《STM32F407 探索者开发指南》第六十五章 USB虚拟串口(Slave)实验

正点原子运营

第六十五章 USB虚拟串口(Slave)实验

1）实验平台：正点原子探索者STM32F407开发板

2) 章节摘自【正点原子】STM32F407开发指南 V1.1

3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609294673401

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32f407_explorerV3.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）STM32技术交流QQ群:151941872

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：

65.1 USB虚拟串口简介

65.2 硬件设计

65.3 程序设计

65.4 下载验证

65.1 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USBVCP例程，官方例程路径：8，STM32参考资料 à 1，STM32CubeF4固件包 à STM32Cube_FW_F4_V1.26.0à Projects à STM324xG_EVALà Applications à USB_Deviceà CDC_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。

65.2 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）LED灯

    LED0 – PF9

    LED1 – PF10

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)

5）外部SRAM芯片,通过FSMC驱动

65.3 程序设计
65.3.1 程序流程图                             

图65.3.1.1 USB虚拟串口(Slave)实验程序流程图

65.3.2 程序解析

这里我们只讲解核心代码，详细的源码本实验，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65.3.2.1所示的工程：     

图65.3.2.1 USB虚拟串口工程分组

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 Device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：

1. #define     USB_USART_REC_LEN        200      /* USB串口接收缓冲区最大字节数 */
   
2. /* 轮询周期，最大65ms，最小1ms */
   
3. #define     CDC_POLLING_INTERVAL    1        /* 轮询周期，最大65ms，最小1ms */

复制代码

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：

1. /* USB虚拟串口相关配置参数 */
   
2. USBD_CDC_LineCodingTypeDef LineCoding =
   
3. {
   
4.     115200,      /* 波特率 */
   
5.     0x00,        /* 停止位,默认1位 */
   
6.     0x00,        /* 校验位,默认无 */
   
7.     0x08          /* 数据位,默认8位 */
   
8. };
   
9. /* usb_printf发送缓冲区, 用于vsprintf */
   
10. uint8_t g_usb_usart_printf_buffer[USB_USART_REC_LEN];
    
11. /* USB接收的数据缓冲区,最大USART_REC_LEN个字节,用于USBD_CDC_SetRxBuffer函数 */
    
12. uint8_t g_usb_rx_buffer[USB_USART_REC_LEN];
    
13. /* 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 */
    
14. /* 接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节 */
    
15. uint8_t g_usb_usart_rx_buffer[USB_USART_REC_LEN];      
    
16. /* 接收状态
    
17. *bit15    ,接收完成标志
    
18. *bit14    ,接收到0x0d
    
19. *bit13~0  , 接收到的有效字节数目
    
20. */
    
21. uint16_t g_usb_usart_rx_sta=0;  /* 接收状态标记 */
    
22. extern USBD_HandleTypeDef USBD_Device;
    
23. static int8_t CDC_Itf_Init(void);
    
24. static int8_t CDC_Itf_DeInit(void);
    
25. static int8_t CDC_Itf_Control(uint8_t cmd, uint8_t *pbuf, uint16_t length);
    
26. static int8_t CDC_Itf_Receive(uint8_t *pbuf, uint32_t *Len);
    
27. /* 虚拟串口配置函数(供USB内核调用) */
    
28. USBD_CDC_ItfTypeDef USBD_CDC_fops =
    
29. {
    
30.    CDC_Itf_Init,
    
31.     CDC_Itf_DeInit,
    
32.    CDC_Itf_Control,
    
33.    CDC_Itf_Receive
    
34. };

复制代码

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：

1. /**
   
2. *@brief        初始化 CDC
   
3. *@param        无
   
4. *@retval       USB状态
   
5. *  @arg        USBD_OK(0)      , 正常;
   
6. *  @arg        USBD_BUSY(1)    , 忙;
   
7. *  @arg        USBD_FAIL(2)    , 失败;
   
8. */
   
9. static int8_t CDC_Itf_Init(void)
   
10. {
    
11.    USBD_CDC_SetRxBuffer(&USBD_Device, g_usb_rx_buffer);
    
12.     return USBD_OK;
    
