STM32 -- USB CDC 虚拟串口通信

【 STM32开发 】2024-10-13 9:09

本篇操作:

  • 通过CubeMX + Keil，配置STM32作为USB设备端，与电脑上位机进行通信（CDC）；
  • 通用带USB功能的 STM32 芯片 （如F1、F4等，系统时钟配置不同，代码通用）。

目录

[一、 STM32内置USB、虚拟串口简述](#一、 STM32内置USB、虚拟串口简述)

[二、CubeMX 新建工程](#二、CubeMX 新建工程)

[三、Keil 工程配置](#三、Keil 工程配置)

四、实现USB模拟插拔

五、发送

六、发送优化（连续发送）

七、接收

八、接收优化（在外部处理数据）

一、 STM32内置USB、虚拟串口简述

STM32 芯片，绝大部分型号都带内置USB，如常用的 F1、F4、H7、G4 等系列，能够通过USB接口与计算机或其他USB设备进行通信。

STM32内置的USB，均可支持USB 2.0标准，可以支持三种传输速率：

  1. 高速模式：最高可达480 Mbps （部分型号支持，且需搭配外部芯片，不常用 )
  2. 全速模式：最高可达12 Mbps (最常用）
  3. 低速模式：最高可达1.5 Mbps

高速模式 ，需要搭配外围USB PHY芯片，如USB3300，硬件成本偏高 。
全速模式，电路很简单。从机在PCB布线时，仅需把STM32的引脚PA11、PA12, 连接至USB座的DP、DM，然后，PA12(DP线)用1.5K电阻上拉至3.3V。具体如下图：

上拉说明

插拔检测：设备未插入时，主机端DP、DM为低电平，当发现被置高，即为有设备插入；

区分速率：DM线上拉是低速模式，DP线上拉是全速\高速模式；

上拉电压：3.3V。USB通信电平是3.3V，而不是总线供电的5V。

USB虚拟串口，简称VPC，Virtual Port Com 的简写。但更习惯于把虚拟串口叫作: CDC，因为它是利用 USB 的 CDC类 实现的一种通信接口。

我们可以利用STM32自带的USB功能，通过CubeMX的配置，很方便地实现一个USB虚拟串口，从而通过USB线，实现电脑与STM32的数据互传。

哪些win系统支持虚拟串口？

Win10、Win11 已带虚拟串口驱动；无需安装任何驱动;

Win7 要提前手动安装驱动，否则无法识别 ：虚拟串口驱动 下载

二、CubeMX 新建工程

本篇为了工程的清晰，将从0开始， 新建一个虚拟串口通信的工程。

日常做项目，不建议新建，而是复制已有的旧工程，通过CubeMX增删需要的功能。

这样能减少一些常用功能的再次配置，如按键、UART等；

复用旧工程里已验证过的功能，能有效地减少常用功能的调试时间。

1、以芯片型号新建

2、搜索芯片型号

3、设置调试模式

进入配置页面后，养成习惯，优先设置调试模式：Serial Wire。

4、选择晶振源

外部高速晶振源(HSE)：Crystal/Ceramic Resonator

5、USB工作模式

USB_OTG_FS：选择 Device_Only; 设备模式(从机模式); 其它参数，默认。

有些芯片型号，如F103系列，CubeMX上的显示是：USB_FS，配置步骤是一样的。

6、中间件组件

USB_DEVICE：选择 CDC (VPC)； 其它参数，默认;

6、配置系统时钟

① 当启用USB功能后，进入时钟配置页面时，弹窗： 是否自动配置系统时钟? 选择：No !

