用人机接口类型开发USB设备
1 引言
USB是目前发展应用非常广泛的一项技术。它是一种计算机系统连接外围设备的标准输入/输出接口。根据外围设备的不同的类型USB协议将其分类，每个设备类型都定义了类似功能设备的共同行为和协议。相同类型的设备都由一组标准定义的功能模块组成。这样主机与USB设备之间的通信就可以通过一些标准格式的数据包来完成。USB开发者论坛发布了一系列USB设备的类型定义，并配以相应的使用说明。下面表格显示出 USB的设备类型（DEVEICE CLASS）：
表1 USB的设备类型
虽然Windows已经提供了底层总线操作的驱动程序，但与此类底层驱动程序接口的是i/o请求包的IRPs的结构，而Windows为应用程序提供的接口是API函数。因此必须在其间建立一个驱动程序，在USB底层驱动与Windows应用程序之间传递消息。VB、 C/C++、Delphi等通用编程语言编写的应用程序都可以在设备驱动程序的支持下，调用Readfile、WriteFile、DeviceIoControl等API函数。而编写底层总线的驱动程序是非常复杂的一项工程。为了消除编写设备驱动程序的问题，可对于一些具有相似功能的设备可以组成一类，分享共有的特性，便于使用Windows提供共同的类驱动程序。
2 HID类型概述
第一个被windows支持的usb外围设备类是人机接口设备。hid是human interface device人机接口设备的英文缩写。是指直接和人进行互动的设备。如鼠标、键盘等。运行在WINDOWS98或其他更高的版本的操作系统的PC机，系统除了提供通用的USB设备的底层驱动以外，还单独提供了一些HID设备的完整驱动，应用程序可以很容易的与操作系统内部的hid通讯。这样使得符合hid类的USB设备很容易开发与运行。也就是说，我们如果想实现一个USB的HID类设备，是不需要在Windows下开发自己的驱动程序。HID不一定要是标准的外设类型，唯一的要求是交换的数据存储在报文的结构内，设备固件必须支持报文的格式。任何工作在该限制之内的设备都可以成为一个hid，例如温度计，电压计,读卡机等。
hid类设备只能使用控制传输与中断传输两种方式。HID的交换的数据格式称为报文。报文形式灵活，能处理任何类型的数据。HID特有的请求，Set_Report和Get_Report为主机和设备之间的任何类型数据块传输提供了一种方法。主机发出Get_Report请求，设备响应向主机传送数据块；主机发出Set_Report请求，设备响应准备接收主机发出的数据块。对于一个全速设备，中断传输方式下每笔事务能够传送的最大数据量是64字节，全速设备每毫秒不能有超过一笔事务，所以每秒最多传送64000字节。高速设备，每笔事务能够传送的最大数据量是1024字节。对于不能一次传输完毕的数据，接收和发送报文可以采用多笔事务。
表2列举出了与HID类设备通信过程中使用到的大量函数，这些函数的用法在DDK的帮助文档中均有详细地解释。这些函数包含在Hid.dll、Setupapi.dll、Kernel32.dll三个动态链接库中，分别起到与HID设备通讯，寻找与识别设备，交换数据的作用。
表2 HID设备通信相关API函数
Visual Basic编程语言，语法简单用法灵活易于掌握。用它来开发通信程序是一种非常快捷的途径。但是需要指出的是，API函数的声明格式在DDK的文档内全部是采用C语言的格式声明，而VB与C语言的在变量的声明、存储格式上都有很大的区别。所以首先需要进行类型转换，例如CHAR转换为Byte类型，USHORT、ULONG、BOOLEAN、LP_（长指针前缀）、P_（指针前缀）转换为Long 类型，PCTSTR转换为String类型。其次，C语言的结构体可以转换为VB中的自定义数据类型，并且特别值得注意，在涉及到自定义数据类型中子类存储位置必须注意到VB与C语言对应转换类型所占内存空间不同的问题。最后C语言中有指针的概念，而VB中没有，所以需用Byref按地址传递，VarPtr取变量地址等方法进行相应的操作。
3 VB中调用API函数详述
第一步需要获得GUID（global unique identifier），需要调用函数 HidD_GetHidGuid ，他在可以如下定义：
Public Declare Function HidD_GetHidGuid Lib_
"hid.dll" _
(ByRef HidGuid As GUID)
As Long
通过调用它可以得到HID 类设备的 GUID，应用程序在与HID设备通讯之前，必须获取HID类的独特标志符GUID，它是一个128位值，每一位唯一表示了一个对象。通过这个API函数就可以从系统中读取该值，得到 HID 设备句柄。接下来应检测符合设定参数的HID,应使用函数 SetupDiGetClassDevs，转换为VB中的定义是：
Public Declare Function SetupDiGetClassDevs_
Lib "setupapi.dll" _
Alias "SetupDiGetClassDevsA" _
(ByRef ClassGuid As GUID, _
ByVal Enumerator As String, _
ByVal hwndParent As Long, _
ByVal Flags As Long) _
As Long
当调用该函数成功是，他返回一个包含所有的与设定参数匹配如：已连接和列举，的设备信息的结构体数组地址，该值在下一个将要调用的函数SetupDiEnumDeviceInterfaces中将使用到。SetupDiEnumDeviceInterfaces可定义为：
Public Declare Function_
SetupDiEnumDeviceInterfaces Lib_
"setupapi.dll" _
(ByVal DeviceInfoSet As Long, _
ByVal DeviceInfoData As Long, _
ByRef InterfaceClassGuid As GUID, _
ByVal MenberIndex As Long, _
ByRef DeviceInterfaceData As_
SP_DEVICE_INTERFACE_DATA) _
As Long
这样通过上面函数SetupDiGetClassDevs给出的设备信息得到的设备的一个接口的地址，每一次调用必需传递一个数组的索引来指定一个接口。上例中SP_DEVICE_INTERFACE
