1. 引言

在嵌入式系統開發中，USB 虛擬串口是一種非常實用的功能。它允許 STM32 微控制器通過 USB 接口與計算機進行通信，就像使用傳統的串口一樣。這種方式不僅簡化了硬件設計，還提高了通信的靈活性和穩定性。STM32F407 系列微控制器具有強大的處理能力和豐富的外設資源，配合 HAL 庫可以方便地實現 USB 虛擬串口功能。

2. 開發環境搭建

2.1 硬件準備

• STM32F407 開發板：選擇一款基于 STM32F407 的開發板，如正點原子的探索者 STM32F407 開發板。
• USB 數據線：用于連接開發板和計算機。

2.2 軟件準備

• Keil MDK：一款專業的 ARM 微控制器開發工具，用于編寫、編譯和調試代碼。
• STM32CubeMX：ST 官方提供的圖形化配置工具，可用于快速生成 STM32 項目的初始化代碼。
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點擊生成代碼；

注意幾處需要修改的地方：

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3. USB 虛擬串口原理

3.1 USB 協議基礎

USB（Universal Serial Bus）是一種通用的串行總線標準，具有高速、可靠、易用等特點。USB 協議定義了設備與主機之間的通信方式，包括設備枚舉、數據傳輸等過程。

3.2 CDC 類協議

CDC（Communication Device Class）是 USB 協議中的一種設備類，專門用于實現虛擬串口通信。CDC 類協議定義了兩個接口：通信接口（Communication Interface）和數據接口（Data Interface）。通信接口用于發送和接收控制命令，數據接口用于傳輸實際的數據。

3.3 數據傳輸過程

4.2 數據接收處理

在usbd_cdc_if.c文件中，有一個CDC_Receive_FS回調函數，用于處理接收到的數據。以下是該函數的示例代碼：

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);// 處理接收到的數據for (uint32_t i = 0; i < *Len; i++){// 這里可以添加具體的數據處理邏輯// 例如將接收到的數據原樣發送回去CDC_Transmit_FS(&Buf[i], 1);}return (USBD_OK);/* USER CODE END 6 */
}

4.3 數據發送處理

在usbd_cdc_if.c文件中，有一個CDC_Transmit_FS函數，用于發送數據。以下是該函數的示例代碼：

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 主函數代碼

在main.c文件中，需要對 USB 設備進行初始化，并啟動數據接收。以下是主函數的示例代碼：

5. 代碼編譯與下載

5.1 代碼編譯

打開 Keil MDK，導入 STM32CubeMX 生成的項目代碼。在 Keil MDK 中進行編譯，確保代碼沒有錯誤和警告。

5.2 代碼下載

將開發板通過 USB 數據線連接到計算機，使用 ST-Link 或 J-Link 等調試器將編譯好的代碼下載到開發板中。

6. 測試與驗證

6.1 計算機端軟件準備

在計算機上安裝串口調試助手，如串口調試精靈、SSCOM 等。

6.2 設備識別

將開發板通過 USB 數據線連接到計算機，計算機應該能夠識別出一個新的串口設備。

6.3 數據收發測試

打開串口調試助手，選擇識別到的串口，設置波特率為 115200（USB 虛擬串口的波特率不影響實際通信速度）。在串口調試助手中發送數據，開發板應該能夠接收到數據并將其原樣發送回去。

7. 常見問題及解決方法

7.1 設備無法識別

7.2 數據收發異常

8. 擴展功能

8.1 數據解析與處理

在CDC_Receive_FS函數中添加更復雜的數據解析邏輯，例如解析特定的命令格式，實現不同的功能。

8.2 多線程處理

使用 STM32 的 RTOS（實時操作系統），如 FreeRTOS，將數據接收和處理任務分配到不同的線程中，提高系統的實時性和穩定性。

9. 總結

通過以上步驟，你可以基于 STM32F407 HAL 庫實現 USB 虛擬串口功能。USB 虛擬串口為 STM32 開發板與計算機之間的通信提供了一種方便、高效的方式，在實際應用中具有廣泛的用途。

1. 設備枚舉：當 STM32 開發板通過 USB 連接到計算機時，計算機會對設備進行枚舉，獲取設備的描述符信息，確定設備的類型和功能。
2. 建立通信：枚舉完成后，計算機和 STM32 開發板之間建立起 USB 通信連接。
3. 數據傳輸：通過 CDC 類協議，計算機可以向 STM32 開發板發送數據，也可以接收 STM32 開發板發送的數據。

   4. 代碼實現

   4.1 生成的代碼結構

   使用 STM32CubeMX 生成的代碼包含了 USB 虛擬串口的基本框架，主要文件有：

4. usbd_cdc_if.c：實現了 CDC 類接口的回調函數，負責處理數據的發送和接收。
5. usbd_cdc.c：實現了 CDC 類的核心功能，包括設備枚舉、控制命令處理等。
6. usbd_core.c：實現了 USB 設備的核心功能，包括設備初始化、數據傳輸等。
7. 檢查硬件連接：確保 USB 數據線連接正常，開發板的電源正常。
8. 檢查 USB 驅動：在設備管理器中查看是否有未識別的設備，嘗試更新 USB 驅動。
9. 檢查代碼邏輯：確保CDC_Receive_FS和CDC_Transmit_FS函數的實現正確。
10. 檢查緩沖區大小：確保數據緩沖區足夠大，避免數據溢出。

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