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28.USB-虛擬串口實(shí)驗(yàn)

28.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：

CDC虛擬串口協(xié)議原理及使用
CDC虛擬串口通信操作

28.2實(shí)驗(yàn)原理

USB的CDC類是USB通信設(shè)備類(Communication Device Class)的簡(jiǎn)稱。CDC類是USB組織定義的一類專門給各種通信設(shè)備使用的USB子類。該設(shè)備類采用批量傳輸。

本例程中實(shí)現(xiàn)了CDC設(shè)備類的相關(guān)請(qǐng)求，包括SET_LINE_CODING、GET_LINE_CODING、SET_CONTROL_LINE_STATE等。后續(xù)將會(huì)在代碼解析章節(jié)進(jìn)行介紹。

有關(guān)CDC協(xié)議可以通過以下USB官網(wǎng)下載或者通過紅楓派開發(fā)板配套資料獲取。

大家可以在學(xué)習(xí)的過程中結(jié)合歷程代碼和協(xié)議進(jìn)行理解。

28.3硬件設(shè)計(jì)

USB虛擬鍵盤實(shí)驗(yàn)章節(jié)已介紹。

28.4代碼解析

本例程主要實(shí)現(xiàn)USB虛擬串口的效果，在PC端可以通過串口調(diào)試助手或者設(shè)備管理器查到虛擬串口設(shè)備，并可實(shí)現(xiàn)通過該虛擬串口進(jìn)行通信的現(xiàn)象。

本例程主函數(shù)如下，該函數(shù)架構(gòu)與虛擬鍵盤例程相似，當(dāng)USBD設(shè)備初始化且枚舉完成后，USB設(shè)備首先通過cdc_acm_check_ready()函數(shù)check是否準(zhǔn)備數(shù)據(jù)發(fā)送，如果不需要發(fā)送就調(diào)用cdc_acm_data_receive()函數(shù)接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果需要發(fā)送就調(diào)用cdc_acm_data_send()將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)再回顯到串口調(diào)試助手的接收顯示界面中。

C
int main(void)
{
/* system clocks configuration */
rcu_config();

/* GPIO configuration */
gpio_config();

/* USB device configuration */
usbd_init(&usbd_cdc, &cdc_desc, &cdc_class);

/* NVIC configuration */
nvic_config();

/* enabled USB pull-up */
usbd_connect(&usbd_cdc);

while (USBD_CONFIGURED != usbd_cdc.cur_status) {
/* wait for standard USB enumeration is finished */
}

while (1) {
if (0U == cdc_acm_check_ready(&usbd_cdc)) {
cdc_acm_data_receive(&usbd_cdc);
} else {
cdc_acm_data_send(&usbd_cdc);
}
}
}

下面為大家介紹下虛擬串口設(shè)備所使用的設(shè)備及配置描述符。

設(shè)備描述符如下所示，其中bDevcieClass為0x02，表明當(dāng)前設(shè)備為CDC設(shè)備類。

C
usb_desc_dev cdc_dev_desc =
{
.header =
{
.bLength = USB_DEV_DESC_LEN,
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_DEV,
},
.bcdUSB = 0x0200U,
.bDeviceClass = USB_CLASS_CDC,
.bDeviceSubClass = 0x00U,
.bDeviceProtocol = 0x00U,
.bMaxPacketSize0 = USBD_EP0_MAX_SIZE,
.idVendor = USBD_VID,
.idProduct = USBD_PID,
.bcdDevice = 0x0100U,
.iManufacturer = STR_IDX_MFC,
.iProduct = STR_IDX_PRODUCT,
.iSerialNumber = STR_IDX_SERIAL,
.bNumberConfigurations = USBD_CFG_MAX_NUM,
};

配置描述符如下所示，由配置描述符可知，該USB虛擬串口設(shè)備包含兩個(gè)接口：CMD命令接口和data數(shù)據(jù)接口。CMD命令接口包含一個(gè)IN端點(diǎn)，用于傳輸命令，該端點(diǎn)采用中斷傳輸方式，輪詢間隔為10ms，最大包長(zhǎng)為8字節(jié)。data數(shù)據(jù)接口包含一個(gè)OUT端點(diǎn)和一個(gè)IN端點(diǎn)，這兩個(gè)端點(diǎn)均采用批量傳輸方式，最大包長(zhǎng)為64字節(jié)。另外，該配置描述符中包含了一些類特殊接口描述符，具體請(qǐng)讀者參閱CDC類標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

C
usb_cdc_desc_config_set cdc_config_desc =
{
.config =
{
.header =
{
.bLength = sizeof(usb_desc_config),
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_CONFIG,
},
.wTotalLength = USB_CDC_ACM_CONFIG_DESC_SIZE,
.bNumInte rfaces = 0x02U,
.bConfigurationValue = 0x01U,
.iConfiguration = 0x00U,
.bmAttributes = 0x80U,
.bMaxPower = 0x32U
},

