STM32 USB系列之虛擬串口
這段時間緩慢更新一下stm32 usb系列的博客，前段時間在多個地方零零散散的學習和使用USB協議，在網上查找的資料也是零零散散的，整理一下寫成博客。
1. 開發環境
使用stm32f103c8t6，HAL庫，使用CUBE自帶的USB庫。工程使用vscode+gcc編譯，工程文件在文末鏈接下載，提供makefile和keil兩個版本。
2. 功能介紹
使用stm32 USB功能完成USB轉串口功能，使用引腳配置如下：
使用USART1作爲調試信息輸出，USART2作爲串口輸出，LED爲系統指示。
3. CubeMX 配置
設置系統時鐘爲72MHZ，調試串口UASART1波特率爲921600（選擇高波特率，少佔用中斷時間），USART2波特率默認爲115200，開啓中斷。
選擇USB Device功能，速度爲默認全速USB設備12MHZ，並使能USB_DEVICE庫，選擇Virtual Port Com （虛擬串口，VPC），使用默認配置。
設置系統時鐘爲72MHZ，然後生成工程。
4.軟件部分
使用cube生成的代碼編譯下載後，將USB插入電腦，在電腦設備管理器中將顯示新的串口設備（使用STM32的USB VPC時需要對應的驅動程序，驅動在程序也在文末的鏈接中）
在串口調試助手中，可打開或關閉串口，不過此時還沒有任何功能。
4.1 發送函數
接下來進行功能配置，虛擬串口的主要配置代碼在 src->usbd_cdc_if.c中，其中幾個重要函數爲：
static int8_t CDC_Control_FS(uint8_t cmd, uint8_t* pbuf, uint16_t length);
static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len);
uint8_t CDC_Control_FS(uint8_t* Buf, uint16_t Len);
uint8_t CDC_Transmit_FS(uint8_t* Buf, uint16_t Len);函數用於向USB VPC發送數據，Buf爲待發送的數據緩衝區地址，Len爲待發送數據長度。
/*示例一，在main函數中的while循環中輸入下列代碼
在連接打開串口助手後可接收到數據*/
while(1)
{
CDC_Control_FS((uint8_t *)"hello\n",6);
HAL_Delay(1000);
}
在編譯下載後，將USB插入電腦，使用川酷哦調試助手將會每秒接收到一次"hello"。
4.2 USB上電重新枚舉
在使用上面代碼的時候存在一個問題：每次下載完程序後都需要重新拔插一次USB纔可以識別串口，這是由於芯片在下載完程序後沒有重新枚舉所導致的。需要在設備上電後對USB進行重新枚舉即可，使用方法爲將USB DP（PA12）引腳拉低一段時間後即可。
/*USB 重新枚舉函數*/
void USB_Reset(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_12,GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(100);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_12,GPIO_PIN_SET);
}
該函數使用時應放在USB初始化之前，或者使用其他IO控制三極管拉低電平。
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
USB_Reset();
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_USART1_UART_Init();
MX_USB_DEVICE_Init();
MX_USART2_UART_Init();
重新下載上電後，可發現串口已重新枚舉識別，只需重新開啓串口調試助手即可。
4.3 USB接收函數
static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len)爲USB接收回調函數，在USB VPC接收到數據時，會進入該函數，在該函數中進行USB數據接收處理即可。
USB轉串口設備，需要在stm32的USB端接收到數據後轉發到stm32 串口端
static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len)
{
/* USER CODE BEGIN 6 */
extern UART_HandleTypeDef huart2,huart1;
/*將USB接收到的數據轉發到USART2*/
HAL_UART_Transmit_IT(&huart2,Buf,*Len);
USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]);
USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);
return (USBD_OK);
/* USER CODE END 6 */
}
在stm32虛擬的串口中發送數據，可在stm32的USART2的TX引腳（PA2）收接收到數據。
4.4 設置USB虛擬串口波特率
在前面的發送和接收中，均不能進行波特率設置，usb發送到串口的數據波特率爲默認值115200。
USB的波特率配置在static int8_t CDC_Control_FS(uint8_t cmd, uint8_t* pbuf, uint16_t length)函數中，cmd爲usb cdc的控制命令，pbuf爲數據接收指針，length爲數據長度。
當cmd爲0x20時爲設置虛擬串口波特率;
其接收到的數據一共七位，數據格式定義(小端模式)如下：
| 偏移 | 含義 | 數據大小 | 說明 |
|---|---|---|---|
| 0-3 | 波特率 | 4字節 | 串口波特率，位每秒 |
| 4 | 停止位 | 1字節 | 0 ~ 一位停止位、1 ~ 1.5位停止位 、2 ~ 2位停止位 |
| 5 | 校驗位 | 1字節 | 0無校驗、1奇校驗、2偶校驗、3、4~是啥我也不知道了 |
| 6 | 數據位 | 1字節 | 5，6，7，8，16 |
由於stm32芯片並不支持這麼多串口參數，在無對應參數時使用默認配置。在接收到修改波特率命令後修改USART配置。
case CDC_SET_LINE_CODING:
{
extern UART_HandleTypeDef huart2;
huart2.Init.BaudRate=*((uint32_t*)pbuf);
switch (pbuf[4])
{
case 2:
huart2.Init.StopBits=UART_STOPBITS_2;
break;
default:
huart2.Init.StopBits=UART_STOPBITS_1;
break;
}
switch (pbuf[5])
{
case 1:
huart2.Init.Parity=UART_PARITY_ODD;
break;
case 2:
huart2.Init.Parity=UART_PARITY_EVEN;
break;
default:
huart2.Init.Parity=UART_PARITY_NONE;
break;
}
huart2.Init.WordLength=UART_WORDLENGTH_8B;
HAL_UART_Init(&huart2);
}
break;
配置完成後，在串口調試助手中修改波特率，可該改變對應串口數據輸出波特率，實測1.5M波特率可正常運行。
4.5 串口接收數據
在前面部分已經完成了USB轉串口的發送部分，還有USB轉串口的接收部分未完成。
該部分實現思路爲在串口中斷中接收數據，然後將數據發送至USB。
不過由於USB協議並不是實時發送，經過測試兩次連續調用CDC_Transmit_FS小於100us將導致數據丟包，.並且由於USB緩衝區大小原因，一次性發送或接收大量數據將會嚴重丟包。
故使用循環隊列對發送接收數據進行緩衝，在發送和接收數據時先進入緩衝區，然後使用定每隔500us定時將緩衝區數據分包發送。
附件
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