cubeIDE开发， stm32的USB从设备串口驱动设计

news/2024/5/13 21:35:05/文章来源:https://blog.csdn.net/py8105/article/details/128235340

一、USB_OTG简介

USB_OTG（OTG，ON THE GO）是一款双角色设备(DRD) 控制器，同时支持从机（USB DEVICE）功能和主机（USB HOST）功能。在主机模式下，OTG 支持全速（OTG_FS，12 Mb/s）和低速（OTG_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。主机模式下需要的唯一外部设备是提供VBUS的电荷泵。在驱动实现层面，USB OTG是USB Device和USB Host 的基础。在实际使用，USB OTG是USB Device和USB Host 的底层驱动。

stm32芯片的通常USB物理接口管理两个引脚：

DP/DM：内置上下拉，由控制器来设置不同类型的需求

OTG实现时，额外配置ID引脚：
ID：检测插入的线是B端还是A端，用于区分A类和B类设备，

USB Host 模式下，需加配置Vbus引脚：
Vbus：内置检测器，用于测试UBUS的有效性

额外地需要支持SOF和NOF时，需要加配置SOF和NOF引脚。

例如本文采用的STM32L496VGT3芯片，其配置支持到的引脚如下：

USB协议栈的层次划分

    一个Host可能有一个或者多个Device
    一个Device可能有一个或者多个Interface
    一个Interface可能有一个或者多个Endpoint

Host（主机）连的是Device（设备），这一层是走物理连接的，也就是信号线实际连接两台设备。

Device（设备）下可能有多个Interfece（接口），从这开始是逻辑概念，一个Interface，就是一个独立的功能接口，每个Interface模拟一个设备功能，比如集成了键盘和鼠标的USB设备，里面就是两个interface，一个是键盘，另一个是鼠标。Interface之间通常是隔离的，互相不干扰。
每个Interface（接口）下面有一个或者多个Endpoint（端点），这也是逻辑概念，例如控制信号端口、数据信号端口等。端点是USB设备通信的基本单位，所有通信几乎都是从端点发起的。

二、创建工程及USB_Device配置

本博文基于STM32L496VGTX3芯片实现，参考本专栏的博文：

cubeIDE开发， stm32的OLED点亮及字符显示设计（基于SPI通信）_py_free的博客-CSDN博客_stm32 hal spi oled

基于该工程的(.ioc)文件创建了新工程stm32L496VGTx_USB，并移植了相关源码，实现了lpusart通信以及lcd显示字体。

现打开工程的(.ioc)配置文件，进入cubeMX配置界面，开启USB_OTG_FS的USB Device功能，参数保持默认配置。

确保USB_OTG_FS的中断功能已经开启。

开启USB_OTG_FS的USB Device选项后，Middleware栏目可以去配置USB_Device信息，本文MCU作为USB_Device与笔记本电脑USB_HOST相连接，实现串口通信收发数据，因此选择通信类型虚拟串口功能，如下图所示，参数保持默认。

设备描述符按默认设置：

由于USB驱动引入了中间件代码，并比较复杂，需要更多缓存支持，现进入工程配置页面，调整min heap size和min stack size为合适的值，防止因数值较少而出现无法编译、编译异常、运行错误等情况出现。

点击保存输出生成代码，关于USB_Device驱动相关代码如下，其中usb_cdc_if.h/c源码是用户可修改源文件：

三、USB_Device驱动实现设计

【1】在usb_cdc_if.h中，添加USB相关全局变量（接收缓存数组、最大长度、接收标记及长度）

/* USER CODE BEGIN INCLUDE */
#define USB_REC_LEN   256//定义USB串口最大接收字节数
extern uint8_t USB_RX_BUF[USB_REC_LEN];//接收缓冲,最大USB_REC_LEN个字节.末字节为换行符
extern uint16_t USB_RX_STA;//接收状态标记（接收到的有效字节数量）
/* USER CODE END INCLUDE */

