【动手学STM32G4】（2）USB 虚拟串口通信

youcans_2025-12-10 13:12

【动手学STM32G4】（1）导入和创建项目
【动手学STM32G4】（2）USB 虚拟串口通信
【动手学STM32G4】（3）上位机显示波形

【动手学STM32G4】（2）USB 虚拟串口通信

    • [1. USB虚拟串口通信的工作原理](#1. USB虚拟串口通信的工作原理)
    • [2. Nucleo-G431RB 和 USB虚拟串口通信](#2. Nucleo-G431RB 和 USB虚拟串口通信)
    • [3. 使用 CubeMX 创建 USB 虚拟串口通信项目](#3. 使用 CubeMX 创建 USB 虚拟串口通信项目)
    • [4. 使用 STM32CubeIDE 编写和调试串口通信程序](#4. 使用 STM32CubeIDE 编写和调试串口通信程序)
    • [5. 通过串口通信回显从 PC 发送的字符串](#5. 通过串口通信回显从 PC 发送的字符串)
    • [6. 通过缓冲区储存收到的字符串](#6. 通过缓冲区储存收到的字符串)

本节内容：

USB虚拟串口通信（USB Virtual COM Port, VCP）是一种将USB接口模拟为传统串行通信端口（如RS232串口）的技术。通过这种方式，嵌入式设备（如基于STM32微控制器的开发板）可以通过USB与PC进行串行通信，而无需实际的串口硬件。它常用于需要数据传输的应用中，例如嵌入式系统的调试、通信、数据记录等。

本节通过 NUCLEO-G431RB 开发板， 以 USB虚拟串口通信实验为例，介绍 STM32G4 的编程和调试。

实验条件:

① 硬件平台：NUCLEO-G431RB 开发板

② 软件平台：STM32CubeMX， STM32CubeIDE

1. USB虚拟串口通信的工作原理

USB虚拟串口通信基于USB通信协议，并通过 USB CDC（Communications Device Class） 类标准来实现。

  1. 物理层转换：
  • 传统串口： 设备 <--UART/RS232--> PC COM口
  • 虚拟串口： 设备 <--USB--> PC USB口 ↔ 虚拟COM口
  1. 实现机制
    设备通过CDC类模拟一个串口，PC上的操作系统（如Windows、Linux）会将其识别为一个COM端口，就像是一个标准的串口接口。这意味着应用程序（如终端工具、数据采集软件等）可以像访问传统串口一样，通过USB与设备进行数据交换。

具体工作过程如下：

  • 设备端：嵌入式设备通过USB接口与PC连接时，会通过USB的CDC类协议被PC识别为虚拟串口。
  • PC端：操作系统会将该设备映射为一个虚拟COM端口，类似于传统的串口设备（如COM1、COM2等）。
  • 数据通信：数据从PC传送到设备，或者从设备传送到PC时，通信过程就像标准的串口通信一样，数据通过USB总线进行传输。

USB虚拟串口是传统串口的现代化替代方案，它结合了USB的便利性和串口的简单编程模型。对于STM32开发者，特别是使用Nucleo/G431RB等开发板时，虚拟串口提供了"开箱即用"的调试和通信方案，极大简化了开发流程。

2. Nucleo-G431RB 和 USB虚拟串口通信

Nucleo-G431RB 是基于STM32G431RB微控制器的开发板，支持USB功能，包括作为USB虚拟串口通信的能力。STM32系列微控制器支持通过USB实现各种功能，包括设备端的CDC协议。因此，可以使用Nucleo-G431RB来实现USB虚拟串口通信。

  1. 硬件连接
    Nucleo-G431RB开发板通过其USB端口（Micro-USB）连接到PC。
    在 Nucleo-G431RB开发板上，默认 LPUART1（PA2/PA3）接到 ST-LINK 的虚拟串口：
  • LPUART1：PA2 / PA3
  • 通过 ST-LINK VCP 映射到 PC 上的一个 COM 口（Windows 设备管理器里能看到）

LPUART1 是STM32微控制器中的低功耗通用异步收发器（Low-Power Universal Asynchronous Receiver Transmitter）。它在保持UART基本功能的同时，针对低功耗应用进行了特别优化。

