基于HID的開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚汝浩 韋紅錄 黃冬梅

一、概述

廣播電視發(fā)射系統(tǒng)中信號(hào)源子系統(tǒng)設(shè)備繁多，有衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)、光纖信號(hào)解碼器、信號(hào)源切換器等重要設(shè)備。若這些設(shè)備發(fā)生故障，很可能致使廣播電視節(jié)目信號(hào)中斷，導(dǎo)致頻點(diǎn)靜音靜幀等現(xiàn)象，造成停播事故。臺(tái)站原有的電源復(fù)位器功能單一，自動(dòng)化程度低，通道數(shù)量少，很多設(shè)備電源接入到同一通道上。若某個(gè)設(shè)備故障需要復(fù)位重啟，對(duì)該設(shè)備接入的通道復(fù)位時(shí)，整個(gè)通道的設(shè)備都會(huì)被復(fù)位重啟，這樣就有可能導(dǎo)致其他設(shè)備工作異常，造成停播現(xiàn)象。因此，可以采用一個(gè)新的解決方案，即采用USB-HID控制信號(hào)源系統(tǒng)設(shè)備電源。USB-HID是基于USB通信的，與電源復(fù)位器通信方式不同，后者采用網(wǎng)絡(luò)通信，兩者互不影響，因此還可以串聯(lián)組合運(yùn)行。

USB-HID是Universal Serial Bus-Human Interface Device的縮寫(xiě)，HID設(shè)備通常是鼠標(biāo)、鍵盤、游戲手柄等，不過(guò)HID設(shè)備并不一定要有人機(jī)接口，只要符合HID類別規(guī)范的設(shè)備都是HID設(shè)備。HID通信相對(duì)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，所以比較適合用作控制設(shè)備。交換的數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)在稱為報(bào)表（report）的結(jié)構(gòu)內(nèi)，設(shè)備固件必須支持HID報(bào)表格式。相對(duì)其他USB設(shè)備，HID主要由控制傳輸和中斷傳輸來(lái)傳送與接收數(shù)據(jù)。報(bào)表的格式非常有彈性，可以處理任何類別的數(shù)據(jù)。HID類別設(shè)備的規(guī)范是Device Class Definition for Human Interface Devices①。另外還有一份文件 HID Usage Tables②，用來(lái)定義讓主機(jī)了解以及使用HID數(shù)據(jù)的數(shù)值。

二、HID底層通信

現(xiàn)有資源為一塊HID繼電器控制板，配套資料是一份DLL及其頭文件，沒(méi)有源碼，根據(jù)現(xiàn)有資源進(jìn)行反匯編學(xué)習(xí)HID通信原理。使用OllyDbg對(duì)該DLL進(jìn)行調(diào)試。圖1是OllyDbg調(diào)試界面，區(qū)域1是反匯編指令窗口，第一列是地址欄，第二列是機(jī)器碼，第三列是匯編代碼，第四列是注釋，匯編指令眾多但是常用的很少，這點(diǎn)服從二八定律，少量的指令完成大部分功能。區(qū)域2是CPU寄存器窗口，最重要的是前面9個(gè)寄存器，這9個(gè)寄存器保存著當(dāng)前程序段的運(yùn)行參數(shù)、結(jié)果等重要信息，各個(gè)寄存器的說(shuō)明詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)③。區(qū)域3是數(shù)據(jù)窗口，在這里查看內(nèi)存數(shù)據(jù)，常量數(shù)據(jù)一般都存放在此處，例如常用數(shù)值、字符串等。在區(qū)域1和2中，右鍵一個(gè)地址指針即可跟隨轉(zhuǎn)存到這里查看該地址的內(nèi)存數(shù)據(jù)。區(qū)域4是棧窗口，棧通常用于保存臨時(shí)變量，棧操作push是將目標(biāo)壓棧，pop將棧頂彈出到目標(biāo)。除了這兩個(gè)操作還有棧對(duì)齊，保證棧頂指針為某字節(jié)的整數(shù)倍；升棧，分配局部變量空間；降棧，刪除棧部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖1 OllyDbg調(diào)試界面

