STM32F4系列USB接口
1. USB接口概述USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种标准的串行接口，广泛应用于计算机和各种外部设备之间进行通信和供电。STM32F4系列单片机集成了多个USB接口，包括全速USB（FS）、高速USB（HS）和USB OTG（On-The-Go）接口。这些接口支持多种USB设备模式，如设备模式、主机模式和OTG模式，可以满足不同应用场景的需求。
1.1 USB接口类型
STM32F4系列单片机支持以下几种USB接口类型：
全速USB（FS）：最高传输速率为12 Mbps，适用于需要简单、低功耗USB通信的场景。
高速USB（HS）：最高传输速率为480 Mbps，适用于需要高速数据传输的场景。
USB OTG：支持USB设备模式和主机模式的切换，适用于需要在设备和主机之间灵活切换的场景。
1.2 USB接口功能
STM32F4系列单片机的USB接口具有以下功能：
设备模式：作为USB设备与主机通信，支持多种USB设备类标准（如HID、CDC、Mass Storage等）。
主机模式：作为USB主机与外部USB设备通信。
OTG模式：支持设备和主机模式的动态切换。
高速和全速支持：根据应用场景选择不同的传输速率。
DMA支持：通过DMA（Direct Memory Access）提高数据传输效率。
电源管理：支持USB供电和低功耗模式。
2. USB接口硬件设计
2.1 USB接口引脚
STM32F4系列单片机的USB接口引脚如下：
DP（D+）：USB数据线正。
DM（D-）：USB数据线负。
VBUS：USB电源线，用于检测USB连接状态。
ID：用于检测USB OTG模式。
2.2 外部电路设计
为了确保USB接口的正常工作，需要设计合适的外部电路。以下是一些基本的外部电路设计要点：
终端电阻：在USB DP和DM引脚之间连接一个1.5kΩ的终端电阻，用于匹配传输线的阻抗。
滤波电容：在VBUS和GND之间连接一个10µF的滤波电容，用于滤除电源噪声。
上拉电阻：在DP引脚和3.3V之间连接一个1.5kΩ的上拉电阻，用于指示设备连接状态。
OTG检测电路：对于USB OTG接口，需要在ID引脚上连接一个下拉电阻和一个上拉电阻，用于检测OTG模式。
2.3 USB电源管理
STM32F4系列单片机的USB接口支持多种电源管理功能，包括：
VBUS检测：通过检测VBUS引脚的电压来确定USB连接状态。
低功耗模式：在不使用USB接口时，可以进入低功耗模式以节省电能。
USB供电：单片机可以通过USB接口获取5V电源，经过内部稳压器转换为3.3V供电。
3. USB接口软件开发
3.1 USB库介绍
STM32F4系列单片机提供了丰富的USB库，包括标准USB设备库、USB主机库和USB OTG库。这些库简化了USB接口的开发工作，提供了多种USB设备类（如HID、CDC、Mass Storage等）的实现。
3.2 USB设备模式开发
3.2.1 CDC设备类（虚拟串口）
CDC（Communication Device Class）设备类可以将STM32F4系列单片机模拟成一个虚拟串口，实现与PC的串行通信。以下是一个简单的CDC设备类开发示例：
配置开发环境：
安装STM32CubeMX工具，生成USB CDC设备类的初始化代码。
使用STM32CubeIDE进行代码开发。
初始化USB接口：
// 初始化USB接口
static void MX_USB_DEVICE_Init(void)
{
USBD_Init(&hUsbDeviceFS, &USD_CDC_cb, 0);
USBD_RegisterClass(&hUsbDeviceFS, USBD_CDC_CLASS);
USBD_CDC_RegisterInterface(&hUsbDeviceFS, &USBD_Interface_fops);
USBD_Start(&hUsbDeviceFS);
}
实现USB CDC类接口：
// USB CDC类接口操作函数
static int8_t CDC_Receive(uint8_t *pData, uint32_t *Len)
{
// 通过CDC设备类接收数据
USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);
return USBD_OK;
}
static int8_t CDC_Transmit(uint8_t *pData, uint32_t Len)
{
// 通过CDC设备类发送数据
USBD_CDC_SendPacket(&hUsbDeviceFS, pData, Len);
return USBD_OK;
}
USBD_CDC_IfTypeDef USBD_Interface_fops = {
CDC_Init,
CDC_DeInit,
CDC_Control,
CDC_Receive,
CDC_Transmit
};
主程序：
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_USB_DEVICE_Init();
while (1)
{
// 主循环中处理USB通信
HAL_Delay(1000);
char data[] = "Hello, USB CDC!";
CDC_Transmit((uint8_t *)data, strlen(data));
}
}
3.3 USB主机模式开发
3.3.1 USB主机类（HID设备）
HID（Human Interface Device）类设备包括键盘、鼠标等输入设备。以下是一个简单的USB主机模式开发示例，实现对HID设备的支持：
配置开发环境：
安装STM32CubeMX工具，生成USB主机类的初始化代码。
使用STM32CubeIDE进行代码开发。
