第五十八章 USB虚拟串口(Slave)实验
本章，我们将向大家介绍如何利用USB在开发板实现一个USB虚拟串口，通过USB与电脑数据数据交互。
本章分为如下几个小节：
58.1 USB虚拟串口简介
58.2 硬件设计
58.3 程序设计
58.4 下载验证
58.1 USB虚拟串口简介
USB虚拟串口，简称VCP，是Virtual COM Port的简写，它是利用USB的CDC类来实现的一种通信接口。
我们可以利用STM32自带的USB功能，来实现一个USB虚拟串口，从而通过USB，实现电脑与STM32的数据互传。上位机无需编写专门的USB程序，只需要一个串口调试助手即可调试，非常实用。
同上一章一样，我们直接移植官方的USB VCP例程，官方例程路径：：8，STM32参考资料à1，STM32CubeH7固件包à STM32Cube_FW_H7_V1.6.0àProjectsàSTM32H743I-EVALàApplicationsàUSB_DeviceàCDC_Standalone，该例程采用USB CDC类来实现，利用STM32的USB接口，实现一个USB转串口的功能。
58.2 硬件设计
1. 例程功能
本实验利用STM32自带的USB功能，连接电脑USB，虚拟出一个USB串口，实现电脑和开发板的数据通信。本例程功能完全同实验5（串口通信实验），只不过串口变成了STM32的USB虚拟串口。当USB连接电脑（USB线插入USB_SLAVE接口），开发板将通过USB和电脑建立连接，并虚拟出一个串口（注意：需要先安装:光盘\6，软件资料\1，软件\STM32 USB虚拟串口驱动\VCP_V1.4.0_Setup.exe这个驱动软件，虚拟串口驱动我们还可以在论坛上下载，链接是：http://www.openedv.com/thread-284178-1-1.html）。
LED0闪烁，提示程序运行。USB和电脑连接成功后，LED1常亮。
2. 硬件资源
1）RGB灯
RED ：LED0 - PB4
GREEN ：LED1 - PE6
2）串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
3）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)
4）USB_SLAVE接口(D-/D+连接在PA11/PA12上)
58.3 程序设计
58.3.1 程序流程图
图58.3.1.1 USB虚拟串口(Slave)实验程序流程图
58.3.2 程序解析
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。
本实验，在上一个实验的基础上，把不需要的文件从工程中移除，并对照官方VCP例子，将相关文件拷贝到USB文件夹下。然后，添加USB相关代码到工程中，最终得到如图58.3.2.1所示的工程：
图58.3.2.1 USB虚拟串口工程分组
注意：因为USB驱动库需要用到内存管理，因此我们保留了相关代码（malloc.c）。
1. USB驱动代码
可以看到，USB部分代码，同上一个实验的在结构上是一模一样的，只是.c文件稍微有些变化。同样，我们移植需要修改的代码，就是USB_APP里面的这三个.c文件了。
usbd_conf.c代码，和上一个实验一样，不需要修改，可以直接使用上一个实验的代码。
usbd_desc.c代码，同上一个实验不一样，上一个实验描述符是USB Audio设备，本实验变成了USB虚拟串口了（CDC），所以直接用ST官方的就行。
usbd_cdc_interface.c代码，是重点要修改的，首先介绍usbd_cdc_interface.h文件的相关宏定义，具体如下：
#define USB_USART_REC_LEN 200 /* USB串口接收缓冲区最大字节数 */
/* 轮询周期，最大65ms，最小1ms */
#define CDC_POLLING_INTERVAL 1 /* 轮询周期，最大65ms，最小1ms */
USB_USART_REC_LEN宏定义是用于定义USB串口接收缓冲区最大字节数，这里设置为200。CDC_POLLING_INTERVAL宏定义是用于定义USB发送数据轮询周期，作为delay_ms函数的参数，最大65ms，最小1ms，这里设置为最小值即可。
下面重点介绍usbd_cdc_interface.c文件，首先是一些结构体变量、数组和变量的定义，具体如下：
/* USB虚拟串口相关配置参数 */
USBD_CDC_LineCodingTypeDef LineCoding =
{
115200, /* 波特率 */
0x00, /* 停止位,默认1位 */
0x00, /* 校验位,默认无 */
0x08 /* 数据位,默认8位 */
};
/* usb_printf发送缓冲区, 用于vsprintf */
uint8_t g_usb_usart_printf_buffer[USB_USART_REC_LEN];
/* USB接收的数据缓冲区,最大USART_REC_LEN个字节,用于USBD_CDC_SetRxBuffer函数 */
uint8_t g_usb_rx_buffer[USB_USART_REC_LEN];