13. }

复制代码

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：

1. /**
   
2. *@brief        复位 CDC
   
3. *@param        无
   
4. *@retval       USB状态
   
5. *  @arg        USBD_OK(0)      , 正常;
   
6. *  @arg        USBD_BUSY(1)    , 忙;
   
7. *  @arg        USBD_FAIL(2)    , 失败;
   
8. */
   
9. static int8_t CDC_Itf_DeInit(void)
   
10. {
    
11.     return USBD_OK;
    
12. }

复制代码

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：

1. /**
   
2. *@brief        控制 CDC 的设置
   
3. *@param        cmd      : 控制命令
   
4. *@param        buf      : 命令数据缓冲区/参数保存缓冲区
   
5. *@param        length   : 数据长度
   
6. *@retval       USB状态
   
7. *  @arg        USBD_OK(0)      , 正常;
   
8. *  @arg        USBD_BUSY(1)    , 忙;
   
9. *  @arg        USBD_FAIL(2)    , 失败;
   
10. */
    
11. static int8_t CDC_Itf_Control(uint8_t cmd, uint8_t *pbuf, uint16_t length)
    
12. {
    
13.     switch (cmd)
    
14.     {
    
15.        caseCDC_SEND_ENCAPSULATED_COMMAND:
    
16.            break;
    
17.        caseCDC_GET_ENCAPSULATED_RESPONSE:
    
18.            break;
    
19.        caseCDC_SET_COMM_FEATURE:
    
20.            break;
    
21.        caseCDC_GET_COMM_FEATURE:
    
22.            break;
    
23.        caseCDC_CLEAR_COMM_FEATURE:
    
24.            break;
    
25.        caseCDC_SET_LINE_CODING:
    
26.            LineCoding.bitrate = (uint32_t) (pbuf[0] | (pbuf[1] << 8) |
    
27.                                              (pbuf[2] << 16) | (pbuf[3] << 24));
    
28.            LineCoding.format = pbuf[4];
    
29.            LineCoding.paritytype = pbuf[5];
    
30.            LineCoding.datatype = pbuf[6];
    
31.            /* 打印配置参数 */
    
32.            printf("linecoding.format:%d\r\n", LineCoding.format);
    
33.            printf("linecoding.paritytype:%d\r\n", LineCoding.paritytype);
    
34.            printf("linecoding.datatype:%d\r\n", LineCoding.datatype);
    
35.            printf("linecoding.bitrate:%d\r\n", LineCoding.bitrate);
    
36.            break;
    
37.        caseCDC_GET_LINE_CODING:
    
38.            pbuf[0] = (uint8_t) (LineCoding.bitrate);
    
39.            pbuf[1] = (uint8_t) (LineCoding.bitrate >> 8);
    
40.            pbuf[2] = (uint8_t) (LineCoding.bitrate >> 16);
    
41.            pbuf[3] = (uint8_t) (LineCoding.bitrate >> 24);
    
42.            pbuf[4] = LineCoding.format;
    
43.            pbuf[5] = LineCoding.paritytype;
    
44.            pbuf[6] = LineCoding.datatype;
    
45.            break;
    
46.        caseCDC_SET_CONTROL_LINE_STATE:
    
47.            break;
    
48.        caseCDC_SEND_BREAK:
    
49.            break;
    
50.        default:
    
51.            break;
    
52.     }
    
53.     return USBD_OK;
    
54. }

复制代码

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：

1. /**
   
2. *@brief        CDC 数据接收函数
   
3. *@param        buf      : 接收数据缓冲区
   
4. *@param        len      : 接收到的数据长度
   
5. *@retval       USB状态
   
6. *  @arg        USBD_OK(0)      , 正常;
   
7. *  @arg        USBD_BUSY(1)    , 忙;
   
8. *  @arg        USBD_FAIL(2)    , 失败;
   
9. */
   
10. static int8_t CDC_Itf_Receive(uint8_t *buf, uint32_t *len)
    
11. {
    
12.    SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t *)buf, *len);
    
13.    USBD_CDC_ReceivePacket(&USBD_Device);
    
14.    cdc_vcp_data_rx(buf, *len);
    