② 先确认板上的晶振值

  • 配置时钟前，很重要的一个事：先核对开发板上的晶振频率（在晶振上的数字）！
  • 晶振频率配置错误时，编译不会报错，但系统可能不运行、通信错乱等，后期排查很费时间！
  • 目前STM32的板子，常用的外部高速晶振有三种：8M、12M、25M。

③ STM32F103 时钟配置：

晶振值 输入分频 输出倍频 USB分频 APB1分频 APB2分频 系统 时钟
8 1 9 1.5 2 1 72MHz

④ STM32F4xx 时钟配置：

注意：F4系列，各板商略有不同，大部分是25M, 少部分是8M，使用效果一样。

晶振值 输入分频 输出倍频 输出分频 USB分频 APB1分频 APB2分频 系统时钟
25 25 336 2 7 4 2 168MHz

7、工程配置

  • 工程名称、路径，这两项，必须英文。否则，生成的工程将会缺少启动文件
  • 开发工具：MDK-ARM, 即生成Keil工程
  • 堆大小，建议：0x400
  • 栈大小，建议：0x1000

8、文件和代码的配置

9、生成

稍等 片刻：

生成的工程文件夹：

Keil工程的入口文件：

三、Keil 工程配置

按上述，双击打开Keil工程。

1、新建的工程，需要设置一次仿真器参数 。（ 点击 OK 保存，否则无效**）**。

2、配置常用的调试选项

下面这两项是非必要的，建议打勾使用；编译后生效; 打勾会令编译速度变慢；

  • Debug Infomation: 生成调试信息。debug模式中无法设置断点，就是这个选项没打勾。
  • Bowse Infomation: 生成追踪信息。如，右击函数、变量，点击弹出菜单：Go To Definition...

3、编译 验证

  • 0 Error，正程正常。
  • 有 Error，失败；应该是 (2-7) 那一步工程名称、路径有中文。修改后重新生成即可。
  • 先别烧录，别烧录，别烧录。

四、实现USB模拟插拔

通过 CubeMX 配置后生成的工程，它已带需要的初始化代码、配置代码、基础函数等。

我们只需在工程里，按需进行简单的配置、修改代码，即可使用。

1、包含 USB接口 的头文件

  • 打开 main.c文件，大约第26行，配对的 **/* USER CODE ...... Includes */**注释之间,
  • 添加：#include "usbd_cdc_if.h"

完成后，是这个样子的：

2、增加 USB模拟插拔

我们在调试STM32程序期间，需要反复地 修改程序、编译、烧录; 这是常规操作，用于调试其它通信模块，如DHT11、ESP8266等，是没有问题的，但用于调试USB的通信，就会翻车。

当虚拟串口所用的USB线一直插在USB口上，程序重新烧录后，程序的重新运行，将导致通信错误、USB端口"假死"等现象;

上文中已介绍，电脑端USB口没有插入设备时，DP和DM线，是低电平状态，而设备端的DP线，有1.5K电阻上拉到3.3V，当设备插入到电脑USB口，USB口的DP线就会被置高电平，主机是依靠这个机制判断设备是否插入、拔出，继而触发不同的动作，如枚举、释放端口等。

当虚拟串口所用的USB线一直插在USB口上，在STM32烧录程序重新运行后，程序里的USB代码等待着主机方发起枚举过程；而这个期间虚拟串口的USB线没有断开，主机方认为设备方一直在线，早已枚举成功，一直对其轮询数据收发。双方"南辕北辙，胡言乱语"，注定翻车。

正常操作是：每次烧录前，先把虚拟串口的USB线拔下来，烧录好了，再插上，......。

为了避免调试期间频繁地手动操作，我们可以在程序开跑后、USB初始化前，用代码把PA12置低，使D+线为低电平，持续一段时间，模拟USB拔出动作，令主机认为设备已断开连接，释放端口;

然后，当程序运行到后面的USB初始化函数时，PA12会被正常配置（DP线电平被置高)，USB主机就会"发现"有设备插入，开始尝试枚举、配置;

具体操作：

  • 打开 usbd_conf.c文件，大约第70行附近，找到HAL_PCD_MspInit ( )函数;
  • 在两对 /* USER ... 0 */ 注释之间，约75行，添加PA12引脚置低电平操作, 如下（可复制）:
cpp 复制代码 
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();                   // 使能GPIOA端口
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;              // 引脚PA12, 即D+
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;     // 引脚工作模式
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;           // 下拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;    // 引脚反转速度
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);         // 初始化
    HAL_Delay(5);                                   // 持续片刻