/* 用类似串口1接收数据的方法,来处理USB虚拟串口接收到的数据 */
uint8_t g_usb_usart_rx_buffer[USB_USART_REC_LEN]; /* 接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节 */
/* 接收状态
接收完成标志
接收到0x0d
接收到的有效字节数目
*/
uint16_t g_usb_usart_rx_sta=0; /* 接收状态标记 */
extern USBD_HandleTypeDef USBD_Device;
static int8_t CDC_Itf_Init(void);
static int8_t CDC_Itf_DeInit(void);
static int8_t CDC_Itf_Control(uint8_t cmd, uint8_t *pbuf, uint16_t length);
static int8_t CDC_Itf_Receive(uint8_t *pbuf, uint32_t *Len);
/* 虚拟串口配置函数(供USB内核调用) */
USBD_CDC_ItfTypeDef USBD_CDC_fops =
{
CDC_Itf_Init,
CDC_Itf_DeInit,
CDC_Itf_Control,
CDC_Itf_Receive
};
首先是定义一个USBD_CDC_LineCodingTypeDef结构体类型的变量LineCoding，并赋值。波特率为115200，停止位和校验位都为0，数据位,默认8位。
g_usb_usart_printf_buffer是发送缓冲区，大小由USB_USART_REC_LEN宏来定义，数组是uint8_t类型，所以数字大小为200字节。
g_usb_rx_buffer则是USB接收的数据缓冲区，用于USBD_CDC_SetRxBuffer函数，大小也是200字节。
g_usb_usart_rx_buffer是用做类似串口1接收数据的方法，来处理USB虚拟串口接收到的数据，在cdc_vcp_data_rx函数中被调用，大小也是200字节。
g_usb_usart_rx_sta变量用于表示接收状态，位15表示接收完成标志，位14表示接收到0x0d，位13~位0表示接收到的有效字节数目。
最后定义一个USBD_CDC_ItfTypeDef结构体类型的变量USBD_CDC_fops，供USB内核调用，并把四个函数的首地址赋值给其成员。下面会介绍到这几个函数，以及一些其它的函数。
首先是初始化CDC函数，其定义如下：
/**
初始化 CDC
无
状态
正常;
忙;
失败;
*/
static int8_t CDC_Itf_Init(void)
{
USBD_CDC_SetRxBuffer(&USBD_Device, g_usb_rx_buffer);
return USBD_OK;
}
CDC_Itf_Init用于初始化VCP，在初始化的时候由USB内核调用，这里我们调用函数：USBD_CDC_SetRxBuffer，设置USB接收数据缓冲区。USB虚拟串口收到的数据，会先缓存在这个buf里面。
下面介绍的是复位CDC函数，其定义如下：
/**
复位 CDC
无
状态
正常;
忙;
失败;
*/
static int8_t CDC_Itf_DeInit(void)
{
return USBD_OK;
}
CDC_Itf_DeInit用于复位VCP，我们用不到，所以直接返回USBD_OK即可。
下面介绍的是控制CDC的设置函数，其定义如下：
/**
控制 CDC 的设置
控制命令
命令数据缓冲区/参数保存缓冲区
数据长度
状态
正常;
忙;
失败;
*/
static int8_t CDC_Itf_Control(uint8_t cmd, uint8_t *pbuf, uint16_t length)
{
switch (cmd)
{
case CDC_SEND_ENCAPSULATED_COMMAND:
break;
case CDC_GET_ENCAPSULATED_RESPONSE:
break;
case CDC_SET_COMM_FEATURE:
break;
case CDC_GET_COMM_FEATURE:
break;
case CDC_CLEAR_COMM_FEATURE:
break;
case CDC_SET_LINE_CODING:
LineCoding.bitrate = (uint32_t) (pbuf[0] | (pbuf[1] << 8) |
(pbuf[2] << 16) | (pbuf[3] << 24));
LineCoding.format = pbuf[4];
LineCoding.paritytype = pbuf[5];
LineCoding.datatype = pbuf[6];
/* 打印配置参数 */
printf("linecoding.format:%d\r\n", LineCoding.format);
printf("linecoding.paritytype:%d\r\n", LineCoding.paritytype);
printf("linecoding.datatype:%d\r\n", LineCoding.datatype);