根據(jù)頭文件分析DLL的導(dǎo)出函數(shù)及其傳入?yún)?shù)類型和返回參數(shù)類型。調(diào)試過(guò)程中DLL所用到的Win32Api會(huì)被OllyDbg標(biāo)示出來(lái)，可以從注釋中看到是什么Api，而所用到的HIDDLL的Api沒(méi)有標(biāo)記，要手動(dòng)添加注釋信息。整個(gè)通信的建立過(guò)程都是基于Win32Api和HIDDLL的Api完成的。

經(jīng)過(guò)耐心的跟蹤調(diào)試得到如圖2的通信流程圖。其中SetupDiGetDeviceInterfaceDetailA函數(shù)連續(xù)調(diào)用兩次，第一次獲得required_size參數(shù)，第二次將required_size傳入獲得設(shè)備詳細(xì)信息。CreateFile函數(shù)也是連續(xù)調(diào)用兩次，第一次ShareMode參數(shù)為空，如果是鼠標(biāo)、鍵盤等獨(dú)占設(shè)備是不能通過(guò)CreateFile打開(kāi)的，將會(huì)在此返回失敗，相當(dāng)于在此過(guò)濾鼠標(biāo)、鍵盤等獨(dú)占設(shè)備；第二次ShareMode參數(shù)為3，函數(shù)成功返回HID設(shè)備句柄，設(shè)備句柄是與設(shè)備通信的唯一標(biāo)識(shí)。通信階段使用DeviceIoControl函數(shù)向HID設(shè)備發(fā)起查詢請(qǐng)求，獲得特征報(bào)告（Feature Report），該設(shè)備自定義的序列號(hào)就在特征報(bào)告里面，繼電器狀態(tài)也包含在特征報(bào)告里。HidD_SetFeature函數(shù)用于發(fā)送特征報(bào)告，設(shè)置繼電器狀態(tài)。

圖2 流程圖

三、固件

固件開(kāi)發(fā)過(guò)程需要用到Bus Hound。Bus Hound是一個(gè)USB通用的強(qiáng)大的調(diào)試工具，類似于網(wǎng)絡(luò)抓包工具，用于抓取電腦總線數(shù)據(jù)，還可以模擬發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)。圖3是Bus Hound調(diào)試界面。21.0表示21號(hào)設(shè)備端點(diǎn)0，CTL表示主機(jī)發(fā)送控制請(qǐng)求，請(qǐng)求內(nèi)容為其后的Data，GET DESCRIPTOR表示該請(qǐng)求為獲取描述符。IN表示設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)。圖中的數(shù)據(jù)是設(shè)備上電枚舉階段發(fā)生的數(shù)據(jù)交換。共四條GET DESCRIPTOR，第一條描述符為設(shè)備描述符，第二條獲取配置描述符長(zhǎng)度，第三條根據(jù)長(zhǎng)度再次請(qǐng)求配置描述符，第四條獲取報(bào)告描述符。設(shè)備描述符和配置描述符為USB通用，報(bào)告描述符為HID傳輸?shù)臄?shù)據(jù)用途（usage）上的說(shuō)明。至此，獲得了HID固件關(guān)鍵的三個(gè)描述符。報(bào)告描述符的用法和修改參照HID Usage Tables。官網(wǎng)還有報(bào)告描述符工具提供使用。

