基于JAVA的USB-HID设备通信设计与实现

针对Java语言本身没有指针的类型，使用Java语言调用API与USB HID设备通信显得尤为困难的问题，介绍了如何使用JNative框架实现在windows平台下访问USB—HID设备，使java开发人员可以直接调用API完成程序与设备的通信。

0 引言

Java调用DLL的常用方法大致为几种，JNI，JNA，JNArI’IVE等，但实现与易用性差距还是很大…。JNI使用最繁琐，先要编写带有native声明的方法的Java类，使用javac命令编译所编写的Java类，然后使用javah+java类名生成扩展名为h的头文件，再使用C／C++实现本地方法将C／C++编写的文件生成动态连接库。JNA相对简单些，需要设计接口，接口中的方法需要和dll文件中的函数一一对应，但在实现函数原型时，java和C之间的类型无法一一对应，特别是C中的指针类型。JNative是一种能够使Java语言使调用DLL的一种技术，对JNI进行了封装，让开发人员能够利用Java代码访问n．ative libraries(DLL和lib．SO)的开源类库，并且不需要编译任何一行C／C++代码。
1 访问HID设备涉及的Windows API在Windows系统中有一整套对HID设备进行访问的API(如表1所示)，包含在hid．dll、setupapi．dU、kernel32．dll这3个DLL文档中，分别起到与HID设备通信、寻找与识别设备、交换数据的作
用日J，为应用程序访问HID设备提供了强大的支持。

2 Java上位机编写思路
应用程序要访问HID设备就必须先枚举到设备，枚举成功后根据返回的设备句柄，就可以用ReadFile和WriteFile来读写设备的数据了‘4I，访问流程如图1所示。

3 Java访问HID设备程序的实现
3．1使用HidD—GetHidGuid()函数获取HID设备的接口类GUID
GUID是HID设备接口类的标识，是一个128位(16字节)的整刻5|。通过GUID可以在众多的HID硬件中找到自己的设备。获取GUID的函数原
型如下：
void stdcall HidD—GetHidGuid(OUT LPGUIDhidGuid)；
参数hidGuid是一个GUID的结构体，可定义在此函数之前，即GUID hidGuid。
代码如下：

JNative jnative=new JNative(”hid．dll”，”HidD—GetHidGuid”)；
jnative．setRetVal(Type．INT)；／／设置此函数的返回值
Pointer HidGuid=new Pointer(MemoryBlockFactory．createMemoryBlock(16))；
jnative．setParameter(0，HidGuid)；／／赋予参数值
jnative．invoke()；／／函数执行

3．2通过GUID，使用SetupDiGetClassDevs()函数获取HID类中所有设备的信息集合
函数setupDiGetClassDevs返回设备信息集合句
柄，包括本地机器的设备信息元素，使用的函数如
下：

HDEVINFO SetupDiGetClassDevs(const GUIDClassGuid，PCTSTR Enumerator，HWNDhwndParent，DWORD Flags)；

调用该函数将返回由ClassGuid指定的所有设备的一个信息集合的句柄。当信息集合使用完毕后，需要调用函数SetupDiDestroyDevicelnfoList()函数销毁。人口参数ClassGuid就是上一个函数获取的设备的GUID。人El参数Enumerator是可选的，当其值为NULL时，将搜索全部设备。hwndParent为
父窗口句柄，可以为NULL。第4个参数为DIGCF—DEVIcEINTERFAcE，即使用设备接口类进行访问。
代码如下：

JNative jnative2=new JNative(”setupapi．dll”，”SetupDiGetClassDevsA”)；
jnative2．setRetVal(Type．INT)；／／设置返回值类型
／／参数赋值
jnative2．setParameter(0，HidGuid)；
jnative2．setParameter(1，Type．INT，”0”)；
jnative2．setParameter(2，Type．INT，”0”)；
jnative2．setParameter(3，Type．INT，”18”)；
jnative2．invoke()；／／函数执行
DevicelnfoSet=Integer．parseInt(jnative2．getRetVal())；／／接收信息集合句柄返回值

3．3 在该设备信息集合中，使用SetupDiEnumDevi.ceInterfaces()函数。获取单个设备的接口信息从设备信息集合中获取单个设备接口信息，调
用函数如下：

