单片机中的USB

一般来说单片机与电脑的通讯常常使用串口，但是串口的速度并不快，想要更加高速的和上位机通讯可以使用USB接口。

USB中的CDC类来虚拟串口Virtual COM Port(VCP)就可以做到这个。

从USB版本来说目前STM32系列MCU可以认为都是USB2.0的（现在还有了UCPD，对外接口外形可以是Type-C的，但是这个是只能用于PD3.0充电使用的，无法用于数据通讯）。

从硬件接口功能上来说STM32系列MCU的USB分为 USB_FS 、 USB_OTG_FS 、 USB_OTG_HS 三种。其中的FS指的是全速（Full Speed），HS指的是高速（High Speed）。OTG指的是既可以作为Device（从设备）使用，也可以作为Host（主机）使用。

Full Speed 理论上速度为12Mbit/s，High Speed 理论上速度为480Mbit/s

对于STM32系列MCU而言，USB FS的使用只要使用 DM / D- 和 DP / D+ 这两个引脚就行了，最多也就加上ID、SOF、VBUS这三个引脚。而使用USB HS大多数还需要外接PHY芯片（比如USB3300），这样使用的引脚就多了，至少也要用到12个引脚。STM32系列MCU中目前只有STM32F723内置USB HS PHY功能，不需要外接PHY芯片。

在HAL库CubeMX上的使用

在CubeMX上使用比较简单这边就先介绍这种用法

  1. 使用外部时钟，对于USB_FS来说总线时钟一般为48MHz
  2. 设置为Device_Only只作为从设备使用（根据具体使用情况来）
  3. 中间件中启用USB_DEVICE库，使用CDC类（Communication Device Class Virtual Port Com）

相关的代码在USB_DEVICE下的App中，最重要的就是 usbd_cdc_if.c 文件

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#include "usbd_cdc_if.h"

// 数据收发缓存，这部分也可以完全由用户自行定义
uint8_t UserRxBufferFS[APP_RX_DATA_SIZE]; // 接收缓存
uint8_t UserTxBufferFS[APP_TX_DATA_SIZE]; // 发送缓存

extern USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS;

// 初始化USB_CDC
static int8_t CDC_Init_FS(void)
{
  USBD_CDC_SetTxBuffer(&hUsbDeviceFS, UserTxBufferFS, 0); // 设置发送缓存
  USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, UserRxBufferFS); // 设置接收缓存
}

// 反初始化USB_CDC
static int8_t CDC_DeInit_FS(void){}

// 来自主机的请求处理
// cmd: 命令代码
// pbuf & length: 请求数据指针与长度
static int8_t CDC_Control_FS(uint8_t cmd, uint8_t* pbuf, uint16_t length)
{
  switch(cmd)
  {
  /***********************************************************************************************/
  /* Line Coding Structure                                                                       */
  /*---------------------------------------------------------------------------------------------*/
  /* Offset | Field       | Size | Description                                                   */
  /* 0      | dwDTERate   |   4  | Data terminal rate, in bits per second                        */
  /* 4      | bCharFormat |   1  | Stop bits: 0 - 1 Stop bit; 1 - 1.5 Stop bits; 2 - 2 Stop bits */
  /* 5      | bParityType |   1  | Parity: 0 - None; 1 - Odd; 2 - Even; 3 - Mark; 4 - Space      */
  /* 6      | bDataBits   |   1  | Data bits (5, 6, 7, 8 or 16).                                 */
  /***********************************************************************************************/
    case CDC_SET_LINE_CODING: break; // 主机设置串口参数
  }
}

// 接收回调函数
// Buf & Len: 当前收到这一包数据指针与长度
static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len)
{
  USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]); // 重新设置接收缓存
  // 注意默认情况下上面一行代码相当于 USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, UserRxBufferFS);
  USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS); // 重新启动数据接收
}

// 数据发送函数
// Buf & Len: 要发送的数据指针与长度
uint8_t CDC_Transmit_FS(uint8_t* Buf, uint16_t Len)
{
  USBD_CDC_HandleTypeDef *hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef*)hUsbDeviceFS.pClassData;
  if (hcdc->TxState != 0){
    return USBD_BUSY; // 如果当前USB繁忙则返回USBD_BUSY
  }
  USBD_CDC_SetTxBuffer(&hUsbDeviceFS, Buf, Len); // 设置要发送的数据
  result = USBD_CDC_TransmitPacket(&hUsbDeviceFS); // 发送数据
}

// 发送完成回调函数
// Buf & Len: 所送的数据指针与长度
static int8_t CDC_TransmitCplt_FS(uint8_t *Buf, uint32_t *Len, uint8_t epnum){}

CDC_Control_FS() 来自主机请求的回调函数
CDC_Receive_FS() 接收数据回调函数；
CDC_Transmit_FS() 用来发送数据；
CDC_TransmitCplt_FS() 发送完成回调函数；

一些需要注意的设置

USB收发数据都是以一个包一个包的形式进行的，包的大小一方面和USB的协议有关，一方面和程序有关，查看usbd_cdc.h文件

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/* CDC Endpoints parameters:                                                         */
/* you can fine tune these values depending on the needed baudrates and performance. */
#define CDC_DATA_HS_MAX_PACKET_SIZE    512U  /* Endpoint IN & OUT Packet size */
#define CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE    64U   /* Endpoint IN & OUT Packet size */
#define CDC_CMD_PACKET_SIZE            8U    /* Control Endpoint Packet size */

#define CDC_DATA_HS_IN_PACKET_SIZE     CDC_DATA_HS_MAX_PACKET_SIZE
#define CDC_DATA_HS_OUT_PACKET_SIZE    CDC_DATA_HS_MAX_PACKET_SIZE

#define CDC_DATA_FS_IN_PACKET_SIZE     CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE
#define CDC_DATA_FS_OUT_PACKET_SIZE    CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE

在使用的时候要合理设计数据收发逻辑。对于接收而言可以设计特殊字符用于标示一帧数据结束，或是设计超时时间来判断一帧数据结束。对于发送而言通常不会有太大问题，一次性发送大量数据也行，在全部发送完成后会触发发送完成回调函数CDC_TransmitCplt_FS。

用USB虚拟串口的时候真正数据传输用的是USB，串口本身的参数这些已经关系不大了，但是当单片机一方面要用USB虚拟串口又要用串口和其他模块进行通讯的时候就会出现问题。这时候就要对CDC_SET_LINE_CODING节点进行处理了。