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STM32 HAL库实现USB虚拟串口

news 来源：原创 2025/5/24 0:00:34

1. 引言

在嵌入式系统开发中，USB 虚拟串口是一种非常实用的功能。它允许 STM32 微控制器通过 USB 接口与计算机进行通信，就像使用传统的串口一样。这种方式不仅简化了硬件设计，还提高了通信的灵活性和稳定性。STM32F407 系列微控制器具有强大的处理能力和丰富的外设资源，配合 HAL 库可以方便地实现 USB 虚拟串口功能。

2. 开发环境搭建

2.1 硬件准备

STM32F407 开发板：选择一款基于 STM32F407 的开发板，如正点原子的探索者 STM32F407 开发板。
USB 数据线：用于连接开发板和计算机。

2.2 软件准备

Keil MDK：一款专业的 ARM 微控制器开发工具，用于编写、编译和调试代码。
STM32CubeMX：ST 官方提供的图形化配置工具，可用于快速生成 STM32 项目的初始化代码。

点击生成代码；

注意几处需要修改的地方：

3. USB 虚拟串口原理

3.1 USB 协议基础

USB（Universal Serial Bus）是一种通用的串行总线标准，具有高速、可靠、易用等特点。USB 协议定义了设备与主机之间的通信方式，包括设备枚举、数据传输等过程。

3.2 CDC 类协议

CDC（Communication Device Class）是 USB 协议中的一种设备类，专门用于实现虚拟串口通信。CDC 类协议定义了两个接口：通信接口（Communication Interface）和数据接口（Data Interface）。通信接口用于发送和接收控制命令，数据接口用于传输实际的数据。

3.3 数据传输过程

4.2 数据接收处理

在usbd_cdc_if.c文件中，有一个CDC_Receive_FS回调函数，用于处理接收到的数据。以下是该函数的示例代码：

static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len)
{/* USER CODE BEGIN 6 */USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]);USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);// 处理接收到的数据for (uint32_t i = 0; i < *Len; i++){// 这里可以添加具体的数据处理逻辑// 例如将接收到的数据原样发送回去CDC_Transmit_FS(&Buf[i], 1);}return (USBD_OK);/* USER CODE END 6 */
}

4.3 数据发送处理

在usbd_cdc_if.c文件中，有一个CDC_Transmit_FS函数，用于发送数据。以下是该函数的示例代码：

uint8_t CDC_Transmit_FS(uint8_t* Buf, uint16_t Len)
{uint8_t result = USBD_OK;/* USER CODE BEGIN 7 */USBD_CDC_HandleTypeDef *hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef*)hUsbDeviceFS.pClassData;if (hcdc->TxState != 0){return USBD_BUSY;}USBD_CDC_SetTxBuffer(&hUsbDeviceFS, Buf, Len);result = USBD_CDC_TransmitPacket(&hUsbDeviceFS);/* USER CODE END 7 */return result;
}

4.4 主函数代码

在main.c文件中，需要对 USB 设备进行初始化，并启动数据接收。以下是主函数的示例代码：

5. 代码编译与下载

5.1 代码编译

打开 Keil MDK，导入 STM32CubeMX 生成的项目代码。在 Keil MDK 中进行编译，确保代码没有错误和警告。

5.2 代码下载

将开发板通过 USB 数据线连接到计算机，使用 ST-Link 或 J-Link 等调试器将编译好的代码下载到开发板中。

6. 测试与验证

6.1 计算机端软件准备

在计算机上安装串口调试助手，如串口调试精灵、SSCOM 等。

6.2 设备识别

将开发板通过 USB 数据线连接到计算机，计算机应该能够识别出一个新的串口设备。

6.3 数据收发测试

打开串口调试助手，选择识别到的串口，设置波特率为 115200（USB 虚拟串口的波特率不影响实际通信速度）。在串口调试助手中发送数据，开发板应该能够接收到数据并将其原样发送回去。

7. 常见问题及解决方法

7.1 设备无法识别

7.2 数据收发异常

8. 扩展功能

8.1 数据解析与处理

在CDC_Receive_FS函数中添加更复杂的数据解析逻辑，例如解析特定的命令格式，实现不同的功能。

8.2 多线程处理

使用 STM32 的 RTOS（实时操作系统），如 FreeRTOS，将数据接收和处理任务分配到不同的线程中，提高系统的实时性和稳定性。

9. 总结

通过以上步骤，你可以基于 STM32F407 HAL 库实现 USB 虚拟串口功能。USB 虚拟串口为 STM32 开发板与计算机之间的通信提供了一种方便、高效的方式，在实际应用中具有广泛的用途。

设备枚举：当 STM32 开发板通过 USB 连接到计算机时，计算机会对设备进行枚举，获取设备的描述符信息，确定设备的类型和功能。
建立通信：枚举完成后，计算机和 STM32 开发板之间建立起 USB 通信连接。
数据传输：通过 CDC 类协议，计算机可以向 STM32 开发板发送数据，也可以接收 STM32 开发板发送的数据。
4. 代码实现

4.1 生成的代码结构

使用 STM32CubeMX 生成的代码包含了 USB 虚拟串口的基本框架，主要文件有：
usbd_cdc_if.c：实现了 CDC 类接口的回调函数，负责处理数据的发送和接收。
usbd_cdc.c：实现了 CDC 类的核心功能，包括设备枚举、控制命令处理等。
usbd_core.c：实现了 USB 设备的核心功能，包括设备初始化、数据传输等。
检查硬件连接：确保 USB 数据线连接正常，开发板的电源正常。
检查 USB 驱动：在设备管理器中查看是否有未识别的设备，尝试更新 USB 驱动。
检查代码逻辑：确保CDC_Receive_FS和CDC_Transmit_FS函数的实现正确。
检查缓冲区大小：确保数据缓冲区足够大，避免数据溢出。