_DATA包含的结构用来识别每一个HID的接口。要与设备通信还需要一些更详细的信息，其中最重要的是设备路径，它可以通过函数SetupDiGetDeviceInterfaceDetail得到。其定义格式如下：
Public Declare Function_
SetupDiGetDeviceInterfaceDetail Lib_
"setupapi.dll" _
Alias "SetupDiGetDeviceInterfaceDetailA" _
(ByVal DeviceInfoSet As Long, _
ByRef DeviceInterfaceData As_
SP_DEVICE_INTERFACE_DATA, _
ByVal DeviceInterfaceDetailData As Long, _
ByVal DeviceInterfaceDetailDataSize As Long, _
ByRef RequiredSize As Long, _
ByVal DeviceInfoData As Long) _
As Long
其中的DeviceInterfaceData是自定义类型：
Public Type_
SP_DEVICE_INTERFACE_DETAIL_DATA
cbSize As Long
DevicePath As String
End Type
这样函数就可传回与前一函数所识别的接口有关的结构体，其中DevicePath是一个设备路径，应用通过上面函数SetupDiEnumDevice-
Interfaces给出的设备接口数据设定设备接口的详细信息。第一次调用该函数时，其中的DeviceInterfaceDetailDataSize无法预知，故可以两次调用该函数，第一次调用出错，但可以返回正确的DeviceInterfaceDetailDataSize ，第二次调用传递返回值，调用即可成功。通过以上步骤基本可以建立与设备的连接了。
如想获得更多关于设备能力的信息，还可以使用HidD_GetAttributes函数，HidP_Get-
PreparsedData函数，HidP_GetPreparsedData函数，他们都是包含在hid.dll文件中的。分别可以实现获得厂商ID，产品ID，Usage, Usage Page,报文长度等，不再一一赘述。
为了开启一个HID设备需用到函数CreateFile，以取得设备代号，并用此代号与设备交换数据。定义形式如下：
Public Declare Function CreateFile Lib_
"kernel32" Alias "CreateFileA" _
(ByVal lpFilename As Long, _
ByVal dwDesiredAccess As Long, _
ByVal dwShareMode As Long, _
ByRef lpSecurityAttributes As Long, _
ByVal dwCreationDisposition As Long, _
ByVal dwFlagsAndAttributes As Long, _
ByVal hTemplateFile As Long) _
As Long
调用函数CreateFile以A结尾，是因为处理字符串时采用了8位的ANSI码。
当应用程序取得HID设备的代号，此时就可以读写报文，利用通用函数WriteFile与ReadFile
定义如下所示：
Public Declare Function WriteFile Lib_
"kernel32" _
(ByVal hFile As Long, _
ByRef lpBuffer As Byte, _
ByVal nNumberOfBytesToWrite As Long, _
ByRef lpNumberOfBytesWritten As Long, _
ByVal lpOverlapped As Long) _
As Long
Declare Function ReadFile Lib "kernel32" _
(ByVal hFile As Long, _
ByRef lpBuffer As Any, _
ByVal nNumberOfBytesToRead As Long, _
ByRef lpNumberOfBytesRead As Long, _
lpOverlapped As Long) _
As Long
读写报文缓冲区时，第一个字节是Report ID,其后是报文数据。报文缓冲区默认是八个报文，并且环状排列。因为数据读写是发生在主机轮训设备的时候，并不是由设备触发产生硬件中断，所以如不能及时读写，新的数据会覆盖旧的数据，导致生报文丢失。当数据读写频繁时应使用特征报文，它可以保证当报文数据没有变化时，HID不会传送新的数据。
当应用程序结束与HID的通信后，必须释放所有之前保留的资源。所涉及到的几个API函数如下：其中包括HidD_FreePreparsedData ，如下定义：
Public Declare Function_
HidD_FreePreparsedData Lib "hid.dll" _
(ByRef PreparsedData As Long) _
As Long
其作用是清除函数HidP_GetPreparsedData传回的PreparsedData数据所占用的缓冲区；函数SetupDiDestroyDeviceInfoLis定义为：
Public Declare Function_
SetupDiDestroyDeviceInfoList Lib_
"setupapi.dll" _
(ByVal DeviceInfoSet As Long) _
As Long
当不再使用SetupDiGetClassDevs时，应用上述函数释放其返回的数组hDevInfo数组。还有需要使用函数CloseHandle，它是一个非常通用的API函数，可以用于关闭通信。
4 小结
实际编程表明使用VB开发HID类USB设备是一条非常方便快捷的途径，不需要编写底层驱动，涉及到的API函数多是大家熟知的通用用函数。但同时还必须注意到一点，HID类只支持控制传输与中断传输。控制传输通常不用于数据的传输，而中断传输的特点是保证最大延迟，也就是事务之间的时间。他没有保证传输速率，而是保证每笔事务之间的时间不会超过最大延时。所以中断传输适用于数据量不太大，但需要及时快速的传送，实时性要求较高的场合。对于数据量比较大的传输，是不宜使用中断传输的。因此HID设备应用的场合也必须根据该特点灵活使用。