本帖最后由 正点原子运营 于 2023-9-28 18:08 编辑
第六十七章 USB鼠标键盘(Host)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
本章我们介绍如何使用STM32F407的USB HOST来驱动USB鼠标/键盘。 本章分为如下几个小节： 67.1 USB鼠标键盘简介 67.2 硬件设计 67.3 程序设计 67.4 下载验证
67.1 USB鼠标键盘简介传统的鼠标和键盘是采用PS/2接口和电脑通信的，但是现在PS/2接口在电脑上逐渐消失，所以现在越来越多的鼠标键盘采用的是USB接口，而不是PS/2接口的了。
USB鼠标键盘属于USB HID设备。USB HID即：Human Interface Device（人机交互设备）的缩写，键盘、鼠标与游戏杆等都属于此类设备。不过HID设备并不一定要有人机接口，只要符合HID类别规范的设备都是HID设备。关于USB HID的知识，我们这里就不详细介绍了，请大家自行百度学习。
我们直接移植官方的USB HID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_Host à HID_Standalone，该例程支持USB鼠标和键盘等USB HID设备，本章我们将移植这个例程到我们的开发板上。
67.2 硬件设计
1. 例程功能本实验代码，开机的时候先显示一些提示信息，然后初始化USB HOST，并不断轮询。当检测到USB鼠标/键盘的插入后，显示设备类型，并显示设备输入数据： 如果是USB鼠标：将显示鼠标移动的坐标（X，Y坐标），滚轮滚动数值（Z坐标）以及按键（左中右）。 如果是USB键盘：将显示键盘输入的数字/字母等内容（不是所有按键都支持，部分按键没有做解码支持，比如F1~F12）。
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）norflash(本例程使用的是W25Q128，连接在SPI1) 5）外部SRAM芯片，通过FSMC驱动 6）USB_HOST接口(D-/D+连接在PA11/PA12上)
67.3 程序设计
67.3.1 程序流程图 图67.3.1.1 USB鼠标键盘实验(Host)程序流程图 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，我们在上一个实验的基础上修改，对照官方HID例子，然后，我们在工程里面添加USB HID相关代码，如图67.3.2.1所示： 上图工程分组中的Middlewares/USB_CORE和Middlewares/USB_CLASS分组下的.c文件，直接拷贝ST官方USB HOST库。我们重点介绍下USB_APP里面的usbh_hid_mouse.c和usbh_processs文件，usbh_process文件是我们自己写的demo文件，usbh_hid_mouse.c文件拷贝自ST官方例程，但是ST官方例程对鼠标的支持不好（兼容性差，不支持滚轮等），我们重写了该文件，下面介绍这两个文件和main.c。
1. USB驱动代码usbh_hid_mouse.h，首先介绍usbh_hid_mouse.h里面定义的一个结构体，具体如下： - /* 鼠标信息结构体*/
- typedef struct _HID_MOUSE_Info
- {
- uint8_t x; /* x轴增量（强制转换成signed char后使用）*/
- uint8_t y; /* y轴增量（强制转换成signed char后使用）*/
- uint8_t z; /* z轴增量（强制转换成signed char后使用）*/
- uint8_t button; /* 将buttons修改为button, 存储按键状态 */
- }
- HID_MOUSE_Info_TypeDef;
HID_MOUSE_Info_TypeDef结构体中，成员x和y表示鼠标的横向/纵向移动的增量值，成员z表示鼠标的滚轮的滚动增量值。button的bit0、bit1、bit2分别表示鼠标的：左键、右键和滚轮键的按下状态。我们通过这个结构体，就可以获得当前鼠标的输入状态。
usbh_hid_mouse.c，总共有三个函数，首先介绍的是USBH鼠标初始化函数，其定义如下： - /* 鼠标信息(坐标+按钮状态)*/
- HID_MOUSE_Info_TypeDef mouse_info;
- /* 鼠标上报数据长度,最多HID_QUEUE_SIZE个字节*/
- uint8_t mouse_report_data[HID_QUEUE_SIZE];
- /**
- *@brief USBH 鼠标初始化
- *@param phost :USBH句柄指针
- *@retval USB状态
- * @arg USBH_OK(0) , 正常;
- * @arg USBH_BUSY(1) , 忙;
- * @arg 其他 , 失败;
- */
- USBH_StatusTypeDef USBH_HID_MouseInit(USBH_HandleTypeDef *phost)
- {
- HID_HandleTypeDef *HID_Handle =
- (HID_HandleTypeDef *) phost->pActiveClass->pData;
- mouse_info.x = 0;
- mouse_info.y = 0;
- mouse_info.button = 0;