BOOL SetupdiEnumDeviceInterfaces(HDEVINFO DevicelnfoSet，PSPDEVINFODATA DevicelnfoData，const GUIDInterfaceClassGuid，DWORD Memberlndex，PSPDEVICEINTERFACEDATA DeviceInterfaeeData)；

当该函数调用成功时，返回非0值；调用失败时，将返回0值。参数DevicelnfoSet是上一步中的SetupDiGetClassDevs函数的返回值。参数DeviceIn—foData是一个PSP—DEVINFO—DATA型的数据结构变量，可用来强制获取某个设备的信息。该参数是可选的，值为NULL表示不使用该参数。参数Inter．faceClassGuid是一个指向设备的接口类GUID的指针。Memberlndex是整型变量，表示设备集合中某个设备的索引序号。可在循环中调用此函数，修改此参数，以便获取所有的特定设备信息。
Devi.ceInterfaceData是一个SP—DEVICE—INTERFACE—DARTA的结构体，用来接收设备的信息。在调用该函数前，必须设置好该结构体的大小。
代码如下：

int Memberlndex=0；
Pointer MyDeviceInterfaceData=new Pointer(MemoryBlockFactory．createMemoryBloek(4+16+4+4))；
JNative jnative3=new JNative(”setupapi．dⅡ”，”
SetupDiEnumDevieeInterfaees”)；
MyDeviceInterfaceData．setIntAt(0，28)；
jnative3．setRetVal(Type．INT)；
jnative3．setParameter(0，Type．INT，DevicelnfoSet+””)；
jnative3．setParameter(1，Type．INT，”0”)；
jnative3．setParameter(2，HidGuid)；
jnative3．setParameter(3，Type．INT，MemberIndex+””)；
jnative3．setParameter(4，
MyDeviceInterfaceData)；
jnative3．invoke()；／／函数执行
int result=Integer．parseInt(jnative3．getRetVal())；／／接收函数返回值

3．4如果找到HID设备接口信息。使用SetupDi—GetDeviceInterfaceDetail()函数获取上一步中设备的更详细信息(设备路径名)这个函数要调用2次，以便得到一个存储信息的结构体。第1次是得到信息结构体的缓冲区大小；第2次获取完整的信息。这里获取指定设备接口的详细信息，函数如下：

BOOL SetupDiGetDeviceInterfaceDetail(HDEVINFO DeviceInfoSet，PSP—DEVICE—INTER—FACE—DATA DeviceInterfaceData，PSP—DEVICE—IN—TERFACE—DETAIL—DATA DeviceInterfaceDetailDa—ta，DWORD DeviceInterfaceDetailDataSize，PDWORD
equiredSize，PSP_DEVINFO—DATA DeviceInfoData)；

入El参数DeviceInfoSet设备信息集合的句柄，由上一个函数返回。入口参数DeviceInterfaceData是保存设备信息的结构体，由上一个函数来获取。这个结构体获取的信息仍然不够详细。我们需要得到设备的路径，通过这个函数会返回另外一个结构体，也就是第3个入口参数DeviceInterfaceDetailDa—ha。在这个结构体中有一个成员DevicePath就保存着设备的路径(或者叫设备接口名)。
代码如下：

