C# 进阶指南：调用 Win32 API 实现自定义 USB (HID) 设备通信

1. 概述：USB 通信的底层逻辑#

在嵌入式开发中，将设备定义为 HID (Human Interface Device) 类是实现免驱通信的最简便方法。上位机（PC）无需安装第三方驱动，直接通过调用 Windows 系统内核提供的 DLL 即可实现数据交换。

开发核心流程#

实现 C# 与 USB 设备通信的逻辑可以拆解为以下四个关键环：

设备枚举 (Enumeration)：在设备丛林中通过 GUID 找到 HID 类别。
查找匹配 (Matching)：根据硬件的 VID (Vendor ID) 和 PID (Product ID) 定位目标。
握手连接 (Linking)：获取设备路径，创建文件句柄。
异步通信 (I/O)：开启读写线程，实现数据的非阻塞交互。

2. 引入核心 Win32 库#

由于 C# 运行在托管环境，访问底层硬件必须通过 P/Invoke (Platform Invocation) 调用系统原生的 DLL。

DLL 名称	核心职责
hid.dll	负责 HID 专属操作，如获取 GUID、获取设备属性（VID/PID）。
setupapi.dll	负责管理 Windows 设备管理器中的设备信息集。
kernel32.dll	负责最基础的 I/O 操作：`CreateFile`、`ReadFile`、`WriteFile`。

3. 核心步骤实现#

3.1 识别与过滤设备#

首先，我们需要获取 HID 类的全局唯一标识符 (GUID)，然后遍历所有已连接的 HID 设备。

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// 获取系统 HID 类的 GUID
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[DllImport("hid.dll")]
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public static extern void HidD_GetHidGuid(ref Guid HidGuid);
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// 获取包含所有已连接 HID 设备的设备信息集合
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[DllImport("setupapi.dll", SetLastError = true)]
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public static extern IntPtr SetupDiGetClassDevs(ref Guid ClassGuid, uint Enumerator, IntPtr HwndParent, uint Flags);

3.2 建立物理连接#

在找到匹配的路径后，使用 CreateFile 打开设备。

注意：USB 通信在系统底层被视为“文件读写”。

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// 打开设备句柄
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[DllImport("kernel32.dll", SetLastError = true)]
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private static extern IntPtr CreateFile(
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    string lpFileName,
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    uint dwDesiredAccess,
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    uint dwShareMode,
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    IntPtr lpSecurityAttributes,
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    uint dwCreationDisposition,
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    uint dwFlagsAndAttributes,
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    IntPtr hTemplateFile);
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// 常量定义
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const uint GENERIC_READ = 0x80000000;
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const uint GENERIC_WRITE = 0x40000000;
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const uint FILE_SHARE_READ = 0x00000001;
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const uint FILE_SHARE_WRITE = 0x00000002;
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const uint OPEN_EXISTING = 3;

3.3 数据交互（同步与异步）#

对于实时性要求较高的硬件应用，建议使用 ReadFile 的异步模式（Overlapped），避免 UI 界面卡死。

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[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
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public struct OVERLAPPED {
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    public IntPtr Internal;
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    public IntPtr InternalHigh;
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    public int Offset;
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    public int OffsetHigh;
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    public IntPtr hEvent; // 用于存储通知事件的句柄
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}

4. 优化后的完整通信类 (精简版)#

以下是一个封装良好的示例类，增强了错误处理机制：

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public class HidUsbManager
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{
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    private IntPtr _deviceHandle = IntPtr.Zero;
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    public bool OpenDevice(ushort targetVid, ushort targetPid)
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    {
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        Guid hidGuid = Guid.Empty;
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        HidD_GetHidGuid(ref hidGuid);
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        IntPtr deviceInfoSet = SetupDiGetClassDevs(ref hidGuid, 0, IntPtr.Zero, 0x00000012); // DIGCF_PRESENT | DIGCF_DEVICEINTERFACE
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        // 此处应包含 SetupDiEnumDeviceInterfaces 遍历逻辑...
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        // 匹配 VID 和 PID 后获取 devicePathName
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        _deviceHandle = CreateFile(devicePathName, GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
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                                  FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE, IntPtr.Zero,
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                                  OPEN_EXISTING, 0, IntPtr.Zero);
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        return _deviceHandle != (IntPtr)(-1);
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    }
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    public bool WriteReport(byte[] reportData)
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    {
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        if (_deviceHandle == IntPtr.Zero) return false;
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        uint bytesWritten = 0;
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        // 注意：HID 报告的第一字节通常是 Report ID，如果不使用则填 0
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        return WriteFile(_deviceHandle, reportData, (uint)reportData.Length, ref bytesWritten, IntPtr.Zero);
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    }
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    public void Close()
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    {
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        if (_deviceHandle != IntPtr.Zero)
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        {
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            CloseHandle(_deviceHandle);
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            _deviceHandle = IntPtr.Zero;
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        }
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    }
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}

5. 开发避坑指南#

Report ID 的坑：在调用 WriteFile 时，发送数组的第一个字节必须是 Report ID。如果你的硬件固件没有定义多个 ID，通常这个字节需要设为 0x00，且数组实际长度要比数据长度多 1。
管理员权限：访问某些底层 USB 设备可能需要程序以管理员权限运行。
垃圾回收 (GC)：在使用 OVERLAPPED 结构体进行异步操作时，确保该结构体在 I/O 完成前不会被 GC 回收（可以使用 GCHandle 固定内存）。

6. 总结#

使用 C# 开发 USB 上位机，本质上是托管代码与非托管内核对象的博弈。虽然 P/Invoke 看起来繁琐，但它提供了对硬件最精准的控制能力。对于更复杂的应用，建议基于上述逻辑进一步封装成响应式的 Observable 流。