初始化USB主机接口：
// 初始化USB主机接口
static void MX_USB_HOST_Init(void)
{
USBH_Init(&hUsbHost, &USBD_UsrDesc, 0);
USBH_RegisterClass(&hUsbHost, USBH_HID_CLASS);
USBH_Start(&hUsbHost);
}
实现USB HID类接口：
// USB HID类接口操作函数
static void HID_Process(uint8_t *pData, uint32_t Len)
{
// 处理HID设备的数据
for (uint32_t i = 0; i < Len; i++)
{
if (pData == 0x01)
{
// 处理键值0x01
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
}
else if (pData == 0x02)
{
// 处理键值0x02
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
}
}
}
static HID_ReportTypeDef HID_Report = {
HID_Process
};
主程序：
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_USB_HOST_Init();
while (1)
{
// 主循环中处理USB通信
USBH_Process(&hUsbHost);
HAL_Delay(100);
}
}
3.4 USB OTG模式开发
3.4.1 USB OTG设备模式
USB OTG设备模式允许STM32F4系列单片机在没有主机的情况下作为主机运行，实现设备间的直接通信。以下是一个简单的USB OTG设备模式开发示例：
配置开发环境：
安装STM32CubeMX工具，生成USB OTG设备类的初始化代码。
使用STM32CubeIDE进行代码开发。
初始化USB OTG接口：
// 初始化USB OTG接口
static void MX_USB_OTG_FS_DEVICE_Init(void)
{
USBD_Init(&hUsbDeviceFS, &USD_CDC_cb, 0);
USBD_RegisterClass(&hUsbDeviceFS, USBD_CDC_CLASS);
USBD_CDC_RegisterInterface(&hUsbDeviceFS, &USBD_Interface_fops);
USBD_Start(&hUsbDeviceFS);
}
实现USB OTG设备类接口：
// USB OTG设备类接口操作函数
static int8_t CDC_Receive(uint8_t *pData, uint32_t *Len)
{
// 处理接收的数据
USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);
return USBD_OK;
}
static int8_t CDC_Transmit(uint8_t *pData, uint32_t Len)
{
// 发送数据
USBD_CDC_SendPacket(&hUsbDeviceFS, pData, Len);
return USBD_OK;
}
USBD_CDC_IfTypeDef USBD_Interface_fops = {
CDC_Init,
CDC_DeInit,
CDC_Control,
CDC_Receive,
CDC_Transmit
};
主程序：
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_USB_OTG_FS_DEVICE_Init();
while (1)
{
// 主循环中处理USB通信
HAL_Delay(1000);
char data[] = "Hello, USB OTG!";
CDC_Transmit((uint8_t *)data, strlen(data));
}
}
3.4.2 USB OTG主机模式
USB OTG主机模式允许STM32F4系列单片机作为主机，管理多个USB设备。以下是一个简单的USB OTG主机模式开发示例：
配置开发环境：
安装STM32CubeMX工具，生成USB OTG主机类的初始化代码。
使用STM32CubeIDE进行代码开发。
初始化USB OTG主机接口：
// 初始化USB OTG主机接口
static void MX_USB_OTG_FS_HOST_Init(void)
{
USBH_Init(&hUsbHost, &USBD_UsrDesc, 0);
USBH_RegisterClass(&hUsbHost, USBH_HID_CLASS);
USBH_Start(&hUsbHost);
}
实现USB OTG主机类接口：
// USB OTG主机类接口操作函数
static void HID_Process(uint8_t *pData, uint32_t Len)
{
// 处理HID设备的数据
for (uint32_t i = 0; i < Len; i++)
{
if (pData == 0x01)
{
// 处理键值0x01
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
}
else if (pData == 0x02)
{
// 处理键值0x02
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
}
}
}
static HID_ReportTypeDef HID_Report = {
HID_Process
};
主程序：
