STM32F407 USB CDC调试与经验总结

1. 目的

调试STM32F407支持USB CDC与PC之间的通信;

STM32 USB转串口的驱动, 官方下载地址: STSW-STM32102 - STM32虚拟COM端口驱动程序 - STMicroelectronics

2. 环境
2.1 软件
Win10, STM32CubeIDE Version: 1.6.1 Build: 9958_20210326_1446 (UTC)

2.2 硬件
我采用的是STM32F407 工控板;

3. 调试
3.1 使用STM32Cube生成项目

需要用到的IO口资源：连接了外部8MHz晶振的PH0和PH1。连接到USB插座的PB14和PB15。连接到STLINK仿真器的PA13、PA14。

3.1.1 晶振
Peripherals中需要配置RCC，未焊接外部低速晶振。因此LSE默认disable，使用外部8MHz晶振，因此配置为Crystal/Ceramic。

RCC配置为外部晶振:

3.1.2 仿真/下载
由于使用的是STLINK, 配置debug模式为Serial Wire

3.1.3 USB设备
STM32F407芯片支持USB2.0 Fullspeed。但是usb2.0 high speed需要外接控制器如usb3300。这里的方式是STM32F407的引脚pa11和pa12经过电阻直接连接USB插座。需要配置为usb_device_fullspeed。

配置USB_OTG_FS如下：PC为usb host，而STM32作为usb device。

选好了device_only后，Configuration栏的USB_DEVICE即有效。把USB_DEVICE中，配置Class For FS IP为Communication Device Class（CDC）;

坑:

由于购买的工控板Full Speed是Type A, 无法连接PC; High Speed没有外接USB330, 所以没法配置未High Speed用;

所以解决方案是把High Speed USB口配置为Full Speed来用, 具体如下:

(1.) USB Port

(2). Middleware

3.1.4 时钟树配置

STM32F407使用外部的8MHz晶振，Input frequency输入8后，选菜单栏中的clock Configuration -> Resolve Clock Issues即可自动为芯片内部的各个模块配置好时钟频率。这里需要注意，STM32F4内置的usb controller时钟需要48HMz才能正常工作。

在这个页面没有红色字体后，这个页面的配置也就完成了。

3.1.5 生成代码
在Project Manager页面记得把mimimum heap size和mimmum stack size提高。有网友反映这个size低了是会出error的。我把两个size都改大了，分别设为0x1500和0x1000。其他默认，点击OK。

然后点Project -> Generate Code。工程初始化已经完成。

4. 用户代码修改
在main.c的合适区域增加以下代码：

4.1 引用头文件以及参数声明
顾名思义，第一个参数是接受数据，双缓冲数组结构。第二个参数是发送数据。cdc每接收一个包，会刷新接收数据。需要把其当前数据包的长度记录。

#include "usbd_cdc_if.h"

extern uint8_t UserRxBufferFS[2][2048];
extern uint8_t UserTxBufferFS[2048];

extern uint32_t nRxLength; //接收到的数据长度
extern uint8_t uRxBufIndex; //当前使用的缓冲区索引号
extern uint8_t uLastRxBufIndex; //上次使用的接收缓冲区索引号
int bSendMark = 0; 发送数据的标志
4.2 main函数内的参数初始化区域
我想知道上传到电脑的数据是否准确连续。故自行按顺序初始化了发送数组中的每个数值。
for(i=0;i<APP_TX_DATA_SIZE;i++)
{
UserTxBufferFS[i]=i;
}
4.3 main函数内的死循环

// 每次CDC_Itf_Receive()接收到新数据都会更换缓存，所以发现缓存切换过就是有新的数据。
// 这里必须保证数据处理的速度足够快，否则缓存切换了两次才处理的话，就没法识别有新数据到来了。
if (uLastRxBufIndex != uRxBufIndex)
{
   // --> 指令译码开始。
   for (int i=0; i<nRxLength; i++)
   {
       if (UserRxBufferFS[uLastRxBufIndex][i] == 0x55)   // 0x55, 开始发送数据指令
           bSendMark = 1;
       if (UserRxBufferFS[uLastRxBufIndex][i] == 0xAA)   // 0xAA, 停止发送数据指令
           bSendMark = 0;
   }
   // <-- 指令译码结束。
   uLastRxBufIndex = (uLastRxBufIndex + 1) & 1;
}

if (bSendMark)
{
   int32_t k = 0;
   while (CDC_Transmit_FS(UserTxBufferFS, APP_TX_DATA_SIZE) != USBD_OK)
   k++;
}

// 处理接收到的数据：解码数据流中的指令。可以改成你自己的数据处理过程。
// 每次CDC_Itf_Receive()接收到新数据都会更换缓存，所以发现缓存切换过就是有新的数据。
// 这里必须保证数据处理的速度足够快，否则缓存切换了两次才处理的话，就没法识别有新数据到来了。
if (uLastRxBufIndex != uRxBufIndex)
{
   // --> 指令译码开始。
   for (int i=0; i<nRxLength; i++)
   {
       if (UserRxBufferFS[uLastRxBufIndex][i] == 0x55)   // 0x55, 开始发送数据指令
           bSendMark = 1;
       if (UserRxBufferFS[uLastRxBufIndex][i] == 0xAA)   // 0xAA, 停止发送数据指令
           bSendMark = 0;
   }
   // <-- 指令译码结束。
   uLastRxBufIndex = (uLastRxBufIndex + 1) & 1;
}
if (bSendMark)
{
   int32_t k = 0;
   while (CDC_Transmit_FS(UserTxBufferFS, APP_TX_DATA_SIZE) != USBD_OK)
   k++;
}
4.4 usbd_cdc_if.c
4.4.1：1维数组重新定义为2维。
uint8_t UserRxBufferFS[2][APP_RX_DATA_SIZE];
4.4.2：定义全局变量

uint32_t BuffLength;
uint32_t nRxLength;
uint8_t uRxBufIndex = 0;                   当前使用的缓冲区索引号
uint8_t uLastRxBufIndex = 0;               上次使用的接收缓冲区索引号
4.4.3：static int8_t CDC_Init_FS(void)这个函数内：
USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, UserRxBufferFS);
改为：

USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, UserRxBufferFS[0]);
4.4.4：CDC_Receive_FS函数
把

USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]);

USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);
return (USBD_OK);
改为：

//USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]);

   nRxLength = *Len;
   接收到的数据在main()函数中处理
   这里只是简单地切换缓存
   uRxBufIndex++;
   uRxBufIndex &= 0x01;
   USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &UserRxBufferFS[uRxBufIndex][0]);

USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);
return (USBD_OK);

5 试验结果
测得发送速度为500KB/s。接收速度为800KB/s。

打开XCOM串口调试助手。

往STM32发送55，STM32接收到0x55后，会把发送数据内的数据上传到电脑。然后对STM32发送0xaa即可停止STM32的发送。

可以看到，数据是0x00-0xff，试验中没看到明显的丢包、以及误码。但仍需进一步验证。

7. 小结
本文记录了基于STM32F4的USB2.0FS数据传输的试验过程。采用了最新的HAL库

参考资料有：

1. http://bbs.21ic.com/icview-811704-1-1.html

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