STM32F407单片机编程入门(二十四) USB口介绍及CDC类虚拟串口通讯详解及源码

文章目录

- 一.概要
- 二.USB2.0基本介绍及虚拟串口介绍
- 三.STM32F407VET6单片机USB模块框图
- 四.STM32单片机USB从机模式
- 五.STM32F407VET6 USB设备CDC类
- 六.CubeMX配置一个USB虚拟串口收发例程
- 七.CubeMX工程源代码下载
- 八.小结

一.概要

STM32F407VET6 USB虚拟串口是一种采用STM32F407VET6单片机，通过USB接口连接电脑，将电脑的USB接口转换成串口接口，实现与电脑的通信的一种转换器。它可以实现与电脑的通信，还可以实现与外部设备的通信，广泛应用于工业控制、智能家居、智能硬件等领域。

本文介绍了STM32单片机USB口的基本概念，内部结构，以及用USB虚拟串口进行数据通讯的例程。

二.USB2.0基本介绍及虚拟串口介绍

USB2.0使用一对差分信号传输数据，并可以为USB设备提供电源。差分信号名称一般标示为“D+”和“D-”。
USB2.0可以支持三种传输速率：低速USB设备传输速率为1.5Mbps，全速USB设备传输速率为12Mbps，高速USB设备传输速率为480Mbps。STM32F103C8T6就属于全速USB设备传输，最快12Mbps。
在硬件电路方面，全速USB设备内部的“D+”信号应该通过1.5K的电阻上拉到3~3.6V。

USB虚拟串口，简称VCP，是Virtual COM Port的简写，它是利用 USB的 CDC类来实现的一种通信接口。我们可以利用STM32自带的USB功能，来实现一个USB虚拟串口，从而通过USB，实现电脑与STM32的数据互传。

三.STM32F407VET6单片机USB模块框图

在这里插入图片描述
USB OTG FS 通过外部石英时钟从复位和时钟控制器 (RCC) 接收 48 MHz ±0.25% 的时钟，USB 时钟用于全速 (12 Mb/s) 驱动 48 MHz 域，必须在配置 OTG FS 模块前使能。
CPU 通过 AHB 外设总线对 OTG FS 模块寄存器进行读写操作，通过USB OTG 中断线接收 USB 事件通知。
CPU 通过向特定的 OTG_FS 单元（压栈寄存器）写入 32 位字来向 USB 提交数据。数据随即自动存储到 USB 数据 RAM 中配置的数据发送 FIFO 中。每个 IN 端点（从机模式）或OUT 通道（主机模式）都有一个 Tx-FIFO 压栈寄存器。
CPU 从特定的 OTG_FS 地址（出栈寄存器）读取 32 位字，以接收来自 USB 的数据。数据随即从在 1.25 KB USB 数据 RAM 内配置的共享 Rx-FIFO 中弹出。每个 OUT 端点或 IN 通道都有一个 Rx-FIFO 出栈寄存器。
USB 协议层通过串行接口引擎 (SIE) 驱动，并通过片上物理层 (PHY) 中的全速/低速收发器
模块经由 USB 进行数据的串行通信。

四.STM32单片机USB从机模式

USB一般有两种模式，主机模式，从机模式。

USB主机模式：‌在主机模式下，‌单片机能够枚举外部USB设备，‌如键盘、‌鼠标、‌闪存盘等，‌并对其进行配置和管理。‌这种模式适用于需要同时连接多个外部设备并进行数据交换的复杂应用场景。

USB设备模式：‌在从机模式下，‌单片机作为USB设备的角色，‌可以与主机进行通信。‌这包括配置USB设备描述符、‌初始化USB控制器、‌编写类处理函数等，‌以实现特定的通信需求。‌STM32支持多种USB类，‌如CDC（‌通信设备类）‌、‌HID（‌人机接口设备类）‌、‌MSC（‌大容量存储类）‌等，‌以满足不同的应用场景。

OTG（On-The-Go）技术是一种允许设备在没有主机（如电脑）的情况下，直接与其他USB设备连接并进行数据交换的技术。OTG_FS是OTG技术的一种模式，它支持USB 2.0全速通信，速度为12Mbps。这种模式使得设备能够在不需要电脑或其他主机的情况下，实现设备间的数据交换和充电功能。

STM32F407的OTG_FS 控制器是一款双角色设备 (DRD) 控制器，同时支持从机功能和主机功能，完全符合 USB 2.0 规范的 On-The-Go 补充标准。此外，该控制器也可配置为“仅主机”模式或“仅从机”模式，完全符合 USB 2.0 规范。在主机模式下，OTG_FS 支持全速（FS，12 Mb/s）和低速（LS，1.5 Mb/s）收发器，而从机模式下则仅支持全速（FS，12 Mb/s）收发器。

OTG_FS 接口在从机模式下具有以下特性：
● 1 个双向控制端点 0
● 3 个 IN 端点 (EP)，可配置为支持批量传输、中断传输或同步传输
● 3 个 OUT 端点，可配置为支持批量传输、中断传输或同步传输
●管理一个共享 Rx FIFO 和一个 Tx-OUT FIFO，以高效使用 USB 数据 RAM
●管理多达 4 个专用 Tx-IN FIFO（分别用于每个使能的 IN EP），降低应用程序负荷
●支持软断开功能。