printf("linecoding.bitrate:%d\r\n", LineCoding.bitrate);
break;
case CDC_GET_LINE_CODING:
pbuf[0] = (uint8_t) (LineCoding.bitrate);
pbuf[1] = (uint8_t) (LineCoding.bitrate >> 8);
pbuf[2] = (uint8_t) (LineCoding.bitrate >> 16);
pbuf[3] = (uint8_t) (LineCoding.bitrate >> 24);
pbuf[4] = LineCoding.format;
pbuf[5] = LineCoding.paritytype;
pbuf[6] = LineCoding.datatype;
break;
case CDC_SET_CONTROL_LINE_STATE:
break;
case CDC_SEND_BREAK:
break;
default:
break;
}
return USBD_OK;
}
CDC_Itf_Control用于控制VCP的相关参数，根据cmd的不同，执行不同的操作，这里主要用到CDC_SET_LINE_CODING命令，该命令用于设置VCP的相关参数，比如波特率、数据类型（位数）、校验类型（奇偶校验）等，保存在linecoding结构体里面，在需要的时候，应用程序可以读取LineCoding结构体里面的参数，以获得当前VCP的相关信息。
下面介绍的是CDC数据接收函数和处理从USB虚拟串口接收到的数据函数，它们的定义如下：
/**
数据接收函数
接收数据缓冲区
接收到的数据长度
状态
正常;
忙;
失败;
*/
static int8_t CDC_Itf_Receive(uint8_t *buf, uint32_t *len)
{
SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t *)buf, *len);
USBD_CDC_ReceivePacket(&USBD_Device);
cdc_vcp_data_rx(buf, *len);
return USBD_OK;
}
/**
处理从 USB 虚拟串口接收到的数据
接收数据缓冲区
接收到的数据长度
无
*/
void cdc_vcp_data_rx (uint8_t *buf, uint32_t Len)
{
uint8_t i;
uint8_t res;
for (i = 0; i < Len; i++)
{
res = buf[i];
if ((g_usb_usart_rx_sta & 0x8000) == 0) /* 接收未完成 */
{
if (g_usb_usart_rx_sta & 0x4000) /* 接收到了0x0d */
{
if (res != 0x0a)
{
g_usb_usart_rx_sta = 0; /* 接收错误,重新开始 */
}
else
{
g_usb_usart_rx_sta |= 0x8000; /* 接收完成了 */
}
}
else /* 还没收到0X0D */
{
if (res == 0x0d)
{
g_usb_usart_rx_sta |= 0x4000; /* 标记接收到了0X0D */
}
else
{
g_usb_usart_rx_buffer[g_usb_usart_rx_sta & 0X3FFF] = res;
g_usb_usart_rx_sta++;
if (g_usb_usart_rx_sta > (USB_USART_REC_LEN - 1))
{
g_usb_usart_rx_sta = 0; /* 接收数据溢出 重新开始接收 */
}
}
}
}
}
}
CDC_Itf_Receive和cdc_vcp_data_rx，这两个函数一起，用于VCP数据接收，当STM32的USB接收到电脑端串口发送过来的数据时，由USB内核程序调用CDC_Itf_Receive，然后在该函数里面再调用cdc_vcp_data_rx函数，实现VCP的数据接收，只需要在该函数里面，将接收到的数据，保存起来即可，接收的原理和（实验5串口通信实验）完全一样。
下面介绍的是通过USB发送数据函数，其定义如下：
/**
通过 USB 发送数据
要发送的数据缓冲区
数据长度
无
*/
void cdc_vcp_data_tx(uint8_t *data, uint32_t Len)
{
USBD_CDC_SetTxBuffer(&USBD_Device, data, Len);
USBD_CDC_TransmitPacket(&USBD_Device);
delay_ms(CDC_POLLING_INTERVAL);
}
cdc_vcp_data_rx用于发送Len个字节的数据给VCP，由VCP通过USB传输给电脑，实现VCP的数据发送。
下面介绍的是通过USB格式化输出函数，其定义如下：
/**
通过 USB 格式化输出函数
通过USB VCP实现printf输出
确保一次发送数据长度不超USB_USART_REC_LEN字节
格式化输出
无
*/
void usb_printf(char *fmt, ...)