注意，最后一行的延时，是必须的，建议在5ms左右;

完成后，是这个样子的：

增加这段代码后，再无需手动插拔 虚拟串口的USB 线了，程序将模拟 " 断开、插入";

再次编译，确保上述操作正常 （先别烧录）。

五、发送

发送数据的函数;

cpp 复制代码 
uint8_t  CDC_Transmit_FS ( uint8_t* Buf,  uint16_t Len );

函数接受两个参数：数据缓冲区的地址、字节数。

如果USB设备正忙，它会返回USBD_BUSY状态。

这个函数的作用是设置传输数据的缓冲区，并标记数据包为待发送。数据并非立刻发出，而是被存储在USB外设的缓冲区中，等待主机轮询请求传输。

发送操作：

  • 在main.c 的 while 循环中，添加三行测试代码：1行延时、两行发送数据;

注意：是共三行，1行间隔延时，2行发送，下面会解释具体原因！

新手，要省时间，就请按步骤操作 ：

  • 先别插虚拟串口所用的USB线
  • 编译、烧录代码
  • 打开串口助手, （这时是没有插虚拟串口USB线的），查看目前有哪些端口号
  • 插入虚拟串口的USB线，到开发板的 USB-Slave接口
  • ( 前提：win10、11系统已带虚拟串口驱动; win7要手动安装驱动：虚拟串口下载)
  • ( 电脑会自动识别到设备；如果是第一次使用虚拟串口，电脑将自动安装驱动程序)
  • 检查串口助手，发现多了一个端口号， 选择它，波特率等参数不用修改，打开端口;

接线，如下图（示例所用的开发板）：

  • 左侧为用户USB接口，已连接PA11、PA12，我们就是用这个U口实现虚拟串口通信。
  • 右侧是板载仿真器CMSIS DAP的接口，它自带了USB转TTL功能。

注意端口的选择：

当使用的开发板，已带USB转TTL功能，如上面这个。在烧录虚拟串口的程序后，串口助手会有至少两个端口号：板子自带的USB转TTL（右侧）、程序实现的虚拟串口（左侧），注意不要选择错了。

如果不知道哪根线对应哪个端口：在烧录后，拔一下USB线，看看哪个端口消失了。

另一方法，有些串口助手的端口列表，能显示设备信息，找到带"STM..."描述的那个。

现在能看到，串口助手能接收到程序持续发出的数据了！

效果如下图：

六、发送优化（连续发送）

上节的发送，实现时，只能收到第一行"Hello"，而第二行发出的数据:"借点钱 "却没收到！！

不是没收到。其实，从STM32程序的角度，是没有发出数据！

先说说，USB虚拟串口通信的几个重点 (特指：USB2.0、全速模式、中断传输）：

  • USB是轮询机制，主机对设备不断轮询，间隔最小1ms；不是固定的1ms, 是最小间隔时间;
  • USB的数据，是按包传输的;
  • 每个设备，每1ms，最多传输1包数据;
  • 每包最多64字节（有效负载）;

再说说，CDC_Transmit_FS ( ) 函数：

  • 它的第2个参数，"字节数"，范围：0~2048; 这个2048可以在CubeMX里进行设置大小;
  • 字节数 <= 64，算1包。如：发3个字节，也算1包。
  • 字节数 == 0，也算1包。俗称：空包; 如果上一帧刚好发送64字节，再发一个空包作为结束包;
  • 字节数 > 64， CDC_Transmit_FS ( ) 背后有缓存，它自动分包，1ms左右发1包，直至发完;
  • 如果上一包还没发完，再次调用CDC_Transmit_FS ( ) ，将放弃本次调用。

上面while循环中，连续、两次调用CDC_Transmit_FS ( ) .

