基于WinUSB與SHT75的溫濕度數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計仿真

彭 偉

PENG Wei

(武漢城市職業(yè)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，武漢 430064)

0 引言

每年有超過20億的新安裝器件，可連接多種類型的設(shè)備，能夠自動進(jìn)行配置，連接簡單且支持熱插撥，多數(shù)時候不需要提供獨(dú)立的電源，具有高傳輸速率，高可靠性等，上述諸多優(yōu)點(diǎn)使USB成為了最成功的PC機(jī)接口。微軟為大量USB類設(shè)備提供類驅(qū)動程序，且一直在改進(jìn)和增加類驅(qū)動程序的數(shù)量，對于USB設(shè)備獨(dú)立硬件供應(yīng)商(IHV)，Windows驅(qū)動程序基礎(chǔ)(Windows Driver Foundation，WDF)已成為USB驅(qū)動程序開發(fā)的首選模型，它提供3個選項(xiàng)來訪問USB設(shè)備：1）使用UMDF實(shí)現(xiàn)用戶模式驅(qū)動程序；2）使用KMDF實(shí)現(xiàn)內(nèi)核模式驅(qū)動程序；3）將Winusb.sys作為設(shè)備功能驅(qū)動程序安裝，并提供WinUSB API供應(yīng)用程序訪問設(shè)備。本文將基于WinUSB通用驅(qū)動程序及Microchip公司USB接口系統(tǒng)固件框架，以PIC微控制器與SHT75傳感器為核心，上位機(jī)選用C#開發(fā)平臺，開發(fā)實(shí)現(xiàn)基于WinUSB的溫濕度數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)并進(jìn)行仿真。

1 WinUSB通用驅(qū)動程序框架

Windows驅(qū)動程序包括總線驅(qū)動程序（bus driver）、功能驅(qū)動程序（function driver）、過濾驅(qū)動程序（filter driver），圖1給出了Windows USB驅(qū)動程序堆棧體系結(jié)構(gòu)框圖，圖中出現(xiàn)了微軟推出的USB設(shè)備通用驅(qū)動程序WinUSB，它基于Windows Driver Frameworks (WDF)開發(fā)，由內(nèi)核模式驅(qū)動程序(Winusb.sys)與用戶模式DLL(winusb.dll)共兩個基本組件構(gòu)成。WinUSB(Winusb.sys)可作為單一USB設(shè)備或復(fù)合設(shè)備功能驅(qū)動程序安裝在設(shè)備內(nèi)核模式堆棧中。用戶程序通過調(diào)用WinUSB用戶模式動態(tài)鏈接庫winusb.dll公開的函數(shù)與USB設(shè)備通信。圖1展示了包含3個Winusb.sys實(shí)例的USB驅(qū)動程序堆棧，實(shí)例1注冊設(shè)備接口A，支持用戶模式驅(qū)動程序(Usboem.dll)，實(shí)例2注冊設(shè)備接口B，支持通過系統(tǒng)服務(wù)(SVCHOST)與winusb.dll進(jìn)行通信的掃描儀用戶模式程序(Usbscan.exe)，實(shí)例3注冊設(shè)備接口C，支持固件升級程序(Usbfw.exe)。實(shí)例2、3基于USB通用父驅(qū)動程序usbccgp.sys，為復(fù)合設(shè)備提供服務(wù)。所有用戶程序均通過加載winusb.dll，調(diào)用DLL所提供的函數(shù)與USB驅(qū)動程序棧通訊。

通過WinUSB驅(qū)動程序與設(shè)備通訊，用戶程序不需要構(gòu)造設(shè)備I/O控制請求來執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的USB操作（如配置設(shè)備、發(fā)送控制請求以及與設(shè)備互傳數(shù)據(jù)）等，用戶程序調(diào)用winusb.dll提供的函數(shù)時，winusb.dll將使用應(yīng)用程序提供的數(shù)據(jù)構(gòu)建適當(dāng)?shù)腎OCTL調(diào)用DeviceIoControl，將請求發(fā)送至Winusb.sys處理，請求完成時WinUSB將Winusb.sys返回的信息回傳到調(diào)用進(jìn)程，調(diào)用失敗或掛起時將返回零值，調(diào)用GetLastError可獲取詳細(xì)的錯誤消息。