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_USB_OTG_FS_HOST_Init();
while (1)
{
// 主循环中处理USB通信
USBH_Process(&hUsbHost);
HAL_Delay(100);
}
}
3.5 USB中断处理
USB接口的工作依赖于中断处理，以确保数据的及时传输和处理。以下是一个简单的USB中断处理示例：
// USB中断处理函数
void USB OTG_FS_IRQHandler(void)
{
HAL_USB_OTG_IRQHandler(&hUsbDeviceFS);
}
// USB中断回调函数
void HAL_USB_OTG_FS_DataOutStageCallback(uint8_t epnum)
{
// 处理数据输出中断
if (epnum == 0x01)
{
// 例如处理端点1的数据输出
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET);
}
}
void HAL_USB_OTG_FS_DataInStageCallback(uint8_t epnum)
{
// 处理数据输入中断
if (epnum == 0x81)
{
// 例如处理端点0x81的数据输入
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_RESET);
}
}
void HAL_USB_OTG_FS_SOF_Callback(void)
{
// 处理USB SOF（Start of Frame）中断
static uint32_t count = 0;
count++;
if (count % 1000 == 0)
{
// 每1000个SOF中断执行一次操作
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_7);
}
}
3.6 USB电源管理
USB接口的电源管理对于提高系统能效和确保设备的正常工作非常重要。以下是一些电源管理的示例代码：
检测VBUS状态：
// 检测VBUS状态
void Check_VBUS_Status(void)
{
if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_9) == GPIO_PIN_SET)
{
// VBUS检测引脚为高，表示USB已连接
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);
}
else
{
// VBUS检测引脚为低，表示USB未连接
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);
}
}
进入低功耗模式：
// 进入低功耗模式
void Enter_LowPower_Mode(void)
{
HAL_PWRErrorStatusTypeDef status;
PWR进入低功耗模式配置
__HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);
HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
status = HAL_PWR_GetErrorStatus();
if (status != HAL_PWR_ERROR_NONE)
{
// 低功耗模式进入失败
Error_Handler();
}
}
从低功耗模式唤醒：
// 从低功耗模式唤醒
void WakeUp_from_LowPower_Mode(void)
{
// 检测唤醒源
if (__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_WU) != RESET)
{
// USB唤醒
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);
}
}
3.7 USB设备枚举
USB设备枚举是USB主机与设备之间的初始化过程，通过枚举，主机可以获取设备的描述符信息并配置设备。以下是一个简单的USB设备枚举示例：
设备描述符：
// USB设备描述符
__ALIGN_BEGIN const uint8_t USBD_DeviceDesc __ALIGN_END = {
0x12, // bLength
0x01, // bDescriptorType
0x00, // bcdUSB (low byte)
0x02, // bcdUSB (high byte)
0x00, // bDeviceClass
0x00, // bDeviceSubClass
0x00, // bDeviceProtocol
0x40, // bMaxPacketSize0
0x84, // idVendor (low byte)
0x04, // idVendor (high byte)
0x00, // idProduct (low byte)
0x01, // idProduct (high byte)
0x00, // bcdDevice (low byte)
0x01, // bcdDevice (high byte)
0x01, // iManufacturer
0x02, // iProduct
0x03, // iSerialNumber
0x01 // bNumConfigurations
};
配置描述符：
// 配置描述符
USBD_StatusTypeDef USBD_CDC_Init(USBD_HandleTypeDef *pdev, uint8_t cfgidx)
{
pdev->pClassData = USBD_malloc(sizeof(USBD_CDC_HandleTypeDef));