15.     return USBD_OK;
    
16. }
    
17. /**
    
18. *@brief        处理从 USB 虚拟串口接收到的数据
    
19. *@param        buf      : 接收数据缓冲区
    
20. *@param        len      : 接收到的数据长度
    
21. *@retval       无
    
22. */
    
23. voidcdc_vcp_data_rx (uint8_t *buf, uint32_t Len)
    
24. {
    
25.     uint8_t i;
    
26.     uint8_t res;
    
27.     for (i = 0; i < Len; i++)
    
28.     {
    
29.        res = buf;
    
30.        if ((g_usb_usart_rx_sta & 0x8000) == 0)      /* 接收未完成 */
    
31.        {
    
32.            if (g_usb_usart_rx_sta & 0x4000)          /* 接收到了0x0d */
    
33.            {
    
34.                 if (res != 0x0a)
    
35.                 {
    
36.                     g_usb_usart_rx_sta = 0;             /* 接收错误,重新开始 */
    
37.                 }
    
38.                 else
    
39.                 {
    
40.                     g_usb_usart_rx_sta |= 0x8000;     /* 接收完成了 */
    
41.                 }
    
42.            }
    
43.            else    /* 还没收到0x0D */
    
44.            {
    
45.                 if (res == 0x0D)
    
46.                 {
    
47.                     g_usb_usart_rx_sta |= 0x4000;     /* 标记接收到了0x0D */
    
48.                 }
    
49.                 else
    
50.                 {
    
51.                     g_usb_usart_rx_buffer[g_usb_usart_rx_sta & 0x3FFF] = res;
    
52.                     g_usb_usart_rx_sta++;
    
53.                     if (g_usb_usart_rx_sta > (USB_USART_REC_LEN - 1))
    
54.                     {
    
55.                         g_usb_usart_rx_sta = 0;        /* 接收数据溢出 重新开始接收 */
    
56.                     }
    
57.                 }
    
58.            }
    
59.        }
    
60.     }
    
61. }

复制代码

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：

1. /**
   
2. *@brief        通过 USB 发送数据
   
3. *@param        buf      : 要发送的数据缓冲区
   
4. *@param        len      : 数据长度
   
5. *@retval       无
   
6. */
   
7. voidcdc_vcp_data_tx(uint8_t *data, uint32_t Len)
   
8. {
   
9.    USBD_CDC_SetTxBuffer(&USBD_Device, data, Len);
   
10.    USBD_CDC_TransmitPacket(&USBD_Device);
    
11.    delay_ms(CDC_POLLING_INTERVAL);
    
12. }

复制代码

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：

1. /**
   
2. *@brief        通过 USB 格式化输出函数
   
3. *  @note       通过USB VCP实现printf输出
   
4. *               确保一次发送数据长度不超USB_USART_REC_LEN字节
   
5. *@param        格式化输出
   
6. *@retval       无
   
7. */
   
8. void usb_printf(char *fmt, ...)
   
9. {
   
10.     uint16_t i;
    
11.    va_list ap;
    
12.    va_start(ap, fmt);
    
13.    vsprintf((char *)g_usb_usart_printf_buffer, fmt, ap);
    
14.    va_end(ap);
    
15.     i = strlen((const char *)g_usb_usart_printf_buffer);   /* 此次发送数据的长度 */
    
16.    cdc_vcp_data_tx(g_usb_usart_printf_buffer, i);           /* 发送数据 */
    
17.    SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t *)g_usb_usart_printf_buffer, i);
    
18. }

复制代码

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(STM32CubeUSB device library).pdf这个文档。

2. main.c代码

下面是main.c的程序，具体如下：

1. USBD_HandleTypeDef USBD_Device;              /* USB Device处理结构体 */
   
2. extern volatile uint8_t g_device_state;    /* USB连接 情况 */
   
3. int main(void)
   
4. {
   
5.     uint16_t len;
   
6.     uint16_t times = 0;
   
7.     uint8_t usbstatus = 0;
   
8.    
   