  • 第1次调用，将正常发出一包数据;
  • 第2次调用，再发送一包。但是，没有间隔1ms以上，导致了第2次的发送，被舍弃了。

我们先打开 CDC_Transmit_FS ( ) 函数，看看函数原型。

在代码中，右击CDC_Transmit_FS ( ) ，弹出菜单，选择Go To Definition...，将跳转到函数位置;

或者，在左侧文件树中，双击打开usbd_cdc_if.c 文件 ，CDC_Transmit_FS ( ) 位于大约280行 ;

特别注意：

usbd_cdc_if.c是应用层文件，我们对收、发有啥特殊需求，通过修改文件里的发送函数、接收回调函数、类请求函数，基本都能实现。

下图，是 **CDC_Transmit_FS ( )**函数截图。

红框的内容：当设备忙时，直接放弃发送,：

修改：

  • 注释掉 if 体3行代码;
  • 增加等待发送空闲、判断超时，如下6行;
  • 整个CDC_Transmit_FS ( ) 函数，如下:（可复制）
cpp 复制代码 
uint8_t CDC_Transmit_FS(uint8_t *Buf, uint16_t Len)
{
    uint8_t result = USBD_OK;
    /* USER CODE BEGIN 7 */
    
    USBD_CDC_HandleTypeDef *hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef *)hUsbDeviceFS.pClassData; // 获得设备的状态信息结构体
    // if (hcdc->TxState != 0){
    // return USBD_BUSY;
    // }
    uint32_t timeStart = HAL_GetTick();
    while (hcdc->TxState)
    {
        if (HAL_GetTick() - timeStart > 20)
            return USBD_BUSY;
    }

    USBD_CDC_SetTxBuffer(&hUsbDeviceFS, Buf, Len);
    result = USBD_CDC_TransmitPacket(&hUsbDeviceFS);

    /* USER CODE END 7 */
    return result;
}

完成后，是这个样子：

再次编译、烧录程序。

串口助手，现在是这个样子的：

连续发送已实现了。

上述方法能够解决连续发送失败的问题。

但它存在一个显著缺点：由于其阻塞性质，频密连续发送时，将导致运行"死等"，影响程序效率。

（对于大部分场景，上述方法已足够。本节内容，只是为你预埋一种备用思路，无需死磕。）

如果项目对实时性有较高的要求，可以通过结合使用发送数据函数 CDC_Transmit_FS() 和发送完成回调函数 CDC_TransmitCplt_FS() 来提高传输效率。CDC_TransmitCplt_FS() 会在 CDC_Transmit_FS() 函数发送数据完毕后自动被调用。

根据这两个函数的特点，可以设计一套高效的发送缓存机制。例如，可以维护一个发送队列，当 CDC_Transmit_FS() 完成发送后，CDC_TransmitCplt_FS() 被调用时，从队列中取出下一个数据项进行发送，这样可以确保数据传输的连续性。

这个发送完成回调函数 CDC_TransmitCplt_FS() ，位于发送函数 CDC_Transmit_FS() 的正下方。

至于具体的代码实现，不同项目需求各异，无法提供一个通用的解决方案。因此，需要根据具体的项目需求，进行针对性的设计和优化，不能一药治百病。

七、接收

1、接收方式的简述

当USB CDC接收到来自USB主机的数据时，触发中断进入中断函数，继而自动调用接收回调函数:

cpp 复制代码 
int8_t  CDC_Receive_FS (uint8_t* Buf, uint32_t *Len);
  • uint8_t* Buf: 指向接收缓冲区的指针，即数据缓存的地址。
  • uint16_t* Len: 当前数据包的字节数。

