如何使用stm32 USB功能完成USB转串口功能

1. 开发环境

使用stm32f103c8t6，HAL库，使用CUBE自带的USB库。工程使用vscode+gcc编译，工程文件在文末链接下载，提供makefile和keil两个版本。

2. 功能介绍

使用stm32 USB功能完成USB转串口功能，使用引脚配置如下：

使用USART1作为调试信息输出，USART2作为串口输出，LED为系统指示。

3. CubeMX 配置

设置系统时钟为72MHZ，调试串口UASART1波特率为921600（选择高波特率，少占用中断时间），USART2波特率默认为115200，开启中断。

选择USB Device功能，速度为默认全速USB设备12MHZ，并使能USB_DEVICE库，选择Virtual Port Com （虚拟串口，VPC），使用默认配置。

 

设置系统时钟为72MHZ，然后生成工程。

4.软件部分

使用cube生成的代码编译下载后，将USB插入电脑，在电脑设备管理器中将显示新的串口设备（使用STM32的USB VPC时需要对应的驱动程序，驱动在程序也在文末的链接中）

在串口调试助手中，可打开或关闭串口，不过此时还没有任何功能。

4.1 发送函数

接下来进行功能配置，虚拟串口的主要配置代码在 src->usbd_cdc_if.c中，其中几个重要函数为：

 

 

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);函数用于向USB VPC发送数据，Buf为待发送的数据缓冲区地址，Len为待发送数据长度。

 

 

/*示例一，在main函数中的while循环中输入下列代码
        在连接打开串口助手后可接收到数据*/
while(1)
{
    CDC_Control_FS((uint8_t *)"hello
",6);
    HAL_Delay(1000);
}

 

 

在编译下载后，将USB插入电脑，使用川酷哦调试助手将会每秒接收到一次"hello"。

4.2 USB上电重新枚举

在使用上面代码的时候存在一个问题：每次下载完程序后都需要重新拔插一次USB才可以识别串口，这是由于芯片在下载完程序后没有重新枚举所导致的。需要在设备上电后对USB进行重新枚举即可，使用方法为将USB DP（PA12）引脚拉低一段时间后即可。

 

 

/*USB 重新枚举函数*/
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);
}

 

 

该函数使用时应放在USB初始化之前，或者使用其他IO控制三极管拉低电平。

 

 

 /* 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();

 

 

重新下载上电后，可发现串口已重新枚举识别，只需重新开启串口调试助手即可。

4.3 USB接收函数

static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len)为USB接收回调函数，在USB VPC接收到数据时，会进入该函数，在该函数中进行USB数据接收处理即可。

USB转串口设备，需要在stm32的USB端接收到数据后转发到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;
  /*将USB接收到的数据转发到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虚拟的串口中发送数据，可在stm32的USART2的TX引脚（PA2）收接收到数据。

4.4 设置USB虚拟串口波特率

在前面的发送和接收中，均不能进行波特率设置，usb发送到串口的数据波特率为默认值115200。USB的波特率配置在static int8_t CDC_Control_FS(uint8_t cmd, uint8_t* pbuf, uint16_t length)函数中，cmd为usb cdc的控制命令，pbuf为数据接收指针，length为数据长度。

当cmd为0x20时为设置虚拟串口波特率;

其接收到的数据一共七位，数据格式定义(小端模式)如下：

由于stm32芯片并不支持这么多串口参数，在无对应参数时使用默认配置。在接收到修改波特率命令后修改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;

 

 

配置完成后，在串口调试助手中修改波特率，可该改变对应串口数据输出波特率，实测1.5M波特率可正常运行。

4.5 串口接收数据

在前面部分已经完成了USB转串口的发送部分，还有USB转串口的接收部分未完成。

该部分实现思路为在串口中断中接收数据，然后将数据发送至USB。

不过由于USB协议并不是实时发送，经过测试两次连续调用CDC_Transmit_FS小于100us将导致数据丢包，.并且由于USB缓冲区大小原因，一次性发送或接收大量数据将会严重丢包。

故使用循环队列对发送接收数据进行缓冲，在发送和接收数据时先进入缓冲区，然后使用定每隔500us定时将缓冲区数据分包发送。

编辑：黄飞