基于HID的开关控制系统设计

2021-12-10谭汝浩韦红录黄冬梅

视听 2021年12期

谭汝浩韦红录黄冬梅

一、概述

广播电视发射系统中信号源子系统设备繁多，有卫星信号接收机、光纤信号解码器、信号源切换器等重要设备。若这些设备发生故障，很可能致使广播电视节目信号中断，导致频点静音静帧等现象，造成停播事故。台站原有的电源复位器功能单一，自动化程度低，通道数量少，很多设备电源接入到同一通道上。若某个设备故障需要复位重启，对该设备接入的通道复位时，整个通道的设备都会被复位重启，这样就有可能导致其他设备工作异常，造成停播现象。因此，可以采用一个新的解决方案，即采用USB-HID控制信号源系统设备电源。USB-HID是基于USB通信的，与电源复位器通信方式不同，后者采用网络通信，两者互不影响，因此还可以串联组合运行。

USB-HID是Universal Serial Bus-Human Interface Device的缩写，HID设备通常是鼠标、键盘、游戏手柄等，不过HID设备并不一定要有人机接口，只要符合HID类别规范的设备都是HID设备。HID通信相对简单，响应快，所以比较适合用作控制设备。交换的数据需要存储在称为报表（report）的结构内，设备固件必须支持HID报表格式。相对其他USB设备，HID主要由控制传输和中断传输来传送与接收数据。报表的格式非常有弹性，可以处理任何类别的数据。HID类别设备的规范是Device Class Definition for Human Interface Devices①。另外还有一份文件 HID Usage Tables②，用来定义让主机了解以及使用HID数据的数值。

二、HID底层通信

现有资源为一块HID继电器控制板，配套资料是一份DLL及其头文件，没有源码，根据现有资源进行反汇编学习HID通信原理。使用OllyDbg对该DLL进行调试。图1是OllyDbg调试界面，区域1是反汇编指令窗口，第一列是地址栏，第二列是机器码，第三列是汇编代码，第四列是注释，汇编指令众多但是常用的很少，这点服从二八定律，少量的指令完成大部分功能。区域2是CPU寄存器窗口，最重要的是前面9个寄存器，这9个寄存器保存着当前程序段的运行参数、结果等重要信息，各个寄存器的说明详见参考文献③。区域3是数据窗口，在这里查看内存数据，常量数据一般都存放在此处，例如常用数值、字符串等。在区域1和2中，右键一个地址指针即可跟随转存到这里查看该地址的内存数据。区域4是栈窗口，栈通常用于保存临时变量，栈操作push是将目标压栈，pop将栈顶弹出到目标。除了这两个操作还有栈对齐，保证栈顶指针为某字节的整数倍；升栈，分配局部变量空间；降栈，删除栈部分数据。

图1 OllyDbg调试界面

根据头文件分析DLL的导出函数及其传入参数类型和返回参数类型。调试过程中DLL所用到的Win32Api会被OllyDbg标示出来，可以从注释中看到是什么Api，而所用到的HIDDLL的Api没有标记，要手动添加注释信息。整个通信的建立过程都是基于Win32Api和HIDDLL的Api完成的。

经过耐心的跟踪调试得到如图2的通信流程图。其中SetupDiGetDeviceInterfaceDetailA函数连续调用两次，第一次获得required_size参数，第二次将required_size传入获得设备详细信息。CreateFile函数也是连续调用两次，第一次ShareMode参数为空，如果是鼠标、键盘等独占设备是不能通过CreateFile打开的，将会在此返回失败，相当于在此过滤鼠标、键盘等独占设备；第二次ShareMode参数为3，函数成功返回HID设备句柄，设备句柄是与设备通信的唯一标识。通信阶段使用DeviceIoControl函数向HID设备发起查询请求，获得特征报告（Feature Report），该设备自定义的序列号就在特征报告里面，继电器状态也包含在特征报告里。HidD_SetFeature函数用于发送特征报告，设置继电器状态。

图2 流程图

三、固件

固件开发过程需要用到Bus Hound。Bus Hound是一个USB通用的强大的调试工具，类似于网络抓包工具，用于抓取电脑总线数据，还可以模拟发送请求数据。图3是Bus Hound调试界面。21.0表示21号设备端点0，CTL表示主机发送控制请求，请求内容为其后的Data，GET DESCRIPTOR表示该请求为获取描述符。IN表示设备发送数据到主机。图中的数据是设备上电枚举阶段发生的数据交换。共四条GET DESCRIPTOR，第一条描述符为设备描述符，第二条获取配置描述符长度，第三条根据长度再次请求配置描述符，第四条获取报告描述符。设备描述符和配置描述符为USB通用，报告描述符为HID传输的数据用途（usage）上的说明。至此，获得了HID固件关键的三个描述符。报告描述符的用法和修改参照HID Usage Tables。官网还有报告描述符工具提供使用。

图3 Bus Hound调试界面

MCU采用stm32f407vet6，从stc官网获取HID固件库④。使用固件库参照HID协议进行修改调试。这里的主要问题是我们沿用旧设备的数据交换方式，即特征报告（Feature Report），上位机发送请求特征报告失败返回0xC0000004，查询HID协议找到7.2 Class-Specific Requests（特殊请求），7.2.2 Set_Report Request有说明“A device might choose to ignore input Set_Report requests as meaningless.”，由此得知固件默认不处理特征报告。因此要添加对特征报告的处理，7.2 Class-Specific Requests查找发现7.2.4 Set_Idle Request这一请求是处理成功的。于是在固件库找到Set_Idle Request的处理，在其同级增加条件分支完成添加特征报告的处理，使用端点0收发特征报告数据。

四、数据库

台站主控电脑使用SQL Server处理数据，各个设备状态被相应的上位机实时更新到数据库，通过查询数据库获取设备状态，相当于借助数据库与其他上位机进行进程间通信。

为模拟相关环境在自己电脑上安装SQL Server和SSMS。添加数据库和数据表，添加数据元组示例。客户端对数据库的操作只有读取，因此采用sqlcmd命令行获取数据比较简便，使用popen函数执行命令行获取返回的数据。sqlcmd的使用比较简单，需要的参数有-S服务器、-U用户名、-P密码、-d使用数据库名称、-Q查询命令（sql查询语句）。图4为在我的电脑的模拟环境中进行查询得到的结果。

图4 命令行查询数据

五、端口拓展

为了获得更多的控制通道，以及预留IO口做其他用途，使用74HC595进行端口拓展。74HC595是8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻、关、断状态。图5是其真值表。通过将串行数据输出管脚SQH级联到下一个74HC595的SI输入管脚达到加长拓展。OE拉低SCLR拉高，需要控制的有时钟输入SCK、锁存信号RCK和数据源SI，只需要三个MCU IO口即可控制数位寄存器状态。最后通过ULN2803驱动继电器。