我们就在这个回调函数里，处理接收到的数据！

它在 usbd_cdc_if.c文件，位于发送函数的正上方；

函数内部，生成的代码里，只有2行执行代码，指定下次接收的存放位置; 如下图所示：

而本次所接收到的数据，该如何处理，需要我们自行添加代码。

注意事项：

  • 每当接收到一包数据，硬件自动触发中断函数， 继而调用此接收回调函数，无需人工调用。
  • 与发送机制相似，每间隔1ms，最多接收1包数据，每包最大64字节。。
  • 如果需要接收超过64字节的数据帧，注意，指上位机发送的1个完整数据帧，而非USB的单包数据，如，上位机发来一张图片数据，8350个字节，则需要在此回调函数中添加额外的代码来判断帧数据传输完整结束 、手动将多个数据包拼接成完整的数据帧。
  • 接收到数据时，缓存不会提前自动清零，新数据从Buf的起始位置开始，覆盖存放。
  • 由于该回调函数是被中断函数调用的，因此建议函数内部的处理尽可能地简短，以避免影响系统的实时性（中断函数运行期间，会令程序持续挂起）。

2、接收示范

本节将示范：

  • 通过串口助手，发送字符串
  • STM32（设备方）收到数据后，把收到的字节数、字符串，发回串口助手显示（主机方）

在函数内的注释行 /* USER CODE BEGIN */ 下方，添加4行自定义代码（可复制）。

cpp 复制代码 
    char myStr[64] = {0};                                                     // 定义一个数组，用于存放要输出的字符串
    sprintf(myStr, "\r\r收到 %d 个字节；\r内容是：%s\r\r", *Len, (char *)Buf); // 格式化字符串
    CDC_Transmit_FS((uint8_t *)myStr, strlen(myStr));                         // 发送
    memset(Buf, 0, 64);                                                       // 处理完数据，清0接收缓存;

注意：

  • 用char 声明myStr[ ], 是因为此处想把它作为一段字符串空间;
  • sprintf是C语言标准输入输出库的函数，如果报错没有这个函数，就：#include <stdio.h>
  • 获取字节数，是*Len，而不是Len; 因为它在函数参数里的声明，是一个指针;
  • 为了格式化成字符串，Buf用了(char*)进行强制转换成字符类型;
  • CDC_Transmit_FS( )里，用了strlen获取字符串的字节数，它只对字符串有效，对其它数据类型无效; 如果报错没有这个函数，就：#include <string.h>
  • 如果传输的是16进制数，用uint8_t 声明上面数组，然后修改sprintf的格式化方式。

添加完成后，文件是这样子的：

再次编译、烧录程序。

串口助手，打开对应的端口号（波特率等参数不用修改），

在发送区，以ASCII方式，发送字符串（因为添加的代码里用%s格式化，处理的是字符串)，

然后，串口助手的接收区，马上能接收到刚才发出的数据！

至此，已实现接收的处理。

八、接收优化（在外部处理数据）

上面，我们已实现：获取、使用接收到的数据。

在接收回调函数中，直接操作数据的发送，通常是安全的，因为这种操作耗时非常短，最多等待1次主机轮询周期（1ms）。这种情况下，不会对系统的稳定性和数据接收造成显著影响。

但是，如果在接收回调函数中执行耗时较长的操作，如显示到LCD或存储到Flash等，这些操作可能需要数毫秒到数十毫秒才能完成。耗时较长的操作，可能会导致接收过程中出现漏包现象。

因为接收回调函数是由USB中断服务程序调用的，属于中断处理的一部分，在回调函数执行期间，主程序还处于中断挂起状态，其他代码和中断也会被暂停执行，形象地描述："卡死"。

如果中断服务程序的执行操作较耗时，会导致下一包数据无法及时进入中断，从而造成数据丢失。

举例说明：

  • A (主机)每隔1ms扔出1枚鸡蛋，B(中断服务函数）负责接鸡蛋。
  • 当B处置鸡蛋的时间占时极短（只要比A扔出的间隔更短，如0.5ms），那，没问题。
  • 当B处置鸡蛋的时间较长，接了鸡蛋还要写上价格，再放置到货架，共20ms， 那肯定就接不住A持续扔过来的鸡蛋了，每接1个，就会丢失后面的19个，再接1个，再丢失19个.......

