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【摘要】信號(hào)源系統(tǒng)在廣播電視發(fā)射系統(tǒng)中十分重要，為保證安全播出，應(yīng)向自動(dòng)化無人臺(tái)站方向改進(jìn)提升。本文著重研究通過hid控制開關(guān)來控制信號(hào)源設(shè)備，從反匯編入手，學(xué)習(xí)現(xiàn)有的上位機(jī)軟件，研讀HID協(xié)議再進(jìn)行上位機(jī)、固件開發(fā)。實(shí)踐中，可通過讀取臺(tái)站主控電腦數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，判斷信號(hào)源設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
【關(guān)鍵詞】c/c++；反匯編；HID協(xié)議；SQL；74HC595
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UniversalSerialBus-HumanInterfaceDevice的縮寫，HID設(shè)備通常是鼠標(biāo)、鍵盤、游戲手柄等，不過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DeviceClassDefinitionforHumanInterfaceDe-vices①。另外還有一份文件HIDUsageTables②，用來定義讓主機(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)寄存器的說明詳見參考文獻(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)。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)試過程中DLL所用到的Win32Api會(huì)被OllyDbg標(biāo)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(biāo)記，要手動(dòng)添加注釋信息。整個(gè)通信的建立過程都是基于Win32Api和HIDDLL的Api完成的。經(jīng)過耐心的跟蹤調(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re-quired_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CreateFile打開的，將會(huì)在此返回失敗，相當(dāng)于在此過濾鼠標(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（FeatureReport），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)。
三、固件
固件開發(fā)過程需要用到BusHound。BusHound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BusHound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Da-ta，GETDESCRIPTOR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GETDESCRIPTOR，第一條描述符為設(shè)備描述符，第二條獲取配置描述符長度，第三條根據(jù)長度再次請(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HIDUsageTables。官網(wǎng)還有報(bào)告描述符工具提供使用。MCU采用stm32f407vet6，從stc官網(wǎng)獲取HID固件庫④。使用固件庫參照HID協(xié)議進(jìn)行修改調(diào)試。這里的主要問題是我們沿用舊設(shè)備的數(shù)據(jù)交換方式，即特征報(bào)告（FeatureReport），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7.2Class-SpecificRe-quests（特殊請(qǐng)求），7.2.2Set_ReportRequest有說明“AdevicemightchoosetoignoreinputSet_Reportrequestsasmeaningless.”，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，7.2Class-SpecificRequests查找發(fā)現(xiàn)7.2.4Set_IdleRequest這一請(qǐng)求是處理成功的。于是在固件庫找到Set_IdleRequest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
臺(tái)站主控電腦使用SQLServer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，通過查詢數(shù)據(jù)庫獲取設(shè)備狀態(tài)，相當(dāng)于借助數(shù)據(jù)庫與其他上位機(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SQLServer和SSMS。添加數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表，添加數(shù)據(jù)元組示例。客戶端對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作只有讀取，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)庫名稱、-Q查詢命令（sql查詢語句）。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。
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)MCUIO口即可控制數(shù)位寄存器狀態(tài)。最后通過ULN2803驅(qū)動(dòng)繼電器。
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，完成客戶端的開發(fā)工作。
七、總結(jié)
自動(dòng)控制只開發(fā)了信號(hào)源部分，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)切換器故障無輸出關(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)無輸出，控制其復(fù)位。
作者：譚汝浩 韋紅錄 黃冬梅 單位：廣西廣播電視技術(shù)中心梧州分中心 廣西廣播電視技術(shù)中心南寧分中心