STM32 的 USB 设备与主机功能开发

只看该作者 · 2024-12-9 17:02

在 STM32 微控制器上实现 USB 设备或主机功能是许多嵌入式应用中的重要功能。通过 STM32 的 USB 外设，可以轻松地实现 USB 设备功能或主机功能。STM32 提供了丰富的 USB 库和硬件支持，使得开发 USB 设备与主机功能变得更加简单和高效。

1. STM32 的 USB 外设概述
STM32 微控制器系列中，许多型号都配备了 USB 外设模块，支持 USB 2.0 Full-Speed 或 High-Speed。这些外设模块支持两种主要模式：

USB 设备模式：STM32 作为 USB 设备与主机进行通信。
USB 主机模式：STM32 作为 USB 主机，控制和管理连接的 USB 设备。
STM32 的 USB 外设支持不同的设备类型，并且可以通过 USB 库来简化开发。

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USB 设备模式开发
2.1 USB HID开发
USB HID 设备是最常见的一类 USB 设备类型，通常用于键盘、鼠标、游戏控制器等设备。STM32 通过 USB HID 类协议支持这类设备。USB HID 协议允许 STM32 作为设备与主机进行交互，传输输入设备的数据。

2.1.1 USB HID 示例：实现一个虚拟键盘
启用 USB 外设：在 STM32CubeMX 中，配置 USB 为 Device Mode，选择 HID Device 作为 USB 设备类型。在 Middleware 中启用 USB Host 和 HID 功能。

USB HID 固件配置： STM32CubeMX 会自动生成配置代码和必要的库。你需要在 usb_device.c 和 usb_hid.c 中编写 HID 设备的功能代码。

编写 HID 数据传输函数：使用 USB HID 协议进行数据传输（例如按键按下和释放）。这里的一个典型应用是通过 HID 协议模拟键盘。

c
复制代码
#include "usb_device.h"
#include "usbd_hid.h"
#include "usbd_ctlreq.h"

// 定义 HID 报告描述符（例如键盘的 HID 报告）
__ALIGN_BEGIN static uint8_t HID_ReportDescriptor[] __ALIGN_END = {
0x05, 0x01, 0x09, 0x06, 0xA1, 0x01, 0x09, 0x01,
0xA1, 0x00, 0x05, 0x07, 0x19, 0x00, 0x29, 0x01,
0x15, 0x00, 0x25, 0x01, 0x95, 0x01, 0x75, 0x01,
0x81, 0x02, 0xC0
};

// 设置 HID 报告
static uint8_t HID_Buffer[8] = {0}; // 存储 HID 输入报告数据

// 初始化 HID 设备
void USB_HID_Init(void)
{
// 配置 USB HID 设备并启动
USBD_Init(&hUsbDeviceFS, &USB_DeviceDesc, 0);
USBD_RegisterClass(&hUsbDeviceFS, &USBD_HID);
USBD_Start(&hUsbDeviceFS);
}

// 发送 HID 数据（如按键事件）
void USB_HID_SendReport(uint8_t* report)
{
// 向主机发送 HID 数据（例如键盘按下事件）
USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS, report, sizeof(report));
}
键盘按键模拟：在程序中，通过调用 USB_HID_SendReport() 函数，将按键状态传递给主机，从而模拟一个键盘的按键输入。

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USB CDC（通信设备类）开发
USB CDC（Communication Device Class）通常用于模拟串口通信，将 STM32 作为 USB 串口设备，使得它可以通过 USB 与主机通信。

在 STM32CubeMX 中配置 USB CDC：选择 USB 设备模式，并启用 CDC 类。

开发 CDC 应用：在 usb_device.c 和 usb_cdc.c 文件中实现 CDC 数据的接收和发送功能。通常，数据通过 CDC_Transmit_FS() 和 CDC_Receive_FS() 进行处理。

c
复制代码
#include "usb_device.h"
#include "usbd_cdc_if.h"