我们需要采取一种策略，使得程序的中断响应、"卡死"占时，尽可能地短：

  • 接收数据：在中断回调函数中，我们仅执行必要的数据复制操作，即把接收到的数据迅速复制到外部缓存中。这一操作的耗时通常在us级别;
  • 处理数据：在主程序的while循环中，我们再对数据进行进一步的处理。由于这一处理过程不占用中断资源，因此不会影响程序对新数据的接收;

这种策略通过分离数据接收和数据处理两个步骤，确保了程序能够快速响应连续的数据流，同时避免了因处理时间过长而导致的数据丢失。

操作共4个步骤，具体如下：

1、增加全局变量

在usbd_cdc_if.c文件大约97行，配对的注释内，定义两个变量：

cpp 复制代码 
/* USER CODE BEGIN PRIVATE_VARIABLES */
uint8_t  myUsbRxData[64] = { 0 };   // 接收到的数据
uint16_t myUsbRxNum = 0;            // 接收到的字节数

/* USER CODE END PRIVATE_VARIABLES */

现在，它俩只是本地变量，等会要在main中用extern再声明一次，才能被外部调用。

完成后，是这个样子的：

2、修改接收回调函数

在CDC_Receive_FS() 里，删除我们上节增加的测试代码;

把Buf和*Len的数据，复制到我们刚才的两个变量里。函数修改成：

cpp 复制代码 
static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t *Buf, uint32_t *Len)
{
    /* USER CODE BEGIN 6 */
    // 把Buf里面的数据，复制到外部缓存
    memset(myUsbRxData, 0, 64);                     // 清0缓存区 
    memcpy(myUsbRxData, Buf, *Len);                 // 把接收到的数据，复制到自己的缓存区中
    myUsbRxNum = *Len;                              // 复制字节数    
    memset(Buf, 0, 64);                             // 处理完数据，清0接收缓存;                       
    
    // CubeMX生成的代码，保留    
    USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]);   // 设置下-个接收缓冲区
    USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);          // 启动下一个数据包的接收
    return (USBD_OK);                               
    /* USER CODE END 6 */
}

完成后，是这个样子的：

现在，数据接收部分，已处理好了。

以后回调函数运行时，只复制数据至外部缓存（备用），中断时间占用极短，不会影响下包接收。

3、 在外部用extern声明变量，令外部可调用数据

外部，哪个文件里要使用CDC接收的数据，就在这个文件里，用extern声明那俩变量。

如，可以在LCD文件，也可以在SD卡的文件中，都行。

建议在main.h文件中声明，其它文件再#include "main.h"，这样，可以令变量全局可用。

  • 打开 main.c，右击空白，点击"Toggle Header/Code File"，可以跳转到头文件：main.h

在main.h中，大约38行，找到 配对的注释行 /* USER CODE BEGIN ET */

用 extern 再次声明刚才两个变量。如下（可复制）：

注意，是只声明，不要赋值，否则编译错误。

cpp 复制代码 
/* USER CODE BEGIN ET */
extern uint8_t myUsbRxData[ ] ;
extern uint16_t myUsbRxNum ;

/* USER CODE END ET */

完成后，是这个样子的：

代码规范：

这里的示范，使用全局变量，只是为了更清晰地演示操作思路。

项目中，尽量避免使用全局变量；不同文件间的数据获取，可以封装成函数，如 CDC_GetRxData()、CDC_GetRxNum()，返回数据地址、接收的字节数。

4、使用接收到数据

在main.c的while循环中，通过判断myUsbRxNum的值，只要大于0，就表示收到数据了

记得每次处理完数据，把myUsbRxNum置0，以便于下一轮的判断。

再次烧录，烧录程序。

打开串口助手，发送测试文本，可以发现，能成功收到STM32发过来的回传数据。

如果，外部处理数据的速度跟不上，如，在while里每次收到数据都要显示到LCD，LCD的速度远慢于USB的传输，那，还不是变相丢了数据？！是的，会有这种情况！

但，那已经是程序逻辑和时间片机制的问题了，3天3夜也嗑不完！

本节只讨论：确保每一包数据，都能被正常接收到。外部能否及时处理，不述。

至此，本篇完结。

如有错漏，望留言指正，及时更新！！

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