{
uint16_t i;
va_list ap;
va_start(ap, fmt);
vsprintf((char *)g_usb_usart_printf_buffer, fmt, ap);
va_end(ap);
i = strlen((const char *)g_usb_usart_printf_buffer); /* 此次发送数据的长度 */
cdc_vcp_data_tx(g_usb_usart_printf_buffer, i); /* 发送数据 */
SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t *)g_usb_usart_printf_buffer, i);
}
usb_printf用于实现和普通串口一样的printf操作，该函数将数据格式化输出到USB VCP，功能完全同printf，方便大家使用。
USB VCP相关代码，就给大家介绍到这里，详细的介绍，请大家参考：UM1734(STM32Cube USB device library).pdf这个文档。
2. main.c代码
下面是main.c的程序，具体如下：
USBD_HandleTypeDef USBD_Device; /* USB Device处理结构体 */
extern volatile uint8_t g_device_state; /* USB连接 情况 */
int main(void)
{
uint16_t len;
uint16_t times = 0;
uint8_t usbstatus = 0;
sys_cache_enable(); /* 打开L1-Cache */
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(240, 2, 2, 4); /* 设置时钟, 480Mhz */
delay_init(480); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
mpu_memory_protection(); /* 保护相关存储区域 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
my_mem_init(SRAMIN); /* 初始化内部内存池(AXI) */
my_mem_init(SRAM12); /* 初始化SRAM12内存池(SRAM1+SRAM2) */
my_mem_init(SRAM4); /* 初始化SRAM4内存池(SRAM4) */
my_mem_init(SRAMDTCM); /* 初始化DTCM内存池(DTCM) */
my_mem_init(SRAMITCM); /* 初始化ITCM内存池(ITCM) */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "USB Virtual USART TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
/* 提示USB开始连接 */
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "USB Connecting...", RED);
USBD_Init(&USBD_Device, &VCP_Desc, 0);
USBD_RegisterClass(&USBD_Device, USBD_CDC_CLASS);
USBD_CDC_RegisterInterface(&USBD_Device, &USBD_CDC_fops);
USBD_Start(&USBD_Device);
while (1)
{
if (usbstatus != g_device_state) /* USB连接状态发生了改变 */
{
usbstatus = g_device_state; /* 记录新的状态 */
if (usbstatus == 1)
{
/* 提示USB连接成功 */
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "USB Connected ", RED);
LED1(0); /* 绿灯亮 */
}
else
{
/* 提示USB断开 */
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "USB disConnected ", RED);
LED1(1); /* 绿灯灭 */
}
}
if (g_usb_usart_rx_sta & 0x8000)
{
len = g_usb_usart_rx_sta & 0x3FFF; /* 得到此次接收到的数据长度 */
usb_printf("\r\n您发送的消息长度为:%d\r\n\r\n", len);
cdc_vcp_data_tx(g_usb_usart_rx_buffer, len);;
usb_printf("\r\n\r\n");/* 插入换行 */
g_usb_usart_rx_sta = 0;
}
else
{
times++;
if (times % 5000 == 0)
{
usb_printf("\r\nMiniPRO STM32H7开发板USB虚拟串口实验\r\n");
usb_printf("正点原子@ALIENTEK\r\n\r\n");
}
if (times % 200 == 0)usb_printf("请输入数据,以回车键结束\r\n");
if (times % 30 == 0)
{
LED0_TOGGLE(); /* 闪烁LED,提示系统正在运行 */
}
delay_ms(10);
}
}
}
此部分代码比较简单，首先定义了USBD_Device结构体，然后通过USBD_Init等函数初始化USB，不过本章实现的是USB虚拟串口的功能。然后在死循环里面轮询USB状态并检查是否接收到数据，如果接收到了数据，则通过VCP_DataTx将数据通过VCP原原本本的返回给电脑端串口调试助手。
58.4 下载验证
本例程的测试，需要在电脑上先安装ST提供的USB虚拟串口驱动软件，该软件（V1.5.0版）下载地址：http://www.openedv.com/thread-284178-1-1.html，下载完以后，根据自己电脑的系统，选择合适的驱动安装即可。
将程序下载到开发板后（注意：USB数据线，要插在USB_SLAVE口！而不是USB_UART端口！），我们打开设备管理器（我用的是WIN10），在端口（COM和LPT）里面可以发现多出了一个COM15的设备，这就是USB虚拟的串口设备端口，如图58.4.1所示：
图58.4.1通过设备管理器查看USB虚拟的串口设备端口
如图58.4.1，STM32通过USB虚拟的串口，被电脑识别了，端口号为：COM15（可变），字符串名字为：STMicroelectronics Virtual COM Port（COM15）。此时，开发板的LDE1常亮，同时，LED0在闪烁，提示程序运行。开发板的LCD显示USB Connected，如图58.4.2所示：
图58.4.2虚拟串口连接成功
然后我们打开XCOM，选择COM15（需根据自己的电脑识别到的串口号选择），并打开串口（注意：波特率可以随意设置），就可以进行测试了，如图58.4.3所示：
图58.4.3虚拟串口通信测试
可以看到，我们的串口调试助手，收到了来自STM32开发板的数据，同时，按发送按钮（串口助手必须勾选：发送新行），也可以收到电脑发送给STM32的数据（原样返回），说明我们的实验是成功的。实验现象同第十七章完全一样。
至此，USB虚拟串口实验就完成了，通过本实验，我们就可以利用STM32的USB，直接和电脑进行数据互传了，具有广泛的应用前景。
