STM32 USB配置详解

一、USB基础概念

1.1 USB简介

USB (Universal Serial Bus) 是一种用于计算机与外部设备连接的串行总线标准，具有热插拔、即插即用等特点。STM32微控制器内置了多种USB接口，可实现各类USB应用。

1.2 USB速度等级

Low Speed (LS): 1.5 Mbps，主要用于低速设备如键盘、鼠标等
Full Speed (FS): 12 Mbps，用于一般速度要求的设备
High Speed (HS): 480 Mbps，用于高速数据传输设备
Super Speed: 5 Gbps及以上，STM32目前不支持

1.3 USB工作模式

Device模式: STM32作为USB设备，连接到主机（如电脑）
Host模式: STM32作为USB主机，连接USB设备
OTG (On-The-Go)模式: 可以动态切换Device和Host模式

二、STM32不同系列的USB支持情况

2.1 基础系列 (STM32F0/F1/L0等)

STM32F1系列 :
- 大多数型号仅支持USB FS Device模式
- STM32F105/F107等连接型系列支持USB OTG，可配置为Host/Device模式
STM32F0部分型号: 支持USB FS Device模式
STM32L0部分型号: 支持USB FS Device模式
STM32G0/G4部分型号: 支持USB FS，部分型号支持Host模式

2.2 中端系列 (STM32F2/F3/F4/L4等)

STM32F2/F4: 支持USB FS/HS，OTG功能，可用作Device/Host
STM32F3部分型号: 支持USB FS Device
STM32L4部分型号: 支持USB FS，部分支持OTG功能

2.3 高端系列 (STM32F7/H7等)

全面支持USB FS/HS，完整OTG功能
部分型号提供多个USB控制器
支持外部ULPI PHY接口，实现真正的480Mbps高速传输

三、USB硬件接口和配置

3.1 物理层 (PHY)

内置PHY: 支持FS模式，无需外部元件
外部PHY: 通过ULPI接口连接，支持HS模式

3.2 引脚配置

FS模式常用引脚:
- DP (D+): 数据正
- DM (D-): 数据负
- VBUS: 电源检测（OTG模式下）
- ID: OTG模式识别引脚
HS模式外部PHY接口: 需要8位数据线和多个控制信号

3.3 电源考虑

设备模式: 通常由主机供电
主机模式: 需要提供5V电源给外部设备，需要VBUS控制电路

四、使用CubeMX配置USB

4.1 基础配置步骤

选择目标STM32型号
在左侧外设列表中找到USB部分
根据芯片能力，选择USB、USB_OTG_FS或USB_OTG_HS
配置工作模式（Device/Host/OTG）
配置时钟（USB需要准确的48MHz时钟）
配置USB中断优先级
生成代码

4.2 Device模式配置

选择USB类别（CDC、MSC、HID、Audio等）
配置端点（Endpoint）数量和大小
配置描述符（VID、PID等）
配置字符串描述符
生成代码并实现回调函数

4.3 Host模式配置

选择需支持的设备类别
配置主机通道数量
配置VBUS控制（如需要）
生成代码并实现回调函数

五、USB协议实现

5.1 USB描述符

设备描述符: 定义基本设备信息
配置描述符: 定义功耗和接口信息
接口描述符: 定义设备功能
端点描述符: 定义数据通道
字符串描述符: 提供人类可读信息

5.2 常见USB类别实现

5.2.1 CDC (Communication Device Class)

实现虚拟串口功能，使STM32可以通过USB与电脑通信，无需额外驱动。

c 复制代码

// CDC发送数据示例
uint8_t buffer[64] = "Hello USB CDC";
CDC_Transmit_FS(buffer, strlen((char*)buffer));

5.2.2 MSC (Mass Storage Class)

实现U盘功能，可以访问STM32内部或外部Flash/SD卡。

c 复制代码

// MSC读写回调函数实现示例
int8_t STORAGE_Read_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)
{
  // 从存储介质读取数据
  return USBD_OK;
}

5.2.3 HID (Human Interface Device)

实现鼠标、键盘等功能。

c 复制代码

// HID发送报告示例
uint8_t report[4] = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03}; // 鼠标移动报告
USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS, report, sizeof(report));

5.2.4 自定义类

通过Vendor Specific Class实现自定义协议。

六、中断和数据处理

6.1 USB中断

USB全局中断
SOF (Start of Frame) 中断
数据收发中断
OTG中断

6.2 数据处理流程

中断触发
HAL库处理底层中断
调用用户回调函数
用户处理数据

6.3 示例中断处理

c 复制代码

void HAL_PCD_DataOutStageCallback(PCD_HandleTypeDef *hpcd, uint8_t epnum)
{
  USBD_LL_DataOutStage(hpcd->pData, epnum, hpcd->OUT_ep[epnum].xfer_buff);
  // 用户可在此添加数据处理代码
}

七、常见问题与解决方案

7.1 时钟配置问题

USB需要精确的48MHz时钟，配置错误会导致通信不稳定或失败。

解决方案：

使用PLL正确配置48MHz时钟
对于支持的型号，使用内部48MHz RC振荡器

7.2 供电问题

USB通信对电源稳定性要求高。

解决方案：

确保供电充足稳定
添加适当滤波电容
在Host模式下正确控制VBUS

7.3 无法识别设备

问题原因可能是描述符错误或枚举过程失败。

解决方案：

检查VID/PID配置
确认描述符格式正确
使用USB分析工具调试枚举过程

7.4 数据传输错误

解决方案：

提高USB中断优先级
适当增大端点缓冲区
避免长时间阻塞中断处理

八、进阶应用

8.1 复合设备

同时实现多个USB类（如同时作为虚拟串口和U盘）。

8.2 高速数据传输优化

使用双缓冲端点
优化数据包大小和数量
减少中断处理时间

8.3 低功耗设计

利用USB挂起/恢复功能
在不需要时禁用USB时钟
正确处理远程唤醒功能

九、实用工具推荐

9.1 USB调试工具

USB Device Tree Viewer: 查看设备描述符
Wireshark + USBPcap: 抓包分析USB通信
USBlyzer: 监控USB事件和数据

9.2 测试软件

虚拟串口测试工具
USB存储速度测试工具
HID设备测试工具

十、参考资料

STM32参考手册 - USB章节
STMicroelectronics USB开发文档
USB 2.0规范
STM32 HAL库USB API参考