專用型低速USB設(shè)備通訊模塊的研究

崔陽

（中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)部，北京100048）

專用型低速USB設(shè)備通訊模塊的研究

崔陽

（中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)部，北京100048）

目前大量專用型低速USB設(shè)備僅能在特定操作系統(tǒng)或軟件環(huán)境中識(shí)別和使用，給實(shí)際工作帶來很大限制。首先簡(jiǎn)單分析低速USB設(shè)備的性能特點(diǎn)及通訊原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一個(gè)低速USB設(shè)備通訊模塊，并在Tangent Devices的Wave控制臺(tái)上進(jìn)行編程實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明模塊能夠較好地實(shí)現(xiàn)專用型低速USB設(shè)備在不同操作系統(tǒng)和軟件環(huán)境下的雙向通訊。

低速USB設(shè)備；輸入輸出報(bào)表；中斷；Windows API

0　引言

低速USB設(shè)備近年來得到了廣泛應(yīng)用，這類設(shè)備主要指游戲手柄、USB鍵盤、鼠標(biāo)等單次數(shù)據(jù)傳輸量在8～1024字節(jié)之間的USB設(shè)備，又稱HID（人機(jī)接口設(shè)備）［1］。

專用化是低速USB設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)之一。當(dāng)前很多應(yīng)用軟件系統(tǒng)為增強(qiáng)用戶體驗(yàn)、提高操作速度都配備有專用低速USB設(shè)備。然而多數(shù)專用型USB設(shè)備因設(shè)計(jì)等原因，通常只針對(duì)并僅能局限在某一特定軟件環(huán)境下使用，更無法實(shí)現(xiàn)跨操作系統(tǒng)平臺(tái)移植，這就給實(shí)際工作造成了許多不便。因此，通過對(duì)專用型低速USB設(shè)備的通訊特點(diǎn)和機(jī)制進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)出一個(gè)功能完備、通用性強(qiáng)、效率較高的通訊模塊就非常有必要。

1　低速USB設(shè)備的主要特點(diǎn)

低速USB設(shè)備的特點(diǎn)主要有以下幾方面：

（1）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)多為狀態(tài)或控制信息，這些信息都保存在輸入輸出報(bào)表（I/O Report）結(jié)構(gòu)體內(nèi)。低速USB設(shè)備通過報(bào)表與主機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互［2］。

（2）以輪詢形式檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)變化情況。低速USB設(shè)備會(huì)在一個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)輪詢各控制口一次，檢測(cè)用戶通過設(shè)備向主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并以報(bào)表形式發(fā)送。

（3）通訊方式通常為控制和中斷兩種。區(qū)別在于前者對(duì)延遲性沒有特別要求，而后者對(duì)延遲容忍度低，且數(shù)據(jù)多具有周期性特征［3］。

2　USB設(shè)備的通信機(jī)制

2.1設(shè)備識(shí)別和打開

VID、PID和PVN三個(gè)屬性值是低速USB設(shè)備在計(jì)算機(jī)內(nèi)的唯一標(biāo)識(shí)［4］，在設(shè)備說明書中可查。軟件系統(tǒng)在通訊前的第一步工作就是識(shí)別出特定的USB設(shè)備。方法是首先獲取并逐一枚舉當(dāng)前主機(jī)中連接的各USB設(shè)備信息，并提取三個(gè)屬性值與特定的USB設(shè)備進(jìn)行比較，當(dāng)符合時(shí)表示設(shè)備找到。這時(shí)再將設(shè)備打開，并向軟件系統(tǒng)傳回設(shè)備的句柄。