圖1 Windows USB驅(qū)動程序堆棧體系結(jié)構(gòu)及含多個Winusb.sys實(shí)例的USB驅(qū)動程序堆棧

Winusb.sys還是UMDF功能驅(qū)動程序與關(guān)聯(lián)的設(shè)備之間鏈接的關(guān)鍵部分，Winusb.sys作為上層過濾驅(qū)動程序安裝在設(shè)備的內(nèi)核模式堆棧中，應(yīng)用程序通過與設(shè)備的UMDF用戶模式驅(qū)動程序通信來發(fā)送讀、寫或設(shè)備I/O控制請求，驅(qū)動程序則與框架交互，后者將請求傳遞到Winusb.sys，Winusb.sys處理該請求并將其傳遞到協(xié)議驅(qū)動程序，最后傳遞到設(shè)備，任何響應(yīng)均通過反向路徑返回。

2 WinUSB驅(qū)動包構(gòu)成及其INF文件解析

WinUSB作為設(shè)備功能驅(qū)動程序安裝時，其驅(qū)動程序包共有4項(xiàng)內(nèi)容：1）WinUSB輔助安裝程序（Co-installer）Winusbcoinstaller.dll；2）KMDF輔助安裝程序WdfcoinstallerXXX.dll；3）將Winusb.sys安裝為設(shè)備功能驅(qū)動程序的INF文件；4）簽名的數(shù)據(jù)包目錄文件(Signed Catalog File)。KMDF和WinUSB輔助安裝程序須從同一版本的WDK獲取，WDF輔助安裝程序文件須從最新版本的WDK安裝目錄獲取，以便該驅(qū)動程序支持所有最新的Windows版本。

WinUSB驅(qū)動包中的INF文件將Winusb.sys安裝為設(shè)備的功能驅(qū)動程序，為操作系統(tǒng)匹配驅(qū)動程序與設(shè)備提供重要信息。INF文件中與上、下位機(jī)USB接口軟件開發(fā)關(guān)系最為密切的信息包括：1）USB固件內(nèi)設(shè)備描述符定義的VID/PID。例如本文INF文件中[Manufacturer]區(qū)有：%USBMyDevice.DeviceDesc% = USB_Install,USBVID_00AA&PID_00BB，它將設(shè)備VID/PID設(shè)為0x00AA/00BB。2）設(shè)備接口類（Device Interface Class）GUID。上位機(jī)用戶程序使用該GUID枚舉WinUSB設(shè)備接口，新項(xiàng)目中的GUID可由guidgen.exe生成，INF文件[USB_Install.HW]區(qū)通過AddReg指示符在注冊表中的DeviceInterfaceGUIDs鍵下存儲一個或多個設(shè)備接口類GUID，例如本文所編寫的INF文件中有:HKR,,DeviceInterfaceGUIDs,0x10000,"{B6B014A8-8CDE-4112-9474-F15486E401BE}"。Winusb.sys每次加載時都會根據(jù)注冊表中的DeviceInterfaceGUIDs項(xiàng)指定的設(shè)備接口類注冊一個設(shè)備接口實(shí)例。INF文件[Version]區(qū)還有一個ClassGUID條目，例如本文中該條目定義為：ClassGUID={36FC9E60-C465-11CF-8056-444553540000}，它是設(shè)備安裝類（Device Setup Class）GUID，INF文件的ClassInstall32指示符將在注冊表中創(chuàng)建：…CurrentControlSetControlClass{36FC9E60-C465-11CF-8056-444553540000}，并導(dǎo)入INF文件內(nèi)的相關(guān)子鍵值，用于標(biāo)識該設(shè)備類安裝程序。