Pointer Needed=new Pointer(MemoryBlockFactory．createMemoryBlock(4))；
int DetailData=0；
MyDeviceInterfaceData．setIntAt(0，28)；
JNative jnative4=new JNative(”setupapi．dll”，”
SetupDiGetDeviceInterfaceDetailA”)：
jnative4．setRetVal(Type．INT)；
jnative4．setParameter(0，Type．INT，DeviceInfoSet+””)；
jnative4．setParameter(1，MyDeviceInterfaceData)；
jnative4．setParameter(2，Type．INT，”0”)；
jnative4．setParameter(3，Type．INT，”0”)；
jnative4．setParameter(4，Needed)；
jnative4．setParameter(5，Type．INT，”0”)；
jnative4．invoke()；
int r4=jnative4．getRetValAsInt()；
DetailData=Needed．getAsInt(0)；／／获得缓冲
区大小
Pointer MyDeviceInterfaceDetailData=new Pointer(MemoryBlockFactory．createMemoryBlock(4+1))；
MyDeviceInterfaceDetailData．setIntAt(0，5)；
Pointer DetailDataBuffer=new Pointer(MemoryBlockFactory．createMemoryBlock(Needed．getAsInt(0)))；
JNative jnativetemp=new JNative(”kernel32．dU”，”RflMoveMemory”)；
jnativetemp．setRetVal(Type．INT)；
jnativetemp．setParameter(0，DetailDataBuffer)；
jnativetemp．setParameter(1，MyDeviceInterface.DetailData)；
jnativetemp．setParameter(2，Type．INT，”4”)；
jnativetemp．invoke()；
JNative jnativetemp2=new JNative(”setupapi．dU”，”SetupDiGetDeviceInterfaceDetailA”)；
jnativetemp2．setRetVal(Type．INT)；
jnativetemp2．setParameter(0，Type．INT，Devi·celnfoSet+””)；
jnativetemp2．setParameter(1，MyDeviceInterfaceData)；
jnativetemp2．setParameter(2，DetailDataBuffer)；
jnativetemp2．setParameter(3，Type．INT，DetailData+””)；
jnativetemp2．setParameter(4，Needed)；
jnativetemp2．setParameter(5，Type．INT，”0”)；
jnativetemp2．invoke()；
／／获得设备路径名
for(int ii=4；ii<DetailData一1；ii++)
{
DevieePathName=DevicePathName
DetailDataBuffer．getAsByte(ii)；
}

3．5获取设备信息后。使用CreateFile()函数打开指定的设备CreateFile打开指定设备。这个函数将会用到上一步中的Devicepath作为第1个参数。返回设备句柄，目的是调用函数。
HidD—GetAttributes(handle，&DevAttributes)得到DevAttributes结构体，其中有2个成员DevAt.tributes．VendorID和DevAttributes．ProductlD就是相应设备的产商编号(VID)和设备编号(PID)，可以核对这2个值，确认自己的设备后，然后调用Read．File和WriteFile函数进行读写。
代码如下：

JNative jnative5=new JNative(”kemeB2．dll”，”CreateFileA”)；
jnative5．setRetVal(Type．INT)；
jnative5．setParameter(0，Type．STRING，DevicePathName)；
jnative5． setParameter (1，Type． INT，(Ox80000000 IOx40000000)+””)；
jnative5．setParameter(2，Type．INT，(0xl 0x2)+””)；
Security s=new Pointer(MemoryBlockFactory．createMemory—
Block(4+4+4))；
jnative5．setParameter(3，Security)；
jnative5．setParameter(4，Type．INT，”3”)；
jnative5．setParameter(5，Type．INT，”0”)；
jnative5．setParameter(6，Type．INT，”0”)；
jnative5．invoke()；
HIDHandle=jnative5．getRetValAsInt()；／／获得设备句柄

3．6打开设备后。用HidD—GetAttributes()函数获取设备属性(为结构体)
通过核对属性结构体中的VID、PID以及产品的版本号，找到我们自己的设备，如果找到就退出。没有找到，则切换到下一步，重复(3)～(6)。
代码如下：

Pointer DeviceAttributes =new Pointer(MemoryBlockFaetory．createMemory—
Block(4+2+2+2))；
DeviceAttributes．setIntAt(0，10)；
JNative jnative6=new JNative(”hid．dll”，”HidD
—GetAttributes”)；
jnative6．setRetVal(Type．INT)；
jnative6．setParameter(0，Type．INT，HIDHandle
+””)；
jnative6．setParameter(1，DeviceAttributes)；
jnative6．invoke()；
／／获得HID设备的VID，PID
short vid=DeviceAttributes．getAsShort(4)；
short pid=DeviceAttributes．getAsShort(6)；