- if (HID_Handle->length > sizeof(mouse_report_data))
- {
- HID_Handle->length = sizeof(mouse_report_data);
- }
- HID_Handle->pData = (uint8_t *)mouse_report_data;
- USBH_HID_FifoInit(&HID_Handle->fifo, phost->device.Data, HID_QUEUE_SIZE);
- return USBH_OK;
- }
USBH_HID_MouseInit函数，用于初始化鼠标，指定USB鼠标输出数据的缓存，初始化FIFO等，该函数在USBH_HID_Process函数里面被调用。
接下来介绍的是USBH获取鼠标信息函数，其定义如下： - /**
- *@brief USBH 获取鼠标信息
- *@param phost : USBH句柄指针
- *@retval 鼠标信息(HID_MOUSE_Info_TypeDef)
- */
- HID_MOUSE_Info_TypeDef *USBH_HID_GetMouseInfo(USBH_HandleTypeDef *phost)
- {
- if (USBH_HID_MouseDecode(phost) == USBH_OK)
- {
- return &mouse_info;
- }
- else
- {
- return NULL;
- }
- }
USBH_HID_GetMouseInfo函数，用于获取鼠标信息，通过USBH_HID_MouseDecode函数获取当前鼠标传回来的数据。该函数在USB_Demo函数里面被调用。
最后介绍的是USBH 鼠标数据解析函数，其定义如下： - /**
- *@brief USBH 鼠标数据解析函数
- *@param phost :USBH句柄指针
- *@retval USB状态
- * @arg USBH_OK(0) , 正常;
- * @arg USBH_BUSY(1) , 忙;
- * @arg 其他 , 失败;
- */
- USBH_StatusTypeDef USBH_HID_MouseDecode(USBH_HandleTypeDef *phost)
- {
- HID_HandleTypeDef *HID_Handle =
- (HID_HandleTypeDef *) phost->pActiveClass->pData;
- if (HID_Handle->length == 0)return USBH_FAIL;
- if (USBH_HID_FifoRead(&HID_Handle->fifo, &mouse_report_data,
- HID_Handle->length) == HID_Handle->length) /* 读取FIFO */
- {
- mouse_info.button =mouse_report_data[0];
- mouse_info.x = mouse_report_data[1];
- mouse_info.y = mouse_report_data[2];
- mouse_info.z = mouse_report_data[3];
- return USBH_OK;
- }
- return USBH_FAIL;
- }
USBH_HID_MouseDecode函数，用于解析USB HOST获取到的USB鼠标数据，并存放到mouse_info结构体里面。该函数被USBH_HID_GetMouseInfo函数调用。
2. usbh_process.c代码- USBH_HandleTypeDef hUSBHost; /* USB Host处理结构体 */
- /* 应用状态结构体类型定义 */
- typedef enum
- {
- APPLICATION_IDLE = 0, /* 挂起状态 */
- APPLICATION_DISCONNECT, /* 断开连接 */
- APPLICATION_START, /* 应用开始（连接上了） */
- APPLICATION_READY, /* 准备完成（可以执行相关应用代码了） */
- APPLICATION_RUNNING, /* 运行中 */
- }HID_ApplicationTypeDef;
- extern HID_MOUSE_Info_TypeDef mouse_info;
- HID_ApplicationTypeDef App_State = APPLICATION_IDLE;
- uint8_t g_usb_first_plugin_flag = 0; /* USB第一次插入标志,如果为1,说明是第一次插入 */
- /**
- *@brief USB信息显示
- *@param msg : 信息类型
- * @arg 0, USB无连接
- * @arg 1, USB键盘
- * @arg 2, USB鼠标
- * @arg 3, 不支持的USB设备
- *@retval 无
- */
- voidusbh_msg_show(uint8_t msgx)
- {
- switch (msgx)
- {
- case 0: /* USB无连接 */
- lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "USBConnecting...", RED);
- lcd_fill(0, 150, lcddev.width, lcddev.height, WHITE);