Winusb.sys安裝為內(nèi)核功能驅(qū)動程序時使用[DDInstall.Services]的AddService=WinUSB,…實(shí)現(xiàn)，ServiceType設(shè)為SERVICE_KERNEL_DRIVER,ServiceBinary設(shè)為Winusb.sys。安裝為設(shè)備上層過濾驅(qū)動程時，需通過[DDInstall.HW]的AddReg指示符在注冊表中創(chuàng)建上層過濾驅(qū)動條目“UpperFilters”。

Windows 8之前的操作系統(tǒng)將Winusb.sys作為功能驅(qū)動程序加載時需提供定制的INF文件，該文件指定了設(shè)備特定的硬件ID，同時包括內(nèi)置Winusb.inf的部分，這些部分是實(shí)例化服務(wù)、復(fù)制內(nèi)置二進(jìn)制文件以及注冊設(shè)備接口GUID所必需的。

3 基于C#與WinUSB的上位機(jī)接口程序設(shè)計

為探測下位機(jī)USB設(shè)備是否接入主機(jī)，可調(diào)用RegisterDeviceNotification注冊設(shè)備通知消息，在設(shè)備移除或接入時通知窗體WndProc進(jìn)程，該進(jìn)程檢測到有設(shè)備接入主機(jī)時進(jìn)一步獲取“設(shè)備路徑”。

Winusb.sys被加載時，它根據(jù)注冊表中DeviceInterfaceGUIDs鍵下該設(shè)備接口類注冊一個設(shè)備接口。用戶模式程序調(diào)用SetupDiGetClassDevs可枚舉該設(shè)備接口類設(shè)備并返回該類的“設(shè)備信息集”句柄，循環(huán)調(diào)用SetupDiEnumDeviceInterfaces可逐一枚舉設(shè)備信息集中的設(shè)備接口，提取索引指定的設(shè)備接口詳細(xì)信息時可調(diào)用SetupDiGetDeviceInterfaceDetail，所獲取的信息通過SP_DEVICE_INTERFACE_DETAIL_DATA結(jié)構(gòu)返回。由于該結(jié)構(gòu)大小無法提前獲取，故需連續(xù)兩次調(diào)用該函數(shù)，第二次調(diào)用時接口詳細(xì)信息將填充到根據(jù)第一次調(diào)用返回值所確定大小的該緩沖區(qū)，通過緩沖內(nèi)該結(jié)構(gòu)的DevicePath成員中可獲得“設(shè)備路徑”。本文有：DevicePath="\\?\usb#vid_00aa&pid_0 0bb#2&2260b228&0&e1#{b6b014a8-8cde-4112-9474-f15486e401be}”。當(dāng)檢測到設(shè)備路徑中含有“Vid_00AA&Pid_00BB”時即表示搜索成功，否則繼續(xù)枚舉下一接口。

Windows API提供的CreateFile函數(shù)可創(chuàng)建、打開文件、目錄、物理盤、卷、COM端口、設(shè)備（包括USB設(shè)備）、服務(wù)、通訊資源、命名管道或控制臺等，返回用于訪問相應(yīng)對象的句柄。CreateFile的第一個參數(shù)lpFileName是將要創(chuàng)建或打開的對象名稱，Unicode允許該參數(shù)最多為32000個字符，該類型長字符串所使用的前綴標(biāo)識為“\?”，C語言表示的DevicePath中長串標(biāo)識符“\\?\”后面分別是USB設(shè)備實(shí)例“USBVid_00AA&Pid_00BB2&2260b228&0&E1”和設(shè)備接口GUID。將設(shè)備路徑DevicePath賦給CreateFile函數(shù)的lpFileName參數(shù)即可獲取設(shè)備句柄，所獲取的設(shè)備句柄傳給WinUSB函數(shù)WinUsb_Initialize，可獲取WinUSB句柄。有了WinUSB句柄，即可進(jìn)一步調(diào)用Winusb.dll提供的其他大量WinUSB API實(shí)現(xiàn)對USB設(shè)備的訪問。

