「正点原子NANO STM32开发板资料连载」第三十五章 USB 虚拟串口实验

1）实验平台：alientek NANO STM32F411 V1开发板
2）摘自《正点原子STM32F4 开发指南（HAL 库版》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第三十五章 USB 虚拟串口（Slave）实验
上一章我们向大家介绍了如何利用 NANO STM32F4 的 USB 接口来做一个 USB 读卡器，本章我们将利用 STM32F411 的 USB 来做一个虚拟串口（VCP）。本章分为如下几个部分：
35.1 USB 虚拟串口简介
35.2 硬件设计
35.3 软件设计
35.4 下载验证
35.1 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：7，STM32 参考资料
STM32 USB 学习资料STM32_USB-Host-Device_Lib_V2.1.0ProjectUSB_Device_ExamplesVCP，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。
35.2 硬件设计
本章实验功能简介：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 4（串口实验），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 和电脑建立连接虚拟出一个串口（注意：需要先安装:光盘5，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），USB 和电脑连接成功后，DS1 常亮。
在找到虚拟串口后，即可打开串口调试助手，实现同实验 4 一样的功能，即：STM32 通过 USB 虚拟串口和上位机对话，STM32 在收到上位机发过来的字符串（以回车换行结束）后，原原本本的返回给上位机。下载后，DS0 闪烁，提示程序在运行，同时每隔一定时间，通过USB 虚拟串口输出一段信息到电脑。所要用到的硬件资源如下：
1）指示灯 DS0 、DS1
2）串口
3）USB SLAVE 接口
前面 3 部分，在之前的实例中都介绍过了，我们在此就不介绍了。接下来看看我们电脑 USB
与 STM32 的 USB SLAVE 连接口。ALIENTEK NANO STM32F4 采用的是 5PIN 的 MicroUSB
接头，用来和电脑的 USB 相连接，连接电路如图 35.2.1 所示：

35.3 软件设计
本章，我们在：实验 4 串口通信实验的基础上修改，先打开实验 4 的工程，在 HARDWARE
文件夹所在文件件下新建一个 USB 的文件夹，同上一章一样，对照官方 VCP 例子，将相关文
件拷贝到 USB 文件夹下。
然后，我们在工程里面去掉一些不必要的代码，并添加 USB 相关代码，最终得到如图 35.3.1
所示的工程：