- break;
- case 1: /* USB键盘 */
- lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "USB Connected ", RED);
- lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "USBKeyBoard", RED);
- lcd_show_string(30, 180, 210, 16, 16, "KEYVAL:", RED);
- lcd_show_string(30, 200, 210, 16, 16, "INPUTSTRING:", RED);
- break;
- case 2: /* USB鼠标 */
- lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "USBConnected ", RED);
- lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "USBMouse", RED);
- lcd_show_string(30, 180, 210, 16, 16, "BUTTON:", RED);
- lcd_show_string(30, 200, 210, 16, 16, "XPOS:", RED);
- lcd_show_string(30, 220, 210, 16, 16, "YPOS:", RED);
- lcd_show_string(30, 240, 210, 16, 16, "ZPOS:", RED);
- break;
- case 3: /* 不支持的USB设备 */
- lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "USBConnected ", RED);
- lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "UnknowDevice", RED);
- break;
- }
- }
- /**
- *@brief 完成USBH不同用户状态下的数据处理
- *@param phost : USBH句柄指针
- *@param id : USBH当前的用户状态
- *@retval 无
- */
- voidUSBH_UserProcess(USBH_HandleTypeDef *phost, uint8_t id)
- {
- uint8_t dev_type = 0xFF; /* 设备类型,1,键盘;2,鼠标;其他,不支持的设备 */
- switch (id)
- {
- caseHOST_USER_SELECT_CONFIGURATION:
- break;
- caseHOST_USER_DISCONNECTION:
- usbh_msg_show(0); /* 显示已经断开连接,准备重新连接 */
- App_State = APPLICATION_DISCONNECT;
- break;
- caseHOST_USER_CLASS_ACTIVE:
- App_State = APPLICATION_READY;
- dev_type = phost->device.CfgDesc.Itf_Desc[phost->
- device.current_interface].bInterfaceProtocol;
- if (dev_type ==HID_KEYBRD_BOOT_CODE) /* 键盘设备 */
- {
- g_usb_first_plugin_flag = 1; /* 标记第一次插入 */
- usbh_msg_show(1); /* 显示键盘界面 */
- }
- else if (dev_type ==HID_MOUSE_BOOT_CODE) /* 鼠标设备 */
- {
- g_usb_first_plugin_flag = 1; /* 标记第一次插入 */
- usbh_msg_show(2); /* 显示鼠标界面 */
- }
- else
- {
- usbh_msg_show(3); /* 显示不支持 */
- }
-
- break;
- caseHOST_USER_CONNECTION:
- App_State = APPLICATION_START;
- break;
- default:
- break;
- }
- }
- /* 临时数组,用于存放鼠标坐标/键盘输入内容(4.3屏,最大可以输入2016字节) */
- #if !(__ARMCC_VERSION >= 6010050) /* 不是AC6编译器，即使用AC5编译器时 */
- __align(4) uint8_t g_temp_buffer[2017];
- #else /* 使用AC6编译器时 */
- __ALIGNED(4) uint8_t g_temp_buffer[2017];
- #endif
- /**
- *@brief USB鼠标数据处理
- *@param data : USB鼠标数据结构体指针
- *@retval 无
- */
- voidmouse_data_process(HID_MOUSE_Info_TypeDef *data)
- {
- static signed short x, y, z;