C#中調(diào)用WinUSB函數(shù)，需要通過DllImport引入DLL文件并聲明函數(shù)，例如：

[DllImport("winusb.dll",SetLastError = true)]

internal static extern Boolean WinUsb_Initialize(…);

所設(shè)計的系統(tǒng)中，讀傳感器溫濕度數(shù)據(jù)及控制繼電器開關(guān)的自定義命令字節(jié)分別為0x81、0x82，向USB設(shè)備發(fā)送命令字節(jié)的函數(shù)為WinUsb_WritePipe（寫管道），該函數(shù)前兩個參數(shù)分別為WinUSB接口句柄InterfaceHandle和管道號PipeID，其中PipeID由1個方向位+7個地址位構(gòu)成，對應(yīng)于下位機(jī)USB固件中端點(diǎn)描述符內(nèi)的bEndpointAddress字段，寫管道函數(shù)的其他參數(shù)分別為：數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針、緩沖區(qū)大小、實(shí)際傳輸字節(jié)數(shù)及可選的Overlapped參數(shù)。本文將Overlapped設(shè)為IntPtr.Zero，使寫管道函數(shù)向PipeID(0x01)管道完成一字節(jié)控制命令輸出并返回后，才開始讀取USB設(shè)備返回的傳感器數(shù)據(jù)，調(diào)用WinUSB讀管道數(shù)據(jù)函數(shù)WinUsb_ReadPipe“同步讀取”USB設(shè)備返回的溫濕度數(shù)據(jù)時，上位機(jī)用戶程序可能因USB接口斷開、返回數(shù)據(jù)量大等原因?qū)е鲁绦虮蛔枞?。為避免這一問題，可使用Delegate代理實(shí)現(xiàn)對USB設(shè)備所返回數(shù)據(jù)的“異步讀取”，定義的代理對應(yīng)于讀管道函數(shù)WinUsb_ReadPipe，調(diào)用BeginInvoke方法時除了給出讀管道函數(shù)所需要必須的參數(shù)以外，另附加的兩個參數(shù)為：1)new AsyncCallback(GetBulkDat);2)ReadDelegate。前者指明代理調(diào)用WinUsb_ReadPipe返回時的異步回調(diào)函數(shù)為GetBulkDat，后者為當(dāng)前代理對象實(shí)例，當(dāng)GetBulkDat被回調(diào)時，ReadDelegate作為IAsyncResult類型的參數(shù)傳給該回調(diào)函數(shù)，AsyncState屬性獲得代理對象，并執(zhí)行EndInvoke等待BeginInvoke調(diào)用的方法結(jié)束。如果IsCompleted屬性值為真則表示從USB設(shè)備通過批量(Bulk)傳輸讀取的數(shù)據(jù)已裝填到指定緩沖。

瑞士SENSIRION傳感器公司推出的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT75實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換功能。為方便用戶開發(fā)應(yīng)用溫濕度傳感器SHT75，SENSIRION提供了SHT75的8051 C程序范例，可以非常方便的移植為PIC微控制器C程序，PIC從傳感器讀取4字節(jié)數(shù)據(jù)后，根據(jù)函數(shù)：Calc_STH75與Calc_Dew_point可分別計算溫濕度及露點(diǎn)值。由于這兩個函數(shù)內(nèi)浮點(diǎn)計算量大，本文將它們移至上位機(jī)C#程序中，PIC微控制器則僅負(fù)責(zé)從傳感器讀取四字節(jié)溫濕度原始數(shù)據(jù)，通過USB接口直接傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)C#程序再通過這四字節(jié)原始數(shù)據(jù)調(diào)用上述兩個函數(shù)計算出相應(yīng)結(jié)果，這樣處理可提高傳輸速度并減輕下位機(jī)微控制器負(fù)荷。C#函數(shù)GetBulkDat通過緩沖中的四字節(jié)數(shù)據(jù)完成浮點(diǎn)計算后，仍然需要通過代理在主窗體中刷新顯示，因?yàn)樵摵瘮?shù)與主窗體不在同一線程運(yùn)行。