2.2數(shù)據(jù)輸入和輸出

低速USB設(shè)備和主機(jī)軟件系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互通過輸入輸出報(bào)表實(shí)現(xiàn)。每當(dāng)設(shè)備上任意控制器狀態(tài)發(fā)生變化，都將在下一次輪詢時(shí)根據(jù)這些變化的數(shù)據(jù)值生成一個(gè)輸入報(bào)表發(fā)送給主機(jī)。軟件系統(tǒng)接收輸入報(bào)表后首先檢查報(bào)表ID值，然后按照?qǐng)?bào)表結(jié)構(gòu)體的定義格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并做相應(yīng)處理。有些專用型低速USB設(shè)備的輸入報(bào)表沒有定義報(bào)表ID值，這種情況下應(yīng)將接收到的輸入報(bào)表的ID值直接設(shè)置為0x00，否則輸入報(bào)表線程無法解析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)輸入過程中一個(gè)要特別注意的問題是：由于低速USB設(shè)備與主機(jī)的通訊時(shí)間不固定，在軟件系統(tǒng)運(yùn)行期間負(fù)責(zé)讀取輸入報(bào)表的線程必須要以異步方式調(diào)用。這樣該線程在設(shè)備沒有向主機(jī)輸入數(shù)據(jù)時(shí)將阻塞；當(dāng)有輸入報(bào)表到來時(shí)線程再恢復(fù)運(yùn)行，將輸入報(bào)表中的數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中。之后線程將再次被阻塞，直到有新的輸入報(bào)表到來，從而有效減輕主機(jī)負(fù)載。設(shè)備成功打開后該線程就被創(chuàng)建，并隨軟件系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束而銷毀。流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)輸出是通過輸出報(bào)表實(shí)現(xiàn)的，但并非所有的USB設(shè)備都必備這一功能。主機(jī)軟件系統(tǒng)可能會(huì)向?qū)Ｓ眯偷退賃SB設(shè)備輸出一些控制或狀態(tài)數(shù)據(jù)用來對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控［5］，例如設(shè)備液晶屏上的顯示信息等。這些數(shù)據(jù)必須同步顯示，因此要求低延遲［6］。讀取輸出報(bào)表的線程首先將要輸出的數(shù)據(jù)按設(shè)備規(guī)定的報(bào)表結(jié)構(gòu)格式進(jìn)行封裝并復(fù)制到一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，再將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)輸出到設(shè)備。這一過程同樣需要考慮主機(jī)的負(fù)載情況。

2.3設(shè)備關(guān)閉

當(dāng)軟件系統(tǒng)與低速USB設(shè)備的通訊結(jié)束時(shí)，將設(shè)備直接關(guān)閉即可。如果軟件系統(tǒng)沒有及時(shí)關(guān)閉設(shè)備，可能會(huì)在下次打開設(shè)備時(shí)遇到報(bào)錯(cuò)。

3　通訊模塊設(shè)計(jì)

以上述通訊原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)名為CUSBComModule的通訊模塊，其總體結(jié)構(gòu)為：

其中，成員函數(shù)OpenUSBDevice（）和CloseUSBDevice（）分別用于識(shí)別、打開和關(guān)閉設(shè)備。ReadReport-TableThread（）用于創(chuàng)建輸入報(bào)表線程。該線程中含有一個(gè)I/O完成后觸發(fā)事件的句柄。當(dāng)設(shè)備沒有向主機(jī)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，事件處于無信號(hào)狀態(tài)，線程被阻塞；當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)事件被觸發(fā)線程恢復(fù)運(yùn)行，將數(shù)據(jù)保存在輸入報(bào)表緩沖區(qū)。WriteReportTableThread（）與Read-ReportTableThread（）類似，用于創(chuàng)建輸出報(bào)表線程。

成員變量VID、PID和PVN用于保存三項(xiàng)屬性值，由用戶輸入。ReadBuffer和WriteBuffer分別是輸入報(bào)表緩沖區(qū)和輸出報(bào)表緩沖區(qū)。緩沖區(qū)大小由設(shè)備的輸入報(bào)表和輸出報(bào)表長(zhǎng)度決定。該模塊的特點(diǎn)在于：實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)不同的低速USB設(shè)備，設(shè)置其對(duì)應(yīng)的VID、PID和PVN值以及ReadReportBuffer和WriteReportBuffer緩沖區(qū)的大小；而設(shè)備的識(shí)別、打開、輸入/輸出數(shù)據(jù)等功能都無需修改。這樣就保證了模塊具有較強(qiáng)的通用性。

