠標.鍵盤.游戲桿等較簡單的設備只向主機發(fā)送數據，這些數據通常是一些控制信息和狀態(tài)信息 ,例如改變HID 設備液晶屏上的顯示信息.控制設備上發(fā)光元件的亮滅等.

應用程序的寫報表線程流程與讀報表線程類似，首先將要輸出的數據按Wave Panel 規(guī)定的數據格式進行封裝，復制到一個緩沖區(qū)內，再調用WriteFile()將緩沖區(qū)數據輸出到Wave Panel 即可，這些信息主要是與視頻幀狀態(tài)變化相關的信息.

2. 4 設備關閉

設備關閉模塊功能比較簡單.當主機與WavePanel 的通訊結束時，調用CloseHandle( ) 將打開的Wave Panel 關閉即可.

3 Wave Panel 通訊接口的設計

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

其中，成員函數OpenDevice()和CloseDevice()分別用于識別.打開和關閉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( ) 在調用ReadFile( ) 時要使用一個OVERLAPPED 結構變量，該變量含有一個I/ O 完成后觸發(fā)事件的句柄.當HID 設備沒有向主機輸入數據時，事件處于無信號狀態(tài)，線程被阻塞;當有數據輸入時，事件被觸發(fā)，線程恢復運行，接收并將數據保存在讀報表緩沖區(qū)，供數據解析函數使用.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 設備.只需要重新設置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 是主機應用程序調用CHidComm 接口實現與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,在這種情況下應將讀報表緩沖區(qū)ReadBuffer 的第0 字節(jié)設置為0×00,否則讀報表線程將無法接收到輸入報表.

4 結束語

Wave Panel 是一類較復雜的視頻編輯HID 設備，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 設備通訊進行研究，能夠解決許多UNIX.Linux.Mac 等操作系統支持的專用HID 設備無法在Windows 環(huán)境下使用的問題.較之現有的一些解決方案，設計的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.