回調(diào)函數(shù)讀取數(shù)據(jù)管道結(jié)束并通過顯示代理完成窗體信息刷新顯示后，接著再次通過寫管道函數(shù)WinUsb_WritePipe發(fā)出讀取SHT75傳感器數(shù)據(jù)的命令字節(jié)0x81，實(shí)現(xiàn)對溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時連續(xù)采集。繼電器控制與之類似，唯一差別是刷新顯示下位機(jī)返回的繼電器狀態(tài)后并不繼續(xù)調(diào)用WinUsb_WritePipe發(fā)出控制繼電器的命令字節(jié)0x82，而是等待上位機(jī)用戶的下一個操作。

4 下位機(jī)Microchip USB協(xié)議棧及用戶I/O設(shè)計

為便于工程技術(shù)人員開發(fā)應(yīng)用PIC USB微控制器，Microchip公司提供了PIC微控制器USB協(xié)議棧固件框架，可處理大量USB通訊任務(wù)，所提供的面向不同客戶群的演示項(xiàng)目均采用協(xié)作式多任務(wù)環(huán)境（禁止出現(xiàn)阻塞），內(nèi)置USB模塊的PIC18F4550微控制器具有獨(dú)立的中斷邏輯結(jié)構(gòu)，協(xié)議?？蚣芎诵奈募sb_device.c提供主狀態(tài)機(jī)函數(shù)USBDeviceTasks，對USB中斷進(jìn)行檢測并進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。

固件框架同時提供了處理用戶I/O操作的演示函數(shù)ProcessIO，由固件程序內(nèi)的主函數(shù)調(diào)用。本文程序設(shè)計的ProcessIO函數(shù)負(fù)責(zé)讀取上位機(jī)命令，根據(jù)所接收到的上位機(jī)命令字節(jié)0x81與0x82分別實(shí)時回傳SHT75傳感器溫濕度數(shù)據(jù)（4字節(jié)）及控制繼電器開關(guān)并同時返回繼電器狀態(tài)。

固件框架中的描述符文件usb_descriptors.c給出了VID/PID定義，描述符中設(shè)置設(shè)備類編碼為0x0000（bDeviceClass/bDeviceSubClass），表示一個配置內(nèi)的每個接口均獨(dú)立指定了其自身的類信息及各種接口操作，接口類編碼0xFFFF(bInterfaceClass/bInterfaceSubClass)則表示接口類由廠商指定。端點(diǎn)描述符中的端點(diǎn)屬性(EndpointAttributes)全部設(shè)為_BULK（批量傳輸端點(diǎn)）。PIC固件程序分別定義的數(shù)據(jù)收/發(fā)緩沖為INPacket與OutPacket，與上位機(jī)C#程序定義的緩沖OUTBuffer與INBuffer對應(yīng)。在指定端點(diǎn)非忙時，固件可通過USBGenWrite、USBGenRead分別發(fā)送與接收數(shù)據(jù)包，二者最終均調(diào)用USBTransfer OnePacket(ep,dir,data,len)，該函數(shù)為協(xié)議棧提供的通用單包傳輸函數(shù)。

5 溫濕度數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)仿真運(yùn)行測試

Labcenter公司的實(shí)物電路仿真軟件Proteus具有對微控制器及其外圍電路組成的綜合應(yīng)用系統(tǒng)的交互仿真功能，仿真USB接口需要安裝虛擬USB驅(qū)動程序(Virtual USB Drivers)并添加USBCONN組件。圖2給出了以PIC18F4550微控制器及溫濕度傳感器SHT75為核心的USB接口應(yīng)用系統(tǒng)仿真電路。