圖3 Bus Hound調(diào)試界面

MCU采用stm32f407vet6，從stc官網(wǎng)獲取HID固件庫(kù)④。使用固件庫(kù)參照HID協(xié)議進(jìn)行修改調(diào)試。這里的主要問(wèn)題是我們沿用舊設(shè)備的數(shù)據(jù)交換方式，即特征報(bào)告（Feature Report），上位機(jī)發(fā)送請(qǐng)求特征報(bào)告失敗返回0xC0000004，查詢HID協(xié)議找到7.2 Class-Specific Requests（特殊請(qǐng)求），7.2.2 Set_Report Request有說(shuō)明“A device might choose to ignore input Set_Report requests as meaningless.”，由此得知固件默認(rèn)不處理特征報(bào)告。因此要添加對(duì)特征報(bào)告的處理，7.2 Class-Specific Requests查找發(fā)現(xiàn)7.2.4 Set_Idle Request這一請(qǐng)求是處理成功的。于是在固件庫(kù)找到Set_Idle Request的處理，在其同級(jí)增加條件分支完成添加特征報(bào)告的處理，使用端點(diǎn)0收發(fā)特征報(bào)告數(shù)據(jù)。

四、數(shù)據(jù)庫(kù)

臺(tái)站主控電腦使用SQL Server處理數(shù)據(jù)，各個(gè)設(shè)備狀態(tài)被相應(yīng)的上位機(jī)實(shí)時(shí)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)獲取設(shè)備狀態(tài)，相當(dāng)于借助數(shù)據(jù)庫(kù)與其他上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)程間通信。

為模擬相關(guān)環(huán)境在自己電腦上安裝SQL Server和SSMS。添加數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)表，添加數(shù)據(jù)元組示例?？蛻舳藢?duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作只有讀取，因此采用sqlcmd命令行獲取數(shù)據(jù)比較簡(jiǎn)便，使用popen函數(shù)執(zhí)行命令行獲取返回的數(shù)據(jù)。sqlcmd的使用比較簡(jiǎn)單，需要的參數(shù)有-S服務(wù)器、-U用戶名、-P密碼、-d使用數(shù)據(jù)庫(kù)名稱、-Q查詢命令（sql查詢語(yǔ)句）。圖4為在我的電腦的模擬環(huán)境中進(jìn)行查詢得到的結(jié)果。

圖4 命令行查詢數(shù)據(jù)

五、端口拓展

為了獲得更多的控制通道，以及預(yù)留IO口做其他用途，使用74HC595進(jìn)行端口拓展。74HC595是8位串行輸入/輸出或者并行輸出移位寄存器，具有高阻、關(guān)、斷狀態(tài)。圖5是其真值表。通過(guò)將串行數(shù)據(jù)輸出管腳SQH級(jí)聯(lián)到下一個(gè)74HC595的SI輸入管腳達(dá)到加長(zhǎng)拓展。OE拉低SCLR拉高，需要控制的有時(shí)鐘輸入SCK、鎖存信號(hào)RCK和數(shù)據(jù)源SI，只需要三個(gè)MCU IO口即可控制數(shù)位寄存器狀態(tài)。最后通過(guò)ULN2803驅(qū)動(dòng)繼電器。

圖5 74HC595真值表

六、客戶端

客戶端工作流程如圖6所示，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和接管控制。綜合考慮數(shù)據(jù)庫(kù)查詢壓力和信號(hào)快速恢復(fù)，設(shè)定每秒查詢一次設(shè)備狀態(tài)。使用MFC對(duì)話框設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的界面，添加接管按鈕、各個(gè)設(shè)備開(kāi)關(guān)按鈕，在初始化函數(shù)中鏈接底層通信DLL，完成客戶端的開(kāi)發(fā)工作。

圖6 客戶端工作流程

七、總結(jié)

自動(dòng)控制只開(kāi)發(fā)了信號(hào)源部分，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)切換器故障無(wú)輸出關(guān)閉切換器電源，發(fā)現(xiàn)設(shè)備通信異常重啟復(fù)位恢復(fù)通信等功能。手動(dòng)控制支持更多端口，可以控制其他設(shè)備，例如，鄉(xiāng)鎮(zhèn)熊貓數(shù)字電視發(fā)射機(jī)無(wú)輸出，控制其復(fù)位。

注釋：

①Device Class Definition for Human Interface Devices.

②HID Usage Tables.

③劉穎東.揭秘?cái)?shù)據(jù)解密的關(guān)鍵技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2009.

④STM32F10xxx USB-FS-Device firmware library.