基于HID的開關控制系統設計

譚汝浩 韋紅錄 黃冬梅

一、概述

廣播電視發射系統中信號源子系統設備繁多，有衛星信號接收機、光纖信號解碼器、信號源切換器等重要設備。若這些設備發生故障，很可能致使廣播電視節目信號中斷，導致頻點靜音靜幀等現象，造成停播事故。臺站原有的電源復位器功能單一，自動化程度低，通道數量少，很多設備電源接入到同一通道上。若某個設備故障需要復位重啟，對該設備接入的通道復位時，整個通道的設備都會被復位重啟，這樣就有可能導致其他設備工作異常，造成停播現象。因此，可以采用一個新的解決方案，即采用USB-HID控制信號源系統設備電源。USB-HID是基于USB通信的，與電源復位器通信方式不同，后者采用網絡通信，兩者互不影響，因此還可以串聯組合運行。

USB-HID是Universal Serial Bus-Human Interface Device的縮寫，HID設備通常是鼠標、鍵盤、游戲手柄等，不過HID設備并不一定要有人機接口，只要符合HID類別規范的設備都是HID設備。HID通信相對簡單，響應快，所以比較適合用作控制設備。交換的數據需要存儲在稱為報表（report）的結構內，設備固件必須支持HID報表格式。相對其他USB設備，HID主要由控制傳輸和中斷傳輸來傳送與接收數據。報表的格式非常有彈性，可以處理任何類別的數據。HID類別設備的規范是Device Class Definition for Human Interface Devices①。另外還有一份文件 HID Usage Tables②，用來定義讓主機了解以及使用HID數據的數值。

二、HID底層通信

現有資源為一塊HID繼電器控制板，配套資料是一份DLL及其頭文件，沒有源碼，根據現有資源進行反匯編學習HID通信原理。使用OllyDbg對該DLL進行調試。圖1是OllyDbg調試界面，區域1是反匯編指令窗口，第一列是地址欄，第二列是機器碼，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，這點服從二八定律，少量的指令完成大部分功能。區域2是CPU寄存器窗口，最重要的是前面9個寄存器，這9個寄存器保存著當前程序段的運行參數、結果等重要信息，各個寄存器的說明詳見參考文獻③。區域3是數據窗口，在這里查看內存數據，常量數據一般都存放在此處，例如常用數值、字符串等。在區域1和2中，右鍵一個地址指針即可跟隨轉存到這里查看該地址的內存數據。區域4是棧窗口，棧通常用于保存臨時變量，棧操作push是將目標壓棧，pop將棧頂彈出到目標。除了這兩個操作還有棧對齊，保證棧頂指針為某字節的整數倍；升棧，分配局部變量空間；降棧，刪除棧部分數據。

圖1 OllyDbg調試界面

根據頭文件分析DLL的導出函數及其傳入參數類型和返回參數類型。調試過程中DLL所用到的Win32Api會被OllyDbg標示出來，可以從注釋中看到是什么Api，而所用到的HIDDLL的Api沒有標記，要手動添加注釋信息。整個通信的建立過程都是基于Win32Api和HIDDLL的Api完成的。

經過耐心的跟蹤調試得到如圖2的通信流程圖。其中SetupDiGetDeviceInterfaceDetailA函數連續調用兩次，第一次獲得required_size參數，第二次將required_size傳入獲得設備詳細信息。CreateFile函數也是連續調用兩次，第一次ShareMode參數為空，如果是鼠標、鍵盤等獨占設備是不能通過CreateFile打開的，將會在此返回失敗，相當于在此過濾鼠標、鍵盤等獨占設備；第二次ShareMode參數為3，函數成功返回HID設備句柄，設備句柄是與設備通信的唯一標識。通信階段使用DeviceIoControl函數向HID設備發起查詢請求，獲得特征報告（Feature Report），該設備自定義的序列號就在特征報告里面，繼電器狀態也包含在特征報告里。HidD_SetFeature函數用于發送特征報告，設置繼電器狀態。