圖2 USB接口溫濕度檢測與控制系統(tǒng)仿真測試電路

PROTEUS提供的USB虛擬分析器可跟蹤設(shè)備與上位機(jī)用戶軟件及驅(qū)動程序的所有交互信息，包括IRP請求(包括IOCTL與MJ_PNP)、USB事務(wù)(包括SETUP、IN、OUT)、USB寄存器(包括UCON、UIR、USTAT、BDnSTAT、BDnCNT、BDnADRL/H等)。測試運(yùn)行USB接口應(yīng)用系統(tǒng)時，借助USB虛擬分析器可觀察到主機(jī)給USB設(shè)備上電、主機(jī)復(fù)位設(shè)備(RESET)、USB總線驅(qū)動程序通過URB(USB請求包)請求USB設(shè)備描述符前8字節(jié)、主機(jī)再次復(fù)位設(shè)備(RESET)、USB總線驅(qū)動程序通過URB執(zhí)行控制傳輸，將USB默認(rèn)地址0x00重設(shè)為操作系統(tǒng)分配的地址，及USB總線驅(qū)動程序通過URB連續(xù)發(fā)送提取描述符請求，依次取得完整的設(shè)備描述符、配置描述符(包括接口描述符、端點(diǎn)描述符)、字符串描述符。PnP事件觸發(fā)即插即用管理器(PnP Manager)向WDM驅(qū)動程序發(fā)送主功能(Major Function)碼IRP_MJ_PNP，進(jìn)入相應(yīng)的派遣函數(shù)，查詢設(shè)備ID、執(zhí)行設(shè)備啟動等。

打開上位機(jī)C#軟件時將自動搜索WinUSB設(shè)備，成功搜索到USB設(shè)備后，每當(dāng)C#調(diào)用WinUSB的讀、寫管道函數(shù)與USB設(shè)備交換數(shù)據(jù)時，將分別訪問對應(yīng)的端點(diǎn)(EP1_IN或EP1_OUT)緩沖，運(yùn)行過程中均可通過USB虛擬分析器觀察到：IOCTL: BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFER，展開該層時可觀察到相應(yīng)的IN事務(wù)或OUT事務(wù)。

圖3 溫濕度數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)上位機(jī)C#程序

6 結(jié)束語

由于WinUSB的通用性與易用性，大量廠商開始基于WinUSB開發(fā)USB接口程序，盡管當(dāng)前版本的WinUSB驅(qū)動尚存在若干限制，例如一次僅允許一個應(yīng)用程序與設(shè)備通信且不支持在同步端點(diǎn)之間傳輸流數(shù)據(jù)。本文通過研究微軟WinUSB通用驅(qū)動程序框架及WinUSB驅(qū)動包構(gòu)成及其INF文件關(guān)鍵條目、Microchip USB接口系統(tǒng)固件框架，基于C#軟件開發(fā)平臺設(shè)計了以PIC18F455微控制器及SHT75傳感器為核心的溫濕度數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，通過了仿真運(yùn)行及實(shí)物測試，為基于WinUSB的接口系統(tǒng)開發(fā)提供了重要參考。為更快速的開發(fā)WinUSB的上位機(jī)用戶程序，基于微軟VS2012+WDK8.0的開發(fā)環(huán)境除了提供USB KMDF與UMDF驅(qū)動程序開發(fā)模板以外，還提供了基于WinUSB的應(yīng)用程序開發(fā)模板，通過該模板能夠自動生成通用代碼框架，包括自動生成INF文件。另外，微軟的Windows 8已經(jīng)不再要求為WinUSB提供定制的INF文件，這無疑將使得基于WinUSB的系統(tǒng)開發(fā)變得更加便捷高效。

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