.cmd_itf =
{
.header =
{
.bLength = sizeof(usb_desc_itf),
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_ITF
},
.bInterfaceNumber = 0x00U,
.bAlternateSetting = 0x00U,
.bNumEndpoints = 0x01U,
.bInterfaceClass = USB_CLASS_CDC,
.bInterfaceSubClass = USB_CDC_SUBCLASS_ACM,
.bInterfaceProtocol = USB_CDC_PROTOCOL_AT,
.iInterface = 0x00U
},

.cdc_header =
{
.header =
{
.bLength = sizeof(usb_desc_header_func),
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_CS_INTERFACE
},
.bDescriptorSubtype = 0x00U,
.bcdCDC = 0x0110U
},

.cdc_call_managment =
{
.header =
{
.bLength = sizeof(usb_desc_call_managment_func),
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_CS_INTERFACE
},
.bDescriptorSubtype = 0x01U,
.bmCapabilities = 0x00U,
.bDataInterface = 0x01U
},

.cdc_acm =
{
.header =
{
.bLength = sizeof(usb_desc_acm_func),
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_CS_INTERFACE
},
.bDescriptorSubtype = 0x02U,
.bmCapabilities = 0x02U,
},

.cdc_union =
{
.header =
{
.bLength = sizeof(usb_desc_union_func),
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_CS_INTERFACE
},
.bDescriptorSubtype = 0x06U,
.bMasterInterface = 0x00U,
.bSlaveInterface0 = 0x01U,
},

.cdc_cmd_endpoint =
{
.header =
{
.bLength = sizeof(usb_desc_ep),
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_EP,
},
.bEndpointAddress = CDC_CMD_EP,
.bmAttributes = USB_EP_ATTR_INT,
.wMaxPacketSize = CDC_ACM_CMD_PACKET_SIZE,
.bInterval = 0x0AU
},

.cdc_data_interface =
{
.header =
{
.bLength = sizeof(usb_desc_itf),
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_ITF,
},
.bInterfaceNumber = 0x01U,
.bAlternateSetting = 0x00U,
.bNumEndpoints = 0x02U,
.bInterfaceClass = USB_CLASS_DATA,
.bInterfaceSubClass = 0x00U,
.bInterfaceProtocol = USB_CDC_PROTOCOL_NONE,
.iInterface = 0x00U
},

.cdc_out_endpoint =
{
.header =
{
.bLength = sizeof(usb_desc_ep),
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_EP,
},
.bEndpointAddress = CDC_OUT_EP,
.bmAttributes = USB_EP_ATTR_BULK,
.wMaxPacketSize = CDC_ACM_DATA_PACKET_SIZE,
.bInterval = 0x00U
},

.cdc_in_endpoint =
{
.header =
{
.bLength = sizeof(usb_desc_ep),
.bDescriptorType = USB_DESCTYPE_EP
},
.bEndpointAddress = CDC_IN_EP,
.bmAttributes = USB_EP_ATTR_BULK,
.wMaxPacketSize = CDC_ACM_DATA_PACKET_SIZE,
.bInterval = 0x00U
}
};

為了實(shí)現(xiàn)CDC設(shè)備類，設(shè)備需要支持一些設(shè)備類專用請(qǐng)求，這些類專用請(qǐng)求的處理在cdc_acm_req_handler()函數(shù)中，該函數(shù)的定義如下所示，其中SET_LINE_CODING命令用于響應(yīng)主機(jī)向設(shè)備發(fā)送設(shè)備配置，包括波特率、停止位、字符位數(shù)等，收到的數(shù)據(jù)保存在noti_bu內(nèi)。GET_LINE_CODING命令用于主機(jī)請(qǐng)求設(shè)備當(dāng)前的波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)位和字符位數(shù)，但在本例程中，主機(jī)并未請(qǐng)求該命令，所以設(shè)備所設(shè)置的串口數(shù)據(jù)并沒有作用，主機(jī)可以選擇任意波特率與設(shè)備進(jìn)行通信。其他的命令在本例程中并未進(jìn)行處理，讀者可以參考標(biāo)準(zhǔn)CDC類協(xié)議。

C
static uint8_t cdc_acm_req_handler (usb_dev *udev, usb_req *req)
{
uint8_t status = REQ_NOTSUPP, noti_buf[10] = {0U};
usb_cdc_handler *cdc = (usb_cdc_handler *)udev->class_data[CDC_COM_INTERFACE];

acm_notification *notif = (void *)noti_buf;

switch (req->bRequest) {
case SEND_ENCAPSULATED_COMMAND:
break;

case GET_ENCAPSULATED_RESPONSE:
break;

case SET_COMM_FEATURE:
break;

case GET_COMM_FEATURE:
break;

case CLEAR_COMM_FEATURE:
break;

case SET_LINE_CODING:
/* set the value of the current command to be processed */
udev->class_core->req_cmd = req->bRequest;

usb_transc_config(&udev->transc_out[0U], (uint8_t *)&cdc->line_coding, req->wLength, 0U);

status = REQ_SUPP;
break;