9.    HAL_Init();                             /* 初始化HAL库 */
   
10.    sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟,168Mhz */
    
11.    delay_init(168);                       /* 延时初始化 */
    
12.    usart_init(115200);                   /* 串口初始化为115200 */
    
13.    led_init();                             /* 初始化LED */
    
14.    lcd_init();                             /* 初始化LCD */
    
15.    key_init();                             /* 初始化按键 */
    
16.    my_mem_init(SRAMIN);                  /* 初始化内部SRAM内存池 */
    
17.    my_mem_init(SRAMIN);                  /* 初始化外部SRAM内存池 */
    
18.    my_mem_init(SRAMCCM);                 /* 初始化内部SRAMCCM内存池 */
    
19.    
    
20.    lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
    
21.    lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "USB VirtualUSART TEST", RED);
    
22.    lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    
23.     /* 提示USB开始连接 */
    
24.    lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "USBConnecting...", RED);
    
25.    USBD_Init(&USBD_Device, &VCP_Desc, DEVICE_FS);           /* 初始化USB */
    
26.    USBD_RegisterClass(&USBD_Device, USBD_CDC_CLASS);       /* 添加类 */
    
27.     /* 为MSC类添加回调函数 */
    
28.    USBD_CDC_RegisterInterface(&USBD_Device, &USBD_CDC_fops);
    
29.    USBD_Start(&USBD_Device);    /* 开启USB */
    
30.    delay_ms(1800);
    
31.    
    
32.     while (1)
    
33.     {
    
34.        delay_ms(1);
    
35.        if (usbstatus != g_device_state)    /* USB连接状态发生了改变 */
    
36.        {
    
37.            usbstatus = g_device_state;      /* 记录新的状态 */
    
38.            if (usbstatus == 1)
    
39.            {
    
40.                 /* 提示USB连接成功 */
    
41.                 lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "USB Connected   ", RED);
    
42.                 LED1(0);    /* 绿灯亮 */
    
43.            }
    
44.            else
    
45.            {
    
46.                 /* 提示USB断开 */
    
47.                 lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "USB disConnected ", RED);
    
48.                 LED1(1);    /* 绿灯灭 */
    
49.            }
    
50.        }
    
51.        if (g_usb_usart_rx_sta & 0x8000)
    
52.        {
    
53.            len =g_usb_usart_rx_sta & 0x3FFF;   /* 得到此次接收到的数据长度 */
    
54.            usb_printf("\r\n您发送的消息长度为:%d\r\n\r\n", len);
    
55.            cdc_vcp_data_tx(g_usb_usart_rx_buffer, len);;
    
56.            usb_printf("\r\n\r\n");                /* 插入换行 */
    
57.            g_usb_usart_rx_sta = 0;
    
58.        }
    
59.        else
    
60.        {
    
61.            times++;
    
62.            if (times % 5000 == 0)
    
63.            {
    
64.                 usb_printf("\r\nSTM32开发板USB虚拟串口实验\r\n");
    
65.                 usb_printf("正点原子@ALIENTEK\r\n\r\n");
    
66.            }
    
67.            if (times % 200 == 0)
    
68.            {
    
69.                 usb_printf("请输入数据,以回车键结束\r\n");
    
70.            }
    
71.            if (times % 30 == 0)
    
72.            {
    
73.                 LED0_TOGGLE();  /* 闪烁LED,提示系统正在运行 */
    
74.            }
    
75.            delay_ms(10);
    
76.        }
    
77.     }
    
78. }

复制代码

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。

65.4 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COM4的设备，这就是USB虚拟的串口设备端口，如图65.4.1所示：   

图65.4.1通过设备管理器查看USB虚拟的串口设备端口

如图65.4.1，STM32通过USB虚拟的串口，被电脑识别了，端口号为：COM4（可变），字符串名字为：STMicroelectronics Virtual COMPort（COM4）。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65.4.2所示：     

图65.4.2USB虚拟串口连接成功

然后我们打开XCOM，选择COM4（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65.4.3所示：   

图65.4.3STM32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。

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。

sanv

407的虚拟串口会和CAN冲突吗？