- if (g_usb_first_plugin_flag) /* 第一次插入,将数据清零 */
- {
- g_usb_first_plugin_flag = 0;
- x = y = z = 0;
- }
- x += (signed char)data->x;
- if (x > 9999)
- {
- x = 9999;
- }
- if (x < -9999)
- {
- x = -9999;
- }
- y += (signed char)data->y;
- if (y > 9999)
- {
- y = 9999;
- }
- if (y < -9999)
- {
- y = -9999;
- }
- z += (signed char)data->z;
- if (z > 9999)
- {
- z = 9999;
- }
- if (z < -9999)
- {
- z = -9999;
- }
- sprintf((char *)g_temp_buffer, "BUTTON:");
- if (data->button & 0x01)
- {
- strcat((char *)g_temp_buffer, "LEFT ");
- }
- if ((data->button & 0x03) == 0x02)
- {
- strcat((char *)g_temp_buffer, "RIGHT");
- }
- else
- {
- if ((data->button & 0x03) == 0x03)
- {
- strcat((char *)g_temp_buffer,"+RIGHT");
- }
- }
-
- if ((data->button & 0x07) == 0x04)
- {
- strcat((char *)g_temp_buffer, "MID ");
- }
- else
- {
- if ((data->button & 0x07) > 0x04)
- {
- strcat((char *)g_temp_buffer, "+MID");
- }
- }
-
- lcd_fill(30 + 56, 180, lcddev.width - 1, 180 + 16, WHITE);
- lcd_show_string(30, 180, 210, 16, 16, (char *)g_temp_buffer, BLUE);
- sprintf((char *)g_temp_buffer, "XPOS:%05d", x);
- lcd_show_string(30, 200, 200, 16, 16, (char *)g_temp_buffer, BLUE);
- sprintf((char *)g_temp_buffer, "YPOS:%05d", y);
- lcd_show_string(30, 220, 200, 16, 16, (char *)g_temp_buffer, BLUE);
- sprintf((char *)g_temp_buffer, "ZPOS:%05d", z);
- lcd_show_string(30, 240, 200, 16, 16, (char *)g_temp_buffer, BLUE);
- //printf("btn,X,Y,Z:0x%x,%d,%d,%d\r\n",data->button,
- (signed char)data->x,(signed char)data->y,(signed char)data->z);
- }
- /**
- *@brief USB键盘数据处理
- *@param data : USB键盘键值
- *@retval 无
- */
- void keybrd_data_process(uint8_t data)
- {
- static uint16_t pos;
- static uint16_t endx, endy;
- static uint16_t maxinputchar;
- uint8_t buf[4];
- if (g_usb_first_plugin_flag) /* 第一次插入,将数据清零 */
- {
- g_usb_first_plugin_flag = 0;
- endx = ((lcddev.width - 30) / 8) * 8 + 30; /* 得到endx值 */
- endy = ((lcddev.height - 220) / 16) * 16 + 220; /* 得到endy值 */
- maxinputchar = ((lcddev.width - 30) / 8);
- maxinputchar *= (lcddev.height - 220) / 16;/* 当前LCD最大可以显示的字符数 */
- pos = 0;
- }
- sprintf((char *)buf, "%02X", data);
- lcd_show_string(30 + 56, 180, 200, 16, 16, (char *)buf, BLUE); /* 显示键值 */
- if (data >= ' ' && data <= '~')
- {
- g_temp_buffer[pos++] = data;
- g_temp_buffer[pos] = 0; /* 添加结束符 */
- if (pos > maxinputchar)
- {
- pos = maxinputchar; /* 最大输入这么多 */
- }
- }
- else if (data == 0x0D) /* 退格键 */