【2】在usb_cdc_if.h中，添加USB打印输出函数USB_printf声明

/* USER CODE BEGIN EXPORTED_VARIABLES */
void USB_printf(const char *format,  ...);//USB模拟串口的打印函数
/* USER CODE END EXPORTED_VARIABLES */

【3】在usb_cdc_if.c中，调整USB接收函数

static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len)
{/* USER CODE BEGIN 6 *///新增代码开始处if(*Len<USB_REC_LEN)//判断收到数据量是否小于寄存器上限{uint16_t i;USB_RX_STA = *Len;//将数据量值放入标志位for(i=0;i<*Len;i++)//循环（循环次数=数据数量）USB_RX_BUF[i] = Buf[i];//将数据内容放入数据寄存器}//新增代码结束处USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]);USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);return (USBD_OK);/* USER CODE END 6 */
}

【4】在usb_cdc_if.c中，调整USB发送函数

uint8_t CDC_Transmit_FS(uint8_t* Buf, uint16_t Len)
{uint8_t result = USBD_OK;/* USER CODE BEGIN 7 *///注释旧代码
//  USBD_CDC_HandleTypeDef *hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef*)hUsbDeviceFS.pClassData;
//  if (hcdc->TxState != 0){
//    return USBD_BUSY;
//  }
//  USBD_CDC_SetTxBuffer(&hUsbDeviceFS, Buf, Len);
//  result = USBD_CDC_TransmitPacket(&hUsbDeviceFS);//新增新代码uint32_t TimeStart = HAL_GetTick();USBD_CDC_HandleTypeDef *hcdc =  (USBD_CDC_HandleTypeDef*)hUsbDeviceFS.pClassData;while(hcdc->TxState){if(HAL_GetTick()-TimeStart > 10)return USBD_BUSY;elsebreak;}USBD_CDC_SetTxBuffer(&hUsbDeviceFS, Buf,  Len);result =  USBD_CDC_TransmitPacket(&hUsbDeviceFS);TimeStart = HAL_GetTick();while(hcdc->TxState){if(HAL_GetTick()-TimeStart > 10)return USBD_BUSY;}/* USER CODE END 7 */return result;
}

【5】在usb_cdc_if.c中，实现USB打印输出函数USB_printf定义

/* USER CODE BEGIN PRIVATE_FUNCTIONS_IMPLEMENTATION */
#include <stdarg.h>
void USB_printf(const char *format, ...)//USB模拟串口的打印函数
{va_list args;uint32_t length;va_start(args, format);length = vsnprintf((char  *)UserTxBufferFS, APP_TX_DATA_SIZE, (char  *)format, args);va_end(args);CDC_Transmit_FS(UserTxBufferFS, length);
}
/* USER CODE END PRIVATE_FUNCTIONS_IMPLEMENTATION */

【6】在main.c文件中，添加USB驱动头文件支持

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "../../ICore/led/led.h"
#include "../../ICore/oled/oled.h"
#include "../../USB_DEVICE/App/usbd_cdc_if.h"
/* USER CODE END Includes */

【7】在main主函数初始化处

  /* USER CODE BEGIN 2 */OLED_init();//设置OLED蓝色背景显示BSP_LCD_Clear_DMA(LCD_DISP_BLUE);printf("OLED_Clear_DMA\r\n");/* USER CODE END 2 */

【8】在main主函数循环体内实现

  /* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){//USB模拟串口的查寻接收处理（其编程原理与USART1串口收发相同）if(USB_RX_STA!=0)//判断是否有数据{OLED_printf(10,42,"%.*s",USB_RX_STA, USB_RX_BUF);Toggle_led1();USB_RX_STA=0;//数据标志位清0memset(USB_RX_BUF,0,sizeof(USB_RX_BUF));//USB串口数据寄存器清0HAL_Delay(10);//等待}/* USER CODE END WHILE */