五.STM32F407VET6 USB设备CDC类

CDC(Communication Device Class)类是 USB2.0 标准下的一个子类，定义了通信相关设备的抽象集合，我们虚拟串口通信就是CDC类。USB2.0标准下定义了很多子类，有音频类，CDC类，HID，打印，大容量存储类HUB，智能卡等等，这些在urb.org 官网上有具体的定义，这里我们主要讲的是通信类CDC。

USB CDC类的通信部分主要包含三部分：枚举过程、虚拟串口操作和数据通信。其中虚拟串口操作部分并不一定强制需要，因为若跳过这些虚拟串口的操作，实际上USB依然是可以通信的，之所以会有虚拟串口操作，主要是我们通常使用PC作为Host端，在PC端使用一个串口工具来与其进行通信，PC端的对应驱动将其虚拟成一个普通串口，这样一来，可以方便PC端软件通过操作串口的方式来与其进行通信，但实际上，Host端与Device端物理上是通过USB总线来进行通信的，与串口没有关系，这一虚拟化过程，起决定性作用的是对应驱动，包含如何将每一条具体的虚拟串口操作对应到实际上的USB操作。这里需要注意地是，Host端与Device端的USB通信速率并不受所谓的串口波特率影响，它就是标准的USB2.0全速(12Mbps)速度，实际速率取决于总线的实际使用率、驱动访问USB外设有效速率(两边)以及外部环境对通信本身造成的干扰率等等因素组成。

USB CDC类实现了规范的下列方面：
• 设备描述符管理
• 配置描述符管理
• 枚举为具有2个数据端点（IN和OUT）的CDC设备和一个指令端点（IN）
• 请求管理
• 抽象控制模型兼容
• 联合体功能收集（使用1个IN端点控制）
• 数据接口类

CDC软件框架简介
在这里插入图片描述
黄色USB Device Core部分为USB设备库文件,属于中间件,它为USB协议栈的核心源文件，一般不需要修改。

黄色USB Device Class 部分为USB类文件，也属于中间件,USB设备库，目前ST DEMO中支持的类有HID, Customer HID, CDC, MSC, DFU, Audio, ST 提供了这些类的源码框架，其他的Class或者是复合设备需要自己根据实际需求情况进行扩展或定制。如果用户需求只是需要一个标准类，比如CDC通信，那么最好就使用现成的代码，不需要做任何修改就可以实现这个CDC类通信的功能。

蓝色USB Device HAL Driver为 HAL库部分，是对USB外设接口的封装，属于底层驱动，不需要修改，它分为PCD和LL Driver，PCD处于LL Driver之上。

红色USB Device Configuration 为 USB配置封装，位于USB底层HAL层驱动与中间件USB协议栈之间，一方面向上层(USB设备库)提供各种操作调用接口，另一方面，向底层USB驱动提供各种回调接口。正是由于它的存在，使得USB协议栈(USB设备库)与底层硬件完全分离，从而使USB设备库具有更加兼容所有STM32的通用性。USB Device Configuration为开放给用户的源文件，用户可以根据自己的某些特殊需要进行修改，也可以使用默认的源文件，假如没有任何特殊要求的话，我们使用默认即可。

绿色Application 为应用层，USB Device Class 有可能将自己对应该的操作接口封装在一个操作数据结构中，由应用来具体实现这些操作，在系统初始化时，由应用将已经定义好的操作接口注册到对应的USB类中，比如usbd_cdc_if，就这样，使得应用层的应用代码与属于中间件层的USB协议栈分离。同时，USB协议栈会将一些字符串描述符放到APP中，当USB初始化时将这些已经定义好的字符串通过指针初始化到USB协议栈中，以便后续需要时获取。

工程源码文件与软件框架的对应关系
在这里插入图片描述

六.CubeMX配置一个USB虚拟串口收发例程

用STLINK下载程序，用 USB 线接开发板USB 口，再接电脑，打开电脑上串口调试器，9600 波特率，8 位数据，无校验，发送 HELLOWORLD，板子就会返回 HELLOWORLD。
在这里插入图片描述

打开STM32CubeMX软件,新建工程
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Part Number处输入STM32F407VE，再双击就创建新的工程

配置下载口引脚
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配置外部晶振引脚
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配置USB Device

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CDC类配置
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配置系统主频168Mhz,使用外部晶振，USB是48Mhz
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配置工程文件名，保存路径，KEIL5工程输出方式
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生成工程
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用Keil5打开工程
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添加代码

接收数据处理
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发送数据处理
在这里插入图片描述

主要代码

extern USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS;
extern uint32_t Recv_dlen;
extern uint8_t UserRxBuffer[1024];
/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();//8M晶振，168M主频

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USB_DEVICE_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */


  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
		if(Recv_dlen)//判断是否接收到数据，接收置位处理在static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len)函数
		{
		
			USBD_CDC_SetTxBuffer(&hUsbDeviceFS, (uint8_t*)&UserRxBuffer, Recv_dlen);//把接收到的数据拷贝到发送
			USBD_CDC_TransmitPacket(&hUsbDeviceFS);//发送
			Recv_dlen=0;//长度清零
		}
		
    
		HAL_Delay(100);//等待100ms
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
	memcpy(UserRxBuffer,Buf,*Len);
	Recv_dlen=*Len;
  USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]);
  USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);
  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 6 */
}