- {
- if (pos)
- {
- pos--;
- }
- g_temp_buffer[pos] = 0; /* 添加结束符 */
- }
- if (pos <= maxinputchar) /* 没有超过显示区 */
- {
- lcd_fill(30, 220, endx, endy, WHITE);
- lcd_show_string(30, 220, endx - 30, endy - 220, 16, (char *)
- g_temp_buffer, BLUE);
- }
- //printf("KEY Board Value:%02X\r\n", data);
- //printf("KEY Board Char:%c\r\n", data);
- }
- /**
- *@brief USB键盘/鼠标演示demo数据处理
- *@param phost : USBH句柄指针
- *@retval 无
- */
- void usb_demo(USBH_HandleTypeDef *phost)
- {
- char c;
- HID_KEYBD_Info_TypeDef *k_pinfo;
- HID_MOUSE_Info_TypeDef *m_pinfo;
- if (App_State == APPLICATION_READY)
- {
- if (USBH_HID_GetDeviceType(phost) == HID_KEYBOARD) /* 键盘设备 */
- {
- k_pinfo =USBH_HID_GetKeybdInfo(phost); /* 获取键盘信息 */
- if (k_pinfo != NULL)
- {
- c = USBH_HID_GetASCIICode(k_pinfo); /* 转换成ASCII码 */
- keybrd_data_process(c); /* 在LCD上显示出键盘字符 */
- }
- }
- else if (USBH_HID_GetDeviceType(phost) == HID_MOUSE)/* 鼠标设备 */
- {
- m_pinfo =USBH_HID_GetMouseInfo(phost); /* 获取鼠标信息 */
- if (m_pinfo != NULL)
- {
- mouse_data_process(&mouse_info); /* LCD上显示鼠标信息 */
- }
- }
- }
- }
- /*****************************************************************************/
- /* 以下代码 usbh_check_enume_dead 和 usbh_hid_reconnect 用于HID死机处理,
- 提高代码健壮性 */
- /**
- *@brief USB枚举状态死机检测,防止USB枚举失败导致的死机
- *@param phost : USB HOST结构体指针
- *@retval 0, 没有死机
- * 1,死机了,外部必须重新启动USB连接.
- */
- uint8_t usbh_check_enume_dead(USBH_HandleTypeDef *phost)
- {
- static uint16_t errcnt = 0;
- /* 这个状态,如果持续存在,则说明USB死机了 */
- if (phost->gState == HOST_ENUMERATION && (phost->EnumState == ENUM_IDLE ||
- phost->EnumState ==ENUM_GET_FULL_DEV_DESC))
- {
- errcnt++;
- if (errcnt > 2000) /* 死机了 */
- {
- errcnt = 0;
- return 1;
- }
- }
- else
- {
- errcnt = 0;
- }
- return 0;
- }
- /**
- *@brief USB HID重新连接
- *@param 无
- *@retval 无
- */
- voidusbh_hid_reconnect(void)
- {
- /* 关闭之前的连接 */
- HID_Class.DeInit(&hUSBHost); /* 复位HID */
- USBH_DeInit(&hUSBHost); /* 复位USB HOST */
-
- /* 重新复位USB */
- RCC->AHB2RSTR |= 1 << 7; /* USB OTG FS 复位 */
- delay_ms(5);
- RCC->AHB2RSTR &= ~(1 << 7); /* 复位结束 */
- memset(&hUSBHost, 0, sizeof(hUSBHost)); /* 清零数据 */
-
- /* 重新连接USB HID设备 */
- USBH_Init(&hUSBHost,USBH_UserProcess, 0);
- USBH_RegisterClass(&hUSBHost, USBH_HID_CLASS);
- USBH_Start(&hUSBHost);
- }
usbh_msg_show函数，用于显示一些提示信息，在USBH_UserProcess函数里面被调用。