  1. 软件实现

    使用STM32的固件库（如HAL库或LL库）以及USB CDC设备类（USB Device CDC Class）驱动程序，可以在STM32G431上配置和实现USB虚拟串口功能。

    STM32CubeMX是一个图形化配置工具，可以帮助用户快速配置USB功能，并生成初始化代码。

    通过编写程序，用户可以在STM32微控制器中实现数据的接收和发送，利用USB总线与PC进行通信。

  2. PC端驱动

    在PC上，STM32G431 通过 USB与计算机连接时，操作系统会自动为该设备安装虚拟串口驱动（如Windows的STMicroelectronics USB VCP驱动程序）。一旦驱动安装完成，开发板就会在PC上显示为一个标准的串口端口（例如COM3、COM4等）。

  3. 应用场景

  • 调试与开发：开发者可以通过PC上的串口调试软件（如Tera Term、PuTTY等）与Nucleo-G431RB进行通信，调试应用程序、查看输出信息，或者发送控制命令。
  • 数据采集与传输：Nucleo-G431RB可以用作数据采集设备，通过USB将采集的数据传输到PC端进行处理和显示。
  • 嵌入式通信：Nucleo-G431RB可以作为外设与其他嵌入式设备（如传感器、执行器等）进行通信，通过USB虚拟串口实现可靠的数据传输。
  1. Nucleo-G431RB 和 PC通信
    用 USB 数据线把 CN1（ST-LINK USB 口） 接到电脑。装好 ST-LINK 驱动（Windows 10 通常自动装好），在设备管理器里能看到一个 "ST-LINK Virtual COM Port (COMx)"。
    以后 PC 串口助手（PuTTY、Tera Term、SSCOM 等）就选这个 COM 口。
    这种方式不需要再接 USB-TTL，只要一根 USB 线就能做串口实验。

3. 使用 CubeMX 创建 USB 虚拟串口通信项目

使用 CubeMX 创建 USB 虚拟串口通信项目，在新建工程时选择 MCU 型号或开发板型号，不从 Example Selector 选择例程。

  1. 打开 STM32CubeMX，选择 New Project（或Ctrl-N快捷键）新建工程，进入 New Project 界面。
  • 选择MCU为 STM32G431RBT6（参考开发板的 MCU 型号选择）。
  • 选择开发板为 NUCLEO-G431RB 开发板。

本节不从 Example Selector 选择例程，而是在选择 MCU 和 开发板后直接点击 "Start Project" 建立项目。弹出项目选项窗口，勾选 "Generate demonstration code"，如下图所示。

  1. 自动转入 CubeMX 的 Pinout Configuration 视图，如下图所示。

  2. 点击菜单栏 "Project Manager" 进入工程配置界面，如下图所示。

    （1）在 Project Name 输入项目名称 "STM32G431_UART1"。

    （2）在 Toolchain/IDE 选择 IDE 工具为 "STM32CubeIDE"（也可以根据需要选择其它 IDE 工具 ）。

（3）在 "Project Manager" 继续向下拉，"在 MCU and Firmware Package" 栏中，取消选中 "Use latest available version"，根据所安装的 G4 固件版本，选择 "STM32Cube FW_G4 V1.5.0"；

（4）如果固件包不是安装在默认路径，则要取消选中 "Use Default Firmware Location"，通过 Browse 选择固件包的安装路径。

  1. 在 Pinout Configuration 视图进行系统配置。
    （1）选择 "System Core -- SYS" 设置调试器类型，将 Debug 模式设为 "Serial Wire"。
    （2）选择 "System Core -- SYS" 设置基础时钟源，将 Timebase Source 设为 "TIM2"------非常重要！
    注意：Timebase Source 默认为 "SysTick"，但在 STM32支持包中 "SysTick" 已经用作框架的基础时间功能，因此必须修改为 非"SysTick" 的其它定时器。否则在编译项目时会报错------非常重要！。

（3）选择 "System Core -- RCC" 配置时钟模式，设置高速晶振为外部时钟，将 High Speed Clock (HSE) 设为 "Crystal/Ceramic Resonator"。