可以看到，USB 部分代码，同上一章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 里面的这四个.c 文件了。
其中 u***_bsp.c 和 u***d_usr.c 的代码，和上一章基本一样，可以用上一章的代码直接替换即
可正常使用。
u***_desc.c 代码，同上一章不一样，上一章描述符是大容量存储设备，本章变成了 USB 虚
拟串口，所以直接用 ST 官方的就行。
最后 u***d_cdc_vcp.c，这里面的代码，是重点要修改的，修改后代码如下：
//USB 虚拟串口相关配置参数
LINE_CODING 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
};
u8 USART_PRINTF_Buffer[USB_USART_REC_LEN]; //u***_printf 发送缓冲区
//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.
u8 USB_USART_RX_BUF[USB_USART_REC_LEN];
//接收缓冲,最大 USART_REC_LEN 个字节.
//接收状态
//bit15， 接收完成标志
//bit14， 接收到 0x0d
//bit13~0，
接收到的有效字节数目
u16 USB_USART_RX_STA=0;
//接收状态标记
extern uint8_t APP_Rx_Buffer [];
//虚拟串口发送缓冲区(发给电脑)
extern uint32_t APP_Rx_ptr_in;
//虚拟串口接收缓冲区(接收来自电脑的数据)
//虚拟串口配置函数(供 USB 内核调用)
CDC_IF_Prop_TypeDef VCP_fops =
{
VCP_Init,
VCP_DeInit,
VCP_Ctrl,
VCP_DataTx,
VCP_DataRx
};
//初始化 VCP
//返回值:USBD_OK
uint16_t VCP_Init(void)
{
return USBD_OK;
}
//复位 VCP
//返回值:USBD_OK
uint16_t VCP_DeInit(void)
{
return USBD_OK;
}
//控制 VCP 的设置
//buf:命令数据缓冲区/参数保存缓冲区
//len:数据长度
//返回值:USBD_OK
uint16_t VCP_Ctrl (uint32_t Cmd, uint8_t* Buf, uint32_t Len)
{
switch (Cmd)
{
case SEND_ENCAPSULATED_COMMAND:break;
case GET_ENCAPSULATED_RESPONSE:break;
case SET_COMM_FEATURE:break;
case GET_COMM_FEATURE:break;
case CLEAR_COMM_FEATURE:break;
case SET_LINE_CODING:
linecoding.bitrate = (uint32_t)(Buf[0] | (Buf[1] << 8) | (Buf[2] << 16) |
(Buf[3] << 24));
linecoding.format = Buf[4];
linecoding.paritytype = Buf[5];
linecoding.datatype = Buf[6];
//打印配置参数
printf("linecoding.format:%drn",linecoding.format);
printf("linecoding.paritytype:%drn",linecoding.paritytype);
printf("linecoding.datatype:%drn",linecoding.datatype);
printf("linecoding.bitrate:%drn",linecoding.bitrate);
break;
case GET_LINE_CODING:
Buf[0] = (uint8_t)(linecoding.bitrate);
Buf[1] = (uint8_t)(linecoding.bitrate >> 8);
Buf[2] = (uint8_t)(linecoding.bitrate >> 16);
Buf[3] = (uint8_t)(linecoding.bitrate >> 24);
Buf[4] = linecoding.format;
Buf[5] = linecoding.paritytype;
Buf[6] = linecoding.datatype;
break;
case SET_CONTROL_LINE_STATE:break;
case SEND_BREAK:break;
default:break;
}
return USBD_OK;
}
//发送一个字节给虚拟串口(发给电脑)
//data:要发送的数据
//返回值:USBD_OK
uint16_t VCP_DataTx (uint8_t data)
{
APP_Rx_Buffer[APP_Rx_ptr_in]=data;
//写入发送 buf
APP_Rx_ptr_in++;
//写位置加 1
if(APP_Rx_ptr_in==APP_RX_DATA_SIZE) //超过 buf 大小了,归零.
{
APP_Rx_ptr_in = 0;
}
return USBD_OK;
}
//处理从 USB 虚拟串口接收到的数据
//databuffer:数据缓存区
//Nb_bytes:接收到的字节数.
//返回值:USBD_OK
uint16_t VCP_DataRx (uint8_t* Buf, uint32_t Len)
{
u8 i;
u8 res;
for(i=0;i {
res=Buf;
if((USB_USART_RX_STA&0x8000)==0)
//接收未完成
{
if(USB_USART_RX_STA&0x4000)
//接收到了 0x0d
{
if(res!=0x0a)USB_USART_RX_STA=0;//接收错误,重新开始
else USB_USART_RX_STA|=0x8000; //接收完成了
}else //还没收到 0X0D
{
if(res==0x0d)USB_USART_RX_STA|=0x4000;
else
{
USB_USART_RX_BUF[USB_USART_RX_STA&0X3FFF]=res;
USB_USART_RX_STA++;
if(USB_USART_RX_STA>(USB_USART_REC_LEN-1))
USB_USART_RX_STA=0;//接收数据错误,重新开始接收
}
}
}
}
return USBD_OK;
}
//u*** 虚拟串口,printf 函数
//确保一次发送数据不超 USB_USART_REC_LEN 字节
void u***_printf(char* fmt,...)
{
u16 i,j;
va_list ap;