USBH_UserProcess函数，用于执行USB主机不同用户状态下的数据处理，在usbh_core.c等相关文件里面被调用，该函数仅针对两个状态进行处理： 1）HOST_USER_DISCONNECTION，表示连接断开了，我们在屏幕显示连接断开，并设置App_State状态为APPLICATION_DISCONNECT； 2）HOST_USER_CLASS_ACTIVE，表示USB主机类激活，即接入USB设备已经准备就绪，可以正常工作了，我们设置App_State状态为：APPLICATION_READY，并根据接入设备的不同（鼠标/键盘）显示不同的信息。
mouse_data_process函数，用于处理USB鼠标数据，在液晶屏上面显示鼠标的移动坐标值和按键状态等信息，该函数在USB_Demo函数里面被调用。
keybrd_data_process函数，用于处理键盘数据，在液晶屏上面显示键盘的输入内容，最多支持2017个字符的输入显示。该函数在USB_Demo函数里面被调用。
usb_demo函数，根据当前用户状态和USB接入设备的类型，执行不同的数据处理。该函数在main函数里面被调用。
usbh_check_enume_dead函数，获取USB枚举状态，防止USB枚举失败导致的死机。该函数在main函数里面的while循环里面被调用。
usbh_hid_reconnect函数，重新连接HID设备。当USB枚举失败后，会调用该函数，重新连接HID设备。
3. main.c代码下面是main.c的程序，具体如下： - int main(void)
- {
- HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
- sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟,168Mhz */
- delay_init(168); /* 延时初始化 */
- usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
- led_init(); /* 初始化LED */
- lcd_init(); /* 初始化LCD */
- key_init(); /* 初始化按键 */
- sram_init(); /* 初始化外部SRAM */
- my_mem_init(SRAMIN); /* 初始化内部SRAM内存池 */
- my_mem_init(SRAMEX); /* 初始化外部SRAM内存池 */
- my_mem_init(SRAMCCM); /* 初始化内部SRAMCCM内存池 */
- lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
- lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "USBMOUSE/KEYBOARD TEST", RED);
- lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
- lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "USB Connecting...", RED);
- USBH_Init(&hUSBHost,USBH_UserProcess, 1);
- USBH_RegisterClass(&hUSBHost, USBH_HID_CLASS);
- USBH_Start(&hUSBHost);
- while (1)
- {
- USBH_Process(&hUSBHost);
- usb_demo(&hUSBHost);
- if(usbh_check_enume_dead(&hUSBHost))
- /* 检测USB HOST 枚举是否死机了?死机了,则重新初始化 */
- {
- printf("Error!USB HID reconnect!\r\n");
- usbh_hid_reconnect(); /* 重连 */
- }
- }
- }
main函数，初始化各个外设后，通过USBH_Init等3个函数初始化并启动USB主机通信，然后进入死循环，不停的调用USBH_Process、usb_demo和判断USB HOST枚举是否死机，执行各种USB处理。
67.4 下载验证将程序下载到开发板后，然后在USB_HOST端子插入USB鼠标/键盘，注意：此时USB SLAVE口不要插USB线到电脑，否则会干扰！ 等USB鼠标/键盘成功识别后，便可以看到LCD显示USB Connected，并显示设备类型：USB Mouse或者USB KeyBoard，同时也会显示输入的数据，如图67.4.1和图67.4.2所示： 其中，图67.4.1是USB鼠标测试界面，图67.4.2是USB键盘测试界面。
最后，特别提醒大家，由于例程的HID内核，只处理了第一个接口描述符，所以对于USB符合设备，只能识别第一个描述符所代表的设备。体现到实际使用中，就是：USB无线鼠标，一般是无法使用（被识别为键盘），而USB无线键盘，可以使用，因为键盘在第一个描述符，鼠标在第二个描述符。
至此，开发板的所有实验就介绍完了。其中，参考了不少网友的代码，对这些网友表示衷心的感谢，同时我也希望我们的这些代码，可以让大家有所受益，能开发出更强更好的产品。
实验例程较多，希望大家慢慢理解，各个攻破，最后祝大家身体健康、学习进步！
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发表于 2023-9-28 18:08:44