// 定义一个缓冲区，用于存储接收到的数据
uint8_t CDC_Buffer[64];

// 初始化 CDC 设备
void USB_CDC_Init(void)
{
// 配置 USB CDC 设备并启动
USBD_Init(&hUsbDeviceFS, &USB_DeviceDesc, 0);
USBD_RegisterClass(&hUsbDeviceFS, &USBD_CDC);
USBD_Start(&hUsbDeviceFS);
}

// 发送数据到 USB 主机
void USB_CDC_Transmit(uint8_t* data, uint16_t size)
{
CDC_Transmit_FS(data, size);
}

// 接收来自 USB 主机的数据
void USB_CDC_Receive(uint8_t* buffer, uint16_t len)
{
// 在此处理接收到的数据
}
通过这种方式，STM32 可以充当一个虚拟串口设备，向主机发送数据或接收来自主机的数据。

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USB 主机模式开发
STM32 还可以作为 USB 主机，通过主机控制 USB 外设（如 USB 存储设备、USB 键盘、USB 摄像头等）。USB 主机模式通常用于与 USB 存储设备（如 U 盘）或 HID 设备（如鼠标、键盘）交互。

3.1 USB 主机模式：USB 存储设备
启用 USB 主机功能：在 STM32CubeMX 中，启用 USB 主机并选择 Mass Storage Class（MSC）。

开发 USB 存储设备应用： STM32 会通过 USB 主机控制器与外部存储设备（如 USB U 盘）进行通信。可以利用 USBH_MSC 库进行文件系统访问。

c
复制代码
#include "usb_host.h"
#include "usb_host_msc.h"

USBH_HandleTypeDef hUsbHostFS;
USBH_MSC_BOT_HandleTypeDef hMSC_BOT_Handle;

// 初始化 USB 主机
void USB_Host_Init(void)
{
// 初始化 USB 主机控制器
USBH_Init(&hUsbHostFS, USBH_UserCallback, 0);
USBH_RegisterClass(&hUsbHostFS, USBH_MSC_CLASS);
USBH_Start(&hUsbHostFS);
}

// USB 存储设备事件处理
void USB_Host_Process(void)
{
USBH_Process(&hUsbHostFS);
if (USBH_MSC_IsReady(&hUsbHostFS)) {
// 在此进行 U 盘文件操作
}
}
与 USB 存储设备的交互：通过 USBH_MSC 库，可以方便地访问和操作 USB 存储设备，进行读取和写入文件等操作。
3.2 USB 主机模式：USB HID
USB 主机模式还可以与 USB HID 设备（如键盘、鼠标）进行交互。STM32 作为主机，可以控制 USB HID 设备并接收来自设备的数据。

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使用 STM32 的 USB 库
STM32 提供了官方的 USB 库，主要包括 USB Device 和 USB Host 两个部分，分别用于开发 USB 设备和 USB 主机功能。

STM32 USB Device库：用于创建 USB 设备应用，支持 HID、CDC、MSC、Audio 等类协议。
STM32 USB Host库：用于创建 USB 主机应用，支持 HID、MSC 等设备类型。
4.1 USB 库结构
USB Device 库：包含 USB 设备的协议栈和各类设备类的实现，开发者只需在应用中处理数据传输。
USB Host 库：包含 USB 主机协议栈和设备类的驱动，支持与 USB 设备（如键盘、鼠标、存储设备等）的通信。

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在 STM32 上开发 USB 设备和主机功能涉及到 USB 协议栈的配置、硬件接口的初始化和数据传输的处理。通过使用 STM32CubeMX 和 USB 库，开发者可以轻松实现 USB HID、USB CDC、USB Mass Storage 等功能。无论是将 STM32 作为 USB 设备（如模拟键盘、串口设备等），还是作为 USB 主机与外部设备进行通信，都能通过 STM32 的强大硬件支持和丰富的 USB 库来实现高效