3．7找到要 *** 作的设备后，调用Readfile()函数／WriteFile()函数。对HID设备进行读或写 *** 作
代码如下：

／／销毁设备信息集合，释放资源
JNative jnative7=new JNative(”setupapi．dll”，”SetupDiDestroyDevicelnfoList”)；
jnative7．setRetVal(Type．INT)；
jnative7．setParameter(0，Type．INT，DevicelnfoSet+””)；
jnative7．invoke()；
int r_jnative7=jnative7．getRetValAsInt()；
if(MyDeviceDetected==true){
FindTheHid=true：
GetDeviceCapabilities()；
JNative jnative—createfile=new JNative(”kerneB2．dU”，”CreateFileA”)；
jnative_createfile．setRetVal(Type．INT)；
jnative—createfile．setParameter(0，Type．STRING，DevicePathName)；
jnative—createfile．setParameter(1，Type．INT，(Ox80000000 IOx40000000)+””)；
jnative—createfile．setParameter(2，Type．INT，(0xl 10)c2)+””)；
jnative_createfile．setParameter(3，Security)；
jnative—createfile．setParameter(4，Type．INT，”3”)；
jnative—ereatefile．setParameter(5，Type．INT，Ox40000000+””)；
jnative—createfile．setParameter(6，Type．INT，”0”)；
jnative_createfile．invoke()；
ReadHandle=jnative—createfile．getRetValAsInt()；
}

JNative jnative8=new JNative(”kernel32．dll”，”
WriteFile”)；
jnative8．setRetVal(Type．INT)；
jnative8．setParameter(0，Type．INT，HIDHandle)；
Pointer SendBuffer=new Pointer(MemoryBloekFactory．createMemory—
Block(Capabilities．getAsInt(6)))；
／／向HID设备发送指令AD 03 03 01 0l 02 04 08 0D
SendBuffer．setByteAt(0，(byte)0)；
SendBuffer．setByteAt(1，(byte)0xad)；
SendBuffer．setByteAt(2，(byte)0x3)；
SendBuffer．setByteAt(3，(byte)0x3)；
SendBuffer．setByteAt(4，(byte)0x1)；
SendBuffer．setByteAt(5，(byte)Oxl)；
SendBuffer．setByteAt(6，(byte)0x2)；
SendBuffer．setByteAt(7，(byte)0x4)；
SendBuffer．setByteAt(8，(byte)Ox8)；
SendBuffer．setByteAt(9，(byte)0xd)；
jnative8．setParameter(1，SendBuffer)；

jnative8．setParameter(2，Type．INT，Capabili—lapped)；
ties．getAsShort(6)+…’)； jnative_readfie．invoke()；
Pointer NumberOfBytesWritten =new Pointer(MemoryBlockFactory．createMemoryBlock(4))；
jnative8．setParameter(3，NumberOfBytesWritten)；
jnative8．setParameter(4，Type．INT，”0”)；
jnative8．invoke()；

JNative jnative_readfie=new JNative(”kernel32．dll”，”ReadFile”)；
jnative—read_fie．setRetVal(Type．INT)；
jnative—readfie．setParameter(0，Type．INT，ReadHandle+””)；
Pointer ReadBuffer=new Pointer(MemoryBlockFactory．createMemoryBlock(Capabilities．getAsShort(4)))；
jnative_readfie．setParameter(1，ReadBuffer)；
jnative_readfie．setParameter(2，Type．INT，Capabilities．getAsShort(4)+””)；
Pointer NumberOfBytesRead=new Pointer(MemoryBlockFactory．createMemoryBlock(4))；
jnativereadfie．setParameter(3，NumberOfBytesRead)；
Pointer HIDOverlapped=new Pointer(MemoryBlockFactory．createMemoryBlock(4+4+4+4+4))；
jnative—readfie．setParameter(4，HIDOver-lapped);
jnative_readfie.invoke();
int r_jnative—readfie=jnative—readfie．getRetValAsInt()；
／／查看接收的数据
for(int k=1；k<Capabilities．getAsShoa(4)；k++){
byte t=ReadBuffer．getAsByte(k)；
System．out．println(k+”：”+t+”十六进制：”
+Integer．toHexString(t&0x00tXl00ff))；
}

4结论
本程序运行在WindowsXP系统下，通过程序实验测试，HID设备与主机运行稳定、可靠，数据通信准确无误。随着计算机上的USB接口的普及、性能
的改进和成本的下降，越来越多的产品将会采用它作为通讯接口，本文对于设计HID类USB数据通信接口有较高的参考价值。