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STM32 USB 基础

介绍​

USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种广泛使用的通信协议，用于连接计算机与外部设备。STM32 微控制器集成了 USB 外设，支持多种 USB 模式，如设备模式（Device Mode）、主机模式（Host Mode）和 OTG 模式（On-The-Go）。本文将重点介绍 STM32 的 USB 设备模式，帮助初学者理解 USB 通信的基本原理及其在 STM32 中的实现。

USB 协议基础​

USB 协议是一种主从架构的通信协议，由主机（Host）和设备（Device）组成。主机负责管理通信过程，而设备则响应主机的请求。USB 通信基于端点（Endpoint），每个端点可以看作是一个数据缓冲区，用于存储发送或接收的数据。

USB 端点类型​

  • 控制端点（Control Endpoint）：用于设备配置和状态查询。
  • 中断端点（Interrupt Endpoint）：用于传输小量、低延迟的数据。
  • 批量端点（Bulk Endpoint）：用于传输大量数据，如文件传输。
  • 同步端点（Isochronous Endpoint）：用于实时数据传输，如音频和视频。
提示

STM32 的 USB 外设支持多种端点类型，开发者可以根据应用需求选择合适的端点类型。

STM32 USB 外设​

STM32 微控制器集成了 USB 外设，支持全速（Full Speed，12 Mbps）和低速（Low Speed，1.5 Mbps）USB 通信。以下是 STM32 USB 外设的主要功能：

  1. USB 设备控制器：负责处理 USB 协议栈的底层通信。
  2. 端点缓冲区：用于存储发送和接收的数据。
  3. 中断机制：用于通知主程序 USB 事件的发生。

STM32 USB 初始化步骤​

  1. 配置 USB 时钟。
  2. 初始化 USB 外设。
  3. 配置端点。
  4. 启用 USB 中断。
  5. 处理 USB 事件。

以下是一个简单的 STM32 USB 初始化代码示例：

c
#include "stm32f1xx_hal.h"

USB_HandleTypeDef husb;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_USB_Init(void);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USB_Init();

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

void SystemClock_Config(void) {
    // 配置系统时钟
}

static void MX_USB_Init(void) {
    husb.Instance = USB;
    husb.Init.dev_endpoints = 8;
    husb.Init.speed = USB_SPEED_FULL;
    husb.Init.ep0_mps = USB_MAX_EP0_SIZE;
    if (HAL_USB_Init(&husb) != HAL_OK) {
        // 初始化错误处理
    }
}

实际应用案例​

USB HID 设备​

USB HID（Human Interface Device）是一种常见的 USB 设备类型，用于连接键盘、鼠标等输入设备。以下是一个简单的 USB HID 设备实现示例：

c
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "usbd_hid.h"

USB_HandleTypeDef husb;
USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS;

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USB_DEVICE_Init();

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

void SystemClock_Config(void) {
    // 配置系统时钟
}

void MX_USB_DEVICE_Init(void) {
    USBD_Init(&hUsbDeviceFS, &HID_Desc, DEVICE_FS);
    USBD_RegisterClass(&hUsbDeviceFS, &USBD_HID);
    USBD_Start(&hUsbDeviceFS);
}
备注

在实际开发中，开发者需要根据具体需求配置 USB 描述符（Descriptor），如设备描述符、配置描述符和报告描述符。

总结​

本文介绍了 STM32 微控制器中的 USB 通信基础知识，包括 USB 协议、STM32 USB 外设的使用方法以及实际应用案例。通过学习本文，初学者可以掌握 STM32 USB 的基本配置和使用方法，为进一步开发复杂的 USB 应用打下基础。

附加资源与练习​

附加资源​

练习​

  1. 尝试修改 USB HID 设备的描述符，使其支持更多的输入报告。
  2. 使用 STM32 的 USB 批量端点实现一个简单的文件传输功能。
  3. 探索 STM32 的 USB OTG 模式，并尝试实现一个 USB 主机功能。
警告

在开发过程中，务必注意 USB 协议的时序要求，避免因时序问题导致通信失败。