4　實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Windows 8操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺(tái)為Visual Studio 2012，選用的低速USB設(shè)備為Tangent Devices的Wave Console。Tangent Wave Console是一類較復(fù)雜的專用型USB設(shè)備，設(shè)有41個(gè)按鍵、13個(gè)旋鈕和3個(gè)二維滾動(dòng)跟蹤球三類控制器，另有3個(gè)微型液晶屏。Tangent Wave Console輸入報(bào)表長(zhǎng)度是27字節(jié)，各字節(jié)的分配是0字節(jié)記錄報(bào)表ID，1-6字節(jié)前41比特記錄各按鍵的狀態(tài)，另有7比特未用，7-19字節(jié)記錄各旋鈕的狀態(tài)；20-25字節(jié)分別記錄三個(gè)二維滾動(dòng)跟蹤球X軸和Y軸的狀態(tài)；26字節(jié)留作固件升級(jí)。輸出報(bào)表長(zhǎng)度是41字節(jié)，各字節(jié)的分配是0-5字節(jié)為輸出控制信息，6-40字節(jié)為液晶屏顯示信息。Tangent Wave Console的數(shù)據(jù)傳輸方式為中斷方式，輪詢間隔時(shí)間為40ms。

在Windows環(huán)境下，通訊模塊的OpenUSBDevice（）和CloseUSBDevice（）功能可以通過調(diào)用相關(guān)API函數(shù)實(shí)現(xiàn)。為保證模塊在不同操作系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)下的通用性，將模塊以COM接口形式實(shí)現(xiàn)。這樣當(dāng)某一軟件系統(tǒng)需要接入某一專用型低速USB設(shè)備時(shí)，只須在系統(tǒng)中調(diào)用這一接口即可。

圖1　Tangent Wave Console與主機(jī)的通訊

圖1給出的是模擬主機(jī)軟件系統(tǒng)調(diào)用CUSBCom-Module實(shí)現(xiàn)與Tangent Wave Console雙向通訊的運(yùn)行界面。從圖中可以看到，當(dāng)用戶在界面中輸入設(shè)備三項(xiàng)屬性值并點(diǎn)擊“打開設(shè)備”后，軟件系統(tǒng)將根據(jù)屬性值完成對(duì)Tangent Wave Console的識(shí)別和打開工作。之后就可以對(duì)輸入、輸出報(bào)表的值進(jìn)行讀取和解析，并可以在液晶屏上將本次輪詢內(nèi)狀態(tài)發(fā)生變動(dòng)的控制器信息同步顯示出來。當(dāng)軟件系統(tǒng)對(duì)各個(gè)控制器定義對(duì)應(yīng)的消息響應(yīng)函數(shù)后，即可操縱Tangent Wave Console完成實(shí)際工作。

5　結(jié)語

提高專用型低速USB設(shè)備的通用性對(duì)科研和實(shí)際工作具有較大應(yīng)用價(jià)值。通過Tangent Wave Console控制臺(tái)上進(jìn)行的編程實(shí)驗(yàn)表明CUSBComModule模塊具有較強(qiáng)的通用性，且基本不對(duì)軟件系統(tǒng)的運(yùn)行效率造成影響。今后的工作主要是進(jìn)一步擴(kuò)展該接口的各項(xiàng)功能。

［1］Device Class Definition for Human Interface［EB/OL］.http://www.usb.org/developers/devclass_docs/HID1_11.pdf，2001.

［2］楊晶菁，張浩.基于USB3.0的圖像采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（17）:40-43.

［3］湯重陽，趙志文，韓欽亭等.Windows環(huán)境下USB設(shè)備監(jiān)控技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34（S1）:60-63.

［4］索曉杰，翟正軍，姜紅梅.USB3.0協(xié)議分析與框架設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（8）:2233-2235.

［5］王繼剛，鄭維民，滕志猛，鐘衛(wèi)東.虛擬化環(huán)境下的USB設(shè)備訪問方法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，31（5）:1439-1442.

［6］楊強(qiáng)，王志斌，李曉，張敏娟.Linux中USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014.28（3）:224-229.

Low-Speed USB Device；I/O Reports；Interrupt；Windows API

Research on Communication Module of Special Low-Speed USB Devices

CUI Yang

（Department of Mathematics and Computer，China Institute of Industrial Relations，Beijing 100048）

Many special low-speed USB devices can only be identified and used in a specific operating system or software environment，which may cause some difficulties for practical work.Introduces the characteristics and communication mechanism of low-speed USB devices，based on it，designs a module for low-speed USB devices，and programs on Tangent Wave Console.Results show that the module can better achieve the two-way communication function of special low-speed USB devices in different operating systems and software environments. Keywords：

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（No.12zy019）

1007-1423（2016）25-0063-03DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.25.014

崔陽（1979-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)橹R(shí)工程與知識(shí)發(fā)現(xiàn)

2016-05-10

2016-08-25