if (pdev->pClassData == NULL)
{
return USBD_MEM_ERROR;
}
pdev->pClassData = (USBD_CDC_HandleTypeDef *)pdev->pClassData;
pdev->pClassData->hUsbDevice = pdev;
pdev->pClassData->ChannelState = CDC_CHANNEL_IDLE;
return USBD_OK;
}
枚举回调函数：
// 枚举回调函数
void USBD_EnumCallback(uint8_t dev, uint8_t event, uint8_t *data, uint16_t len)
{
switch (event)
{
case USB_EVENT_DEVICE_CONNECTED:
// 设备连接
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
break;
case USB_EVENT_DEVICE_DISCONNECTED:
// 设备断开
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
break;
case USB_EVENT_CONFIGURATION_DONE:
// 配置完成
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET);
break;
default:
break;
}
}
3.8 USB数据传输
USB数据传输包括控制传输、批量传输、中断传输和同步传输。这些传输类型适用于不同的应用场景，以确保数据的高效传输和处理。以下是对这些传输类型的详细介绍和示例代码：
3.8.1 控制传输
控制传输主要用于传输控制信息和获取设备的状态。这种传输类型在USB设备枚举过程中非常重要。
控制传输请求：
// 发送控制传输请求
static void Send_Control_Request(void)
{
USBD_SetupPacket setup;
setup.bmRequestType = 0x80; // IN方向，标准请求
setup.bRequest = USB_REQ_GET_DESCRIPTOR;
setup.wValue = USB_DESC_TYPE_DEVICE << 8;
setup.wIndex = 0x00;
setup.wLength = USB_LEN_DEV_DESC;
USBD-ControlTransfer(&hUsbDeviceFS, &setup, (uint8_t *)USBD_DeviceDesc);
}
处理控制传输响应：
// 处理控制传输响应
static int8_t Handle_Control_Transfer(uint8_t *pData, uint32_t Len)
{
// 处理接收到的设备描述符
if (Len == USB_LEN_DEV_DESC)
{
// 处理设备描述符
// 例如，解析设备描述符中的信息
}
return USBD_OK;
}
3.8.2 批量传输
批量传输用于传输大量数据，适用于文件传输等场景。这种传输类型保证了数据的完整性和可靠性。
发送批量数据：
// 发送批量数据
static void Send_Bulk_Data(uint8_t *pData, uint32_t Len)
{
USBD_BulkOUT(&hUsbDeviceFS, 0x02, pData, Len);
}
接收批量数据：
// 接收批量数据
static int8_t Receive_Bulk_Data(uint8_t *pData, uint32_t *Len)
{
// 处理接收到的批量数据
if (*Len > 0)
{
// 例如，将数据保存到文件中
}
return USBD_OK;
}
3.8.3 中断传输
中断传输用于传输周期性的、少量的数据，适用于键盘、鼠标等输入设备。这种传输类型保证了数据的及时性和响应性。
发送中断数据：
// 发送中断数据
static void Send_Interrupt_Data(uint8_t *pData, uint32_t Len)
{
USBD_InterruptOUT(&hUsbDeviceFS, 0x03, pData, Len);
}
接收中断数据：
// 接收中断数据
static int8_t Receive_Interrupt_Data(uint8_t *pData, uint32_t *Len)
{
// 处理接收到的中断数据
if (*Len > 0)
{
// 例如，处理键盘按键事件
}
return USBD_OK;
}
3.8.4 同步传输
同步传输用于传输实时数据，如音频和视频。这种传输类型保证了数据的传输速率和时序。
发送同步数据：
// 发送同步数据
static void Send_Sync_Data(uint8_t *pData, uint32_t Len)
{
USBD_ISOOUT(&hUsbDeviceFS, 0x04, pData, Len);
}
接收同步数据：
// 接收同步数据
static int8_t Receive_Sync_Data(uint8_t *pData, uint32_t *Len)
{
// 处理接收到的同步数据
if (*Len > 0)
{
// 例如，处理音频数据
}
return USBD_OK;
}
3.9 USB库配置
STM32F4系列单片机的USB库配置可以通过STM32CubeMX工具进行。以下是一些基本的配置步骤：
打开STM32CubeMX：
启动STM32CubeMX工具。
选择相应的STM32F4系列单片机型号。
配置USB接口：