case GET_LINE_CODING:
usb_transc_config(&udev->transc_in[0U], (uint8_t *)&cdc->line_coding, 7U, 0U);

status = REQ_SUPP;
break;

case SET_CONTROL_LINE_STATE:
notif->bmRequestType = 0xA1U;
notif->bNotification = USB_CDC_NOTIFY_SERIAL_STATE;
notif->wIndex = 0U;
notif->wValue = 0U;
notif->wLength = 2U;
noti_buf[8] = (uint8_t)req->wValue & 3U;
noti_buf[9] = 0U;

status = REQ_SUPP;
break;

case SEND_BREAK:
break;

default:
break;
}

return status;
}

下面為大家介紹USBD虛擬串口設(shè)備數(shù)據(jù)的收發(fā)。

數(shù)據(jù)接收通過cdc_acm_data_receive()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)的程序如下所示。在該函數(shù)中，首先將packet_receive標(biāo)志位設(shè)置為0，表明接下來將進(jìn)行接收數(shù)據(jù)，當(dāng)接收完成時(shí)，在cdc_acm_data_out()函數(shù)中，將packet_receive標(biāo)志位置1，表明數(shù)據(jù)接收完成。usbd_ep_recev()用于配置接收操作，利用CDC_OUT_EP端點(diǎn)，將接收到的數(shù)據(jù)放置在cdc->data用戶緩沖區(qū)中。

C
void cdc_acm_data_receive(usb_dev *udev)
{
usb_cdc_handler *cdc = (usb_cdc_handler *)udev->class_data[CDC_COM_INTERFACE];

cdc->packet_receive = 0U;
cdc->pre_packet_send = 0U;

usbd_ep_recev(udev, CDC_OUT_EP, (uint8_t*)(cdc->data), USB_CDC_RX_LEN);
}
static void cdc_acm_data_out (usb_dev *udev, uint8_t ep_num)
{
usb_cdc_handler *cdc = (usb_cdc_handler *)udev->class_data[CDC_COM_INTERFACE];

cdc->packet_receive = 1U;

cdc->receive_length = udev->transc_out[ep_num].xfer_count;
}

數(shù)據(jù)發(fā)送通過cdc_acm_data_send()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)的程序如下所示。在該函數(shù)中，首先將packet_sent標(biāo)志位設(shè)置為0，表明接下來將進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成時(shí)，在cdc_acm_data_in()函數(shù)中，將packet_sent標(biāo)志位設(shè)置為1，表明數(shù)據(jù)發(fā)送完成。usbd_ep_send()用于配置發(fā)送操作，利用CDC_IN_EP端點(diǎn)，將以cdc->data地址為起始data_len長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。

C
void cdc_acm_data_send (usb_dev *udev)
{
usb_cdc_handler *cdc = (usb_cdc_handler *)udev->class_data[CDC_COM_INTERFACE];
uint32_t data_len = cdc->receive_length;

if ((0U != data_len) && (1U == cdc->packet_sent)) {
cdc->packet_sent = 0U;
usbd_ep_send(udev, CDC_IN_EP, (uint8_t*)(cdc->data), (uint16_t)data_len);
cdc->receive_length = 0U;
}
}
static void cdc_acm_data_in (usb_dev *udev, uint8_t ep_num)
{
usb_transc *transc = &udev->transc_in[ep_num];
usb_cdc_handler *cdc = (usb_cdc_handler *)udev->class_data[CDC_COM_INTERFACE];

if (transc->xfer_count == transc->max_len) {
usbd_ep_send(udev, EP_ID(ep_num), NULL, 0U);
} else {
cdc->packet_sent = 1U;
cdc->pre_packet_send = 1U;
}
}

28.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本例程燒錄到紅楓派開發(fā)板中，并通過TypeC數(shù)據(jù)線連接USB通信接口和PC，在WIN7上虛擬串口需要安裝驅(qū)動(dòng)，在WIN8 WIN10以及后續(xù)版本的系統(tǒng)上不需要安裝驅(qū)動(dòng)。

下面介紹WIN7系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)安裝過程。

在WIN7系統(tǒng)上，將Tyep C數(shù)據(jù)線連接到PC后，將會(huì)在設(shè)備管理器中發(fā)現(xiàn)一個(gè)未知設(shè)備，通過以下連接可以下載官方提供的虛擬串口驅(qū)動(dòng)：https://www.gd32 mcu.com/download/down/document_id/44/path_type/1

下載驅(qū)動(dòng)并進(jìn)行安裝，之后將會(huì)在設(shè)備管理器中發(fā)現(xiàn)虛擬串口設(shè)備已經(jīng)識(shí)別。

之后即可通過串口調(diào)試助手與MCU進(jìn)行CDC通信，在串口調(diào)試助手中打開對(duì)應(yīng)虛擬串口的端口，然后輸入任意字符，進(jìn)行發(fā)送，將會(huì)在接收窗口中看到MCU返回的接收數(shù)據(jù)，具體現(xiàn)象如下所示。

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