圖2 流程圖

三、固件

固件開發過程需要用到Bus Hound。Bus Hound是一個USB通用的強大的調試工具，類似于網絡抓包工具，用于抓取電腦總線數據，還可以模擬發送請求數據。圖3是Bus Hound調試界面。21.0表示21號設備端點0，CTL表示主機發送控制請求，請求內容為其后的Data，GET DESCRIPTOR表示該請求為獲取描述符。IN表示設備發送數據到主機。圖中的數據是設備上電枚舉階段發生的數據交換。共四條GET DESCRIPTOR，第一條描述符為設備描述符，第二條獲取配置描述符長度，第三條根據長度再次請求配置描述符，第四條獲取報告描述符。設備描述符和配置描述符為USB通用，報告描述符為HID傳輸的數據用途（usage）上的說明。至此，獲得了HID固件關鍵的三個描述符。報告描述符的用法和修改參照HID Usage Tables。官網還有報告描述符工具提供使用。

圖3 Bus Hound調試界面

MCU采用stm32f407vet6，從stc官網獲取HID固件庫④。使用固件庫參照HID協議進行修改調試。這里的主要問題是我們沿用舊設備的數據交換方式，即特征報告（Feature Report），上位機發送請求特征報告失敗返回0xC0000004，查詢HID協議找到7.2 Class-Specific Requests（特殊請求），7.2.2 Set_Report Request有說明“A device might choose to ignore input Set_Report requests as meaningless.”，由此得知固件默認不處理特征報告。因此要添加對特征報告的處理，7.2 Class-Specific Requests查找發現7.2.4 Set_Idle Request這一請求是處理成功的。于是在固件庫找到Set_Idle Request的處理，在其同級增加條件分支完成添加特征報告的處理，使用端點0收發特征報告數據。

四、數據庫

臺站主控電腦使用SQL Server處理數據，各個設備狀態被相應的上位機實時更新到數據庫，通過查詢數據庫獲取設備狀態，相當于借助數據庫與其他上位機進行進程間通信。

為模擬相關環境在自己電腦上安裝SQL Server和SSMS。添加數據庫和數據表，添加數據元組示例。客戶端對數據庫的操作只有讀取，因此采用sqlcmd命令行獲取數據比較簡便，使用popen函數執行命令行獲取返回的數據。sqlcmd的使用比較簡單，需要的參數有-S服務器、-U用戶名、-P密碼、-d使用數據庫名稱、-Q查詢命令（sql查詢語句）。圖4為在我的電腦的模擬環境中進行查詢得到的結果。

圖4 命令行查詢數據

五、端口拓展

為了獲得更多的控制通道，以及預留IO口做其他用途，使用74HC595進行端口拓展。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、斷狀態。圖5是其真值表。通過將串行數據輸出管腳SQH級聯到下一個74HC595的SI輸入管腳達到加長拓展。OE拉低SCLR拉高，需要控制的有時鐘輸入SCK、鎖存信號RCK和數據源SI，只需要三個MCU IO口即可控制數位寄存器狀態。最后通過ULN2803驅動繼電器。

圖5 74HC595真值表

六、客戶端

客戶端工作流程如圖6所示，實現自動控制和接管控制。綜合考慮數據庫查詢壓力和信號快速恢復，設定每秒查詢一次設備狀態。使用MFC對話框設計一個簡單的界面，添加接管按鈕、各個設備開關按鈕，在初始化函數中鏈接底層通信DLL，完成客戶端的開發工作。

圖6 客戶端工作流程

七、總結

自動控制只開發了信號源部分，實現發現切換器故障無輸出關閉切換器電源，發現設備通信異常重啟復位恢復通信等功能。手動控制支持更多端口，可以控制其他設備，例如，鄉鎮熊貓數字電視發射機無輸出，控制其復位。

注釋：

①Device Class Definition for Human Interface Devices.

②HID Usage Tables.

③劉穎東.揭秘數據解密的關鍵技術[M].北京:人民郵電出版社,2009.

④STM32F10xxx USB-FS-Device firmware library.