在“Pinout & Configuration”选项卡中，找到“Connectivity”模块，选择“USB OTG FS”。
配置USB OTG FS的模式（设备模式、主机模式或OTG模式）。
配置USB OTG FS的引脚（DP、DM、VBUS、ID）。
生成初始化代码：
在“Project Manager”选项卡中，选择生成项目代码的路径。
选择“Generate Code”按钮，生成初始化代码。
使用生成的代码：
打开生成的项目文件，使用STM32CubeIDE进行开发。
根据生成的代码进行USB接口的初始化和配置。
3.10 USB调试和测试
USB接口的调试和测试对于确保系统的正常工作非常重要。以下是一些常用的调试和测试方法：
使用USB调试工具：
使用USB调试工具（如USBlyzer、Wireshark等）捕获USB通信数据包，分析数据传输过程。
检查USB设备的枚举过程和配置信息。
日志输出：
在代码中添加日志输出功能，记录关键的USB事件和数据传输状态。
使用串口或调试接口输出日志信息，方便调试。
单元测试：
编写单元测试代码，测试USB接口的基本功能（如初始化、数据传输、中断处理等）。
使用模拟USB设备或实际USB设备进行测试，确保功能的正确性。
3.11 USB常见问题及解决方法
在使用STM32F4系列单片机的USB接口时，可能会遇到一些常见问题。以下是一些解决方法：
USB设备不被识别：
检查USB引脚连接是否正确。
确保电源管理设置正确，VBUS检测引脚正常工作。
检查USB描述符配置是否正确。
数据传输速率低：
确认USB接口模式（全速或高速）是否设置正确。
检查DMA配置是否正确，确保数据传输效率。
优化USB中断处理函数，减少中断延迟。
USB接口功耗高：
确认低功耗模式配置是否正确。
检查电源管理设置，确保在不使用USB接口时进入低功耗模式。
优化USB通信代码，减少不必要的数据传输和处理。
3.12 USB应用示例
以下是一些常见的USB应用示例，展示如何在STM32F4系列单片机上实现不同的USB功能：
3.12.1 USB虚拟键盘
实现一个USB虚拟键盘，将STM32F4系列单片机模拟成一个键盘设备，发送按键事件到主机。
配置USB HID设备类：
使用STM32CubeMX生成USB HID设备类的初始化代码。
配置HID报告描述符，定义按键事件的数据格式。
主程序：
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_USB_DEVICE_Init();
while (1)
{
// 例如，发送一个按键事件
uint8_t key_data = {0x00, 0x00, 0x04, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}; // 按下A键
USBD_HID_SendReport(&hUsbDevice, key_data, 8);
HAL_Delay(1000);
// 释放按键
uint8_t release_data = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
USBD_HID_SendReport(&hUsbDevice, release_data, 8);
HAL_Delay(1000);
}
}
3.12.2 USB虚拟串口
实现一个USB虚拟串口，使STM32F4系列单片机与PC进行串行通信。
配置USB CDC设备类：
使用STM32CubeMX生成USB CDC设备类的初始化代码。
配置CDC接口的操作函数（如CDC_Receive和CDC_Transmit）。
主程序：
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_USB_DEVICE_Init();
while (1)
{
// 接收PC发送的数据
uint8_t rx_buffer;
uint32_t rx_length;
CDC_Receive(rx_buffer, &rx_length);
if (rx_length > 0)
{
// 处理接收到的数据
for (uint32_t i = 0; i < rx_length; i++)
{
// 例如，将接收到的数据回传给PC
CDC_Transmit(&rx_buffer, 1);
}
}
// 发送数据给PC
char tx_data[] = "Hello, USB CDC!";
CDC_Transmit((uint8_t *)tx_data, strlen(tx_data));
HAL_Delay(1000);
}
}
3.13 总结
STM32F4系列单片机的USB接口功能强大，支持多种传输速率和工作模式。通过STM32CubeMX工具和STM32CubeIDE开发环境，可以轻松实现USB设备、主机和OTG模式的开发。本文档介绍了USB接口的基本概念、硬件设计要点、软件开发步骤以及一些常见的应用示例。希望这些内容能够帮助开发者更好地理解和使用STM32F4系列单片机的USB接口。
附录
附录A：USB描述符
USB描述符是USB设备与主机通信的重要数据结构，描述了设备的基本信息和功能。以下是一些常用的USB描述符：
设备描述符（Device Descriptor）：描述设备的基本信息，如USB版本、设备类型、最大包大小等。
配置描述符（Configuration Descriptor）：描述设备的配置信息，如接口数量、电源需求等。
接口描述符（Interface Descriptor）：描述设备的接口信息，如接口类、子类等。
端点描述符（Endpoint Descriptor）：描述设备的端点信息，如传输类型、最大包大小等。
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