（4）选择 "Connectivity -- LPUART1" 配置 LPUART1，设置模式（Mode）为 "Asynchronous"，

在 LPUART1 参数里面设置：

  • Baud Rate：115200 Bits/s

  • Word Length：8 Bits

  • Parity：None

  • Stop Bits：1

  • Data Direction：Receive and Transmit（收发都开）

（5）可选地，在 "Connectivity -- LPUART1" 中选择 NVIC Settings，将 "LPUART1 global interrupt" 设为 "Enable "。

（6）可选地，选择 "System Core -- DMA" 配置DMA传输，添加：LPUART1_RX 和 LPUART1_TX。

(7) 可选地，在 Pinout Configuration 视图中，搜索 PA5 管脚（在 NUCLEO 开发板中 连接LD2 灯），将其设置为 GPIO_Output。搜索 PC13 管脚（在 NUCLEO 开发板中 连接蓝色用户按键 User Button），将其设置为 GPIO_EXTI13。

EXTI可以监测指定GPIO的电平信号，当电平变化时，EXTI向NVIC发出中断申请，支持上升沿、下降沿、双边沿、软件触发。如果发生EXTI外部中断，可以发生中断响应或者事件响应，中断响应就是执行中断程序，事件响应就是操作外设而不触发中断。

  1. 在 Clock Configuration 视图进行时钟配置，如下图所示。

    本实验对于时钟时钟设置没有太多要求，只要设置正确即可。本例中使用外部 160MHz晶振，具体设置如下图所示，只供参考。

  2. 代码生成。

    点击右上角 "GENERATE CODE" ，将自动生成带 .ioc 的工程文件 "STM32G4_UART.ioc"

    加载完毕后，弹出代码生成提示窗口，点击" OPEN PROJECT"，进入 STM32CubeIDE。

4. 使用 STM32CubeIDE 编写和调试串口通信程序

  1. 在 STM32CubeIDE 打开代码文件 main.c。
    代码生成后，已经自动进入 STM32CubeIDE，并打开创建的 STM32G431_UART1 项目。
    从 Src 目录打开程序文件 main.c，如下图所示。在 main.c 里会自动生成 MX_LPUART1_UART_Init()，并把 huart1 或类似句柄定义好（具体名字看工程，常见写法是 huart1 对应 USART1，hlpuart1 对应 LPUART1，你看一下 IDE 生成的变量名即可）。
c 复制代码 
static void MX_LPUART1_UART_Init(void)
{
  hlpuart1.Instance = LPUART1;
  hlpuart1.Init.BaudRate = 115200;
  hlpuart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  hlpuart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  hlpuart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  hlpuart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  hlpuart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  hlpuart1.Init.OneBitSampling = UART_ONE_BIT_SAMPLE_DISABLE;
  hlpuart1.Init.ClockPrescaler = UART_PRESCALER_DIV1;
  hlpuart1.AdvancedInit.AdvFeatureInit = UART_ADVFEATURE_NO_INIT;
  ...
}

（1）在程序开头添加用户指定的库。

c 复制代码 
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "string.h"
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

（2）在初始化完成后发送一行字符串 "Device Ready (LPUART1)\r\n"。

c 复制代码 
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // Initial Transmit
  const char *init_msg = "Device Ready (LPUART1)\r\n";
  HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, (uint8_t *)init_msg, strlen(init_msg), 100);
  /* USER CODE END 2 */

（3）轮询程序 while(1) 的代码如下，通过延时 1000ms 翻转 LD2_PIN，并向 UASB 串口发送一行字符串 "Hello, Nucleo-G431RB UART!\r\n"。

c 复制代码 
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  const char *msg = "Hello, Nucleo-G431RB UART!\r\n";

  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
    HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, (uint8_t *)msg, strlen(msg), HAL_MAX_DELAY);
    HAL_GPIO_TogglePin(LD2_GPIO_PORT, LD2_PIN);
    HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  1. 程序编辑、编译与调试
  • 用 USB连接线，连接 PC 与 NUCLEO-G431RB 开发板。
  • 点击工具栏中 "Build Debug" 按键对程序代码进行编译。
  • 点击工具栏中 "Debug" 按键，将程序下载烧录到目标板 NUCLEO-G431RB 。
  • 点击工具栏中 "Resume" 按键 或 F8 快捷键，运行程序。NUCLEO-G431RB 开发板上的 LD2 指示灯以 1000ms 开始闪烁。
  1. 打开串口调试助手，
    （1）点击 "端口名" 下拉菜单，选中 STM STLink Virtual COM Port。例如，本例中为 COM3。