va_start(ap,fmt);
vsprintf((char*)USART_PRINTF_Buffer,fmt,ap);
va_end(ap);
i=strlen((const char*)USART_PRINTF_Buffer);//此次发送数据的长度
for(j=0;j {
VCP_DataTx(USART_PRINTF_Buffer[j]);
}
}
此部分总共 6 个函数，其中前 5 个函数，用于初始化 VCP_fops 结构体，给 USB 内核调用，
以实现相关功能。接下来我们分别介绍这几个函数。
VCP_Init 用于初始化 VCP，在初始化的时候由 USB 内核调用，这里我们无需任何操作，
所以直接范围 USBD_OK 即可。
VCP_DeInit 用于复位 VCP，我们用不到，所以直接返回 USBD_OK 即可。
VCP_Ctrl 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
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。
VCP_DataTx 用于发送一个字节的数据给 VCP，应用程序每调用一次该函数，就可以发送
一个字节给 VCP，由 VCP 通过 USB 传输给电脑，实现 VCP 的数据发送。
VCP_DataRx 用于 VCP 的数据接收，当 STM32 的 USB 接收到电脑端串口发送过来的数据
时，由 USB 内核程序调用该函数，实现 VCP 的数据接收。我们只需要在该函数里面，将接收
到的数据，保存起来即可，接收的原理同第八章（实验 3 串口通信实验）完全一样。
u***_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：CD00289278.pdf
这个文档。
最后在 test.c 里面，我们修改 main 函数如下：
USB_OTG_CORE_HANDLE
USB_OTG_dev;
extern vu8 bDeviceState;
//USB 连接 情况
int main(void)
{
u8 t;
u8 len;
u16 times=0;
u8 u***status=0;
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(96,4,2,4);
//设置时钟,96Mhz
delay_init(96);
//初始化延时函数
LED_Init();
//初始化 LED
uart_init(115200);
//初始化 USART
printf("NANO STM32rn");
printf("USB Virtual USART TESTrn");
USBD_Init(&USB_OTG_dev,USB_OTG_FS_CORE_ID,
&USR_desc,&USBD_CDC_cb,&USR_cb);
while(1)
{
if(u***status!=bDeviceState)//USB 连接状态发生了改变.
{
u***status=bDeviceState;//记录新的状态
if(u***status==1)
{
printf("USB Connectedrn");//提示 USB 连接成功
LED1=0;//DS1 亮
}else
{
printf("USB disConnectedrn");//提示 USB 断开
LED1=1;//DS1 灭
}
}
if(USB_USART_RX_STA&0x8000)
{
len=USB_USART_RX_STA&0x3FFF;//得到此次接收到的数据长度
u***_printf("rn 您发送的消息为:%drnrn",len);
for(t=0;t {
VCP_DataTx(USB_USART_RX_BUF[t]);//以字节方式,发送给 USB
}
u***_printf("rnrn");//插入换行
USB_USART_RX_STA=0;
}else
{
times++;
if(times%5000==0)
{
u***_printf("rnNANO STM32 开发板 USB 虚拟串口实验rn");
u***_printf("正点原子@ALIENTEKrnrn");
}
if(times%200==0)u***_printf("请输入数据,以回车键结束rn");
if(times%30==0)LED0=!LED0;//闪烁 LED,提示系统正在运行.
delay_ms(10);
}
}
}
此部分代码比较简单，同上一章一样定义了 USB_OTG_dev 结构体，然后通过 USBD_Init
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。
35.4 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，该软件路径：光
盘5，软件资料1，软件STM32 USB 虚拟串口驱动 VCP_V1.4.0_Setup.exe，双击安装即
可。
然后，在代码编译成功之后，我们下载代码到 NANO STM32F4 V1 上，然后将 USB 数据
线，插入 USB_SLAVE 口，连接电脑和开发板（注意：不是插 USB_JTAG 端口！），此时电
脑会提示找到新硬件，并自动安装驱动。不过，如果自动安装不成功（有惊叹号），如图 35.4.1所示：

图 35.4.1 自动安装失败

此时，我们可手动选择驱动（以 WIN7 为例），进行安装，在如图 35.4.1 所示的条目上面，
右键更新驱动程序软件浏览计算机以查找驱动程序软件浏览，选择 STM32 虚拟串口的驱
动的路径为：C:Program Files (x86)STMicroelectronicsSoftwareVirtual comport driverWIN7，然
后点击下一步，即可完成安装。安装完成后，可以看到设备管理器里面多出了一个 STM32 的
虚拟串口，如图 35.4.2 所示：

图 35.4.2 发现 STM32 USB 虚拟串口

如图 35.4.2，STM32 通过 USB 虚拟的串口，被电脑识别了，端口号为：COM60（可变），
字符串名字为：STMicroelectronics Virtual COM Port（固定）。此时，开发板的 DS1 常亮，以
表示 USB 已连接，同时开发板串口 1 会打印 USB 连接的状态信息，如图 35.4.3 所示：

图 35.4.3 USB 虚拟串口连接成功

我们另外打开多一个 XCOM，选择 USB 的虚拟串口，这里选择 COM60（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 35.4.4 所示：

图 35.4.4 STM32 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。实验现象同第九章完全一样。
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。