（2）将配置参数设为与 "Connectivity -- LPUART1" 的配置一致：

波特率：115200

数据位：8 Bits

校验位：None

停止位：1

(3) 点击 "打开"按钮打开串口（打开后显示为绿色"关闭"，再次点击则关闭串口）。

  • 连接成功后，接收区开始显示接受的数据，每 1000ms 更新一行：
bash 复制代码 
Device Ready (LPUART1)
Hello, Nucleo-G431RB UART!
Hello, Nucleo-G431RB UART!
Hello, Nucleo-G431RB UART!
...

  • 按下 NUCLEO-G431RB 开发板上的黑色按钮开关 B2，单片机重启后发送初始数据 "Device Ready (LPUART1)"。

  • 在串口调试助手的右下方输入框中输入字符串 "123"，按发送键发送，发送的字符串也显示在右上方的显示区。

  1. 关闭项目，关闭 STM32CubeIDE 。

  2. NUCLEO-G431RB 开发板重新上电。按下黑色按键 B2，MCU 重启（Reset），开发板上的 LD2 指示灯以 1000ms 开始闪烁。

5. 通过串口通信回显从 PC 发送的字符串

在以上串口通信程序基础上，我们进一步实现 回显从 PC 发送的字符串。

  1. 修改 main.c 如下：

（1）在程序开头添加用户指定的库。

c 复制代码 
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "string.h"
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

（2）可选地，在初始化完成后发送一行字符串 "Device Ready (LPUART1)\r\n"。

c 复制代码 
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // Initial Transmit
  const char *init_msg = "Device Ready (LPUART1)\r\n";
  HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, (uint8_t *)init_msg, strlen(init_msg), 100);
  /* USER CODE END 2 */

（3）轮询程序 while(1) 的代码如下，阻塞等待接收一个字节，并向 UASB 串口发送接收的字符串，即收到什么就回显什么。

c 复制代码 
  /* Infinite loop */
  uint8_t rx_byte;
  while (1)
  {
	// HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, (uint8_t *)msg, strlen(msg), HAL_MAX_DELAY);

	// Blocking wait to receive one byte
	if (HAL_UART_Receive(&hlpuart1, &rx_byte, 1, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK)
	{
		// Echo back whatever is received
	    HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, &rx_byte, 1, HAL_MAX_DELAY);
	}
  1. 程序编辑、编译与调试
  • 用 USB连接线，连接 PC 与 NUCLEO-G431RB 开发板。
  • 将程序下载烧录到目标板 NUCLEO-G431RB。
  • 按下 NUCLEO-G431RB 开发板的黑色按键 B2，单片机重启后发送初始数据 "Device Ready (LPUART1)"。。
  1. 打开串口调试助手，将配置参数设为与 "Connectivity -- LPUART1" 的配置一致。
  • 按下 NUCLEO-G431RB 开发板上的黑色按钮开关 B2，单片机重启后发送初始数据 "Device Ready (LPUART1)"。
  • 在串口调试助手的右下方输入框中输入字符串 "Hello!"，按发送键发送。单片机接收到字符串 "Hello!"，通过串口通信将其发送回 PC，显示在显示区。

以上程序实现了 回显发送的字符串，但当发送的字符串超过接收的缓冲区长度（如 24 字节），多出来的数据就会因为溢出/错误被 UART 丢掉。对此我们可以继续改进。

6. 通过缓冲区储存收到的字符串

在以上串口通信程序基础上，我们用"中断 + 缓冲区" 的方式来做 LPUART1（USB 虚拟串口）回显，并解决长字符串被截断的问题。当字符串的长度超出256个字符时，会返回"more than 256"。。

  1. 修改 main.c 如下：

（1）在 main.c 开头添加用户指定的库。

c 复制代码 
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "string.h"
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

（2）在 main.c 顶部的"用户变量区"添加（USER CODE BEGIN PV）。

c 复制代码 
/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t LPUART1_RxByte;          // Single-byte Receive Buffer (one byte received per interrupt)
uint8_t LPUART1_RxBuff[256];     // circular/linear buffer (max 256 bytes capacity)
uint8_t LPUART1_RxCnt = 0;      // bytes currently stored
uint8_t LPUART1_AlmStr[] = "more than 256\r\n"; // Warning string when exceeding the maximum length
/* USER CODE END PV */

（3）在 main() 里初始化好 LPUART1，并开启中断接收。

c 复制代码 
int main(void)
{
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_LPUART1_UART_Init();

  // Initial Transmit
  const char *init_msg = "Device Ready (LPUART1)\r\n";
  HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, (uint8_t *)init_msg, strlen(init_msg), 100);
  
  // Enable interrupt-driven reception for LPUART1, one byte per interrupt
  HAL_UART_Receive_IT(&hlpuart1, (uint8_t *)&LPUART1_RxByte, 1);

  /* Infinite loop */
  //The main loop can do nothing temporarily
  while (1)
  {
  }
}

（4）实现 HAL_UART_RxCpltCallback（放在 USER CODE BEGIN 4 区）。

c 复制代码 
/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
	/* Prevent unused argument(s) compilation warning */
	UNUSED(huart);

    // 1. 溢出判断
    if (LPUART1_RxCnt >= 255)
    {
    	LPUART1_RxCnt = 0;
    	memset(LPUART1_RxBuff, 0x00, sizeof(LPUART1_RxBuff));
    	// 发送溢出提示信息
    	HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, (uint8_t *)LPUART1_AlmStr, sizeof(LPUART1_AlmStr) - 1, 0xFFFF);
    }
    else
    {
    	// 2. 接收数据转存
    	LPUART1_RxBuff[LPUART1_RxCnt++] = LPUART1_RxByte;
    	// 3. 判断是否以 "\r\n" 结尾
    	if (LPUART1_RxBuff[LPUART1_RxCnt-1]==0x0A && LPUART1_RxBuff[LPUART1_RxCnt-2]==0x0D)
    	{
    		// 将收到的信息发送出去
    		HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, (uint8_t *)LPUART1_RxBuff, LPUART1_RxCnt, 0xFFFF);
    		// 清空计数和缓冲区，准备下一帧
    		LPUART1_RxCnt = 0;
    		memset(LPUART1_RxBuff, 0x00, sizeof(LPUART1_RxBuff));  //清空数组
    	}
    }

    // 4. 重新启动下一次中断接收
    HAL_UART_Receive_IT(&hlpuart1, (uint8_t *)&LPUART1_RxByte, 1);
}
/* USER CODE END 4 */
  1. 程序编辑、编译与调试
  • 用 USB连接线，连接 PC 与 NUCLEO-G431RB 开发板。
  • 将程序下载烧录到目标板 NUCLEO-G431RB。
  • 按下 NUCLEO-G431RB 开发板的黑色按键 B2，单片机重启后发送初始数据 "Device Ready (LPUART1)"。
  1. 打开串口调试助手，将配置参数设为与 "Connectivity -- LPUART1" 的配置一致。
  • 按下 NUCLEO-G431RB 开发板上的黑色按钮开关 B2，单片机重启后发送初始数据 "Device Ready (LPUART1)"。
  • 在串口调试助手的右下方输入框中输入字符串 "Hello!"，按发送键发送。单片机接收到字符串 "Hello!"，通过串口通信将其发送回 PC，显示在显示区。
  • 输入较长字符串，如果字符串长度小于 256 可以正常显示，如果字符串长度超过 256则显示提示信息 "more than 256"。

说明：

本例程中"中断 + 缓冲区" 方法的特点是：

  1. 不阻塞主循环：主循环 while(1) 处理其它任务，LPUART 中断在后台收发数据。
  2. 缓冲区长度可控：最多 256 字节，多了就提示"more than 256"。
  3. 逐行处理：直到收到 \r\n 才认为输入完成，一次性完整回显整行的字符串。

参考资料：

  1. UM2505 - STM32G4 Nucleo-64 boards (MB1367), STMicroelectronics/意法半导体, 2021

  2. UM2538 - STM32 motor-control pack using the FOC algorithm for three-phase, low-voltage, and low‑current motor evaluationl, STMicroelectronics/意法半导体, 2023

版权声明：

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