STM32单片机USB通信技术：10个实战案例，连接外部世界，打造单片机物联网

# 1. STM32单片机USB通信基础**

USB（通用串行总线）是一种广泛应用于电子设备之间的通信协议。STM32单片机集成了USB外设，支持多种USB通信模式。本章将介绍STM32单片机的USB通信基础，包括USB通信原理、USB设备类型和STM32单片机USB外设的架构。

USB通信遵循主机-从机模式，其中主机负责控制数据传输，而从机负责响应主机的请求。USB设备根据其功能分为四种主要类型：控制设备、中断设备、批量设备和等时设备。STM32单片机支持所有四种类型的USB设备。

STM32单片机的USB外设包括USB控制器、PHY收发器和端点。USB控制器负责管理USB通信协议，PHY收发器负责物理层通信，而端点用于数据传输。STM32单片机提供了多个端点，每个端点都有其特定的用途和配置选项。

# 2.1 USB通信协议栈

### 2.1.1 USB设备和主机的通信流程

USB通信遵循主从模式，其中主机负责控制数据传输，而设备负责响应主机的请求。USB通信流程主要分为以下几个阶段：

1. **枚举阶段：**当设备连接到主机时，主机将发送枚举请求以获取设备信息，例如供应商ID、产品ID和设备描述符。
2. **配置阶段：**主机根据枚举信息选择设备的配置，并发送配置请求。设备将根据配置请求配置其内部寄存器和端点。
3. **数据传输阶段：**主机和设备通过端点进行数据传输。主机可以发送数据请求，设备可以发送数据响应。
4. **状态阶段：**在数据传输完成后，主机可以发送状态请求以获取设备的状态信息。

### 2.1.2 USB数据传输机制

USB数据传输使用以下机制：

1. **端点：**端点是设备上的逻辑端点，用于发送和接收数据。每个端点都有一个唯一的地址和属性，例如数据传输方向、传输类型和最大数据包大小。
2. **传输类型：**USB支持四种传输类型：控制传输、中断传输、批量传输和同步传输。不同传输类型具有不同的特性和优先级。
3. **数据包：**数据在USB总线上以数据包的形式传输。每个数据包都有一个头和一个数据部分。头包含数据包长度、传输类型和端点地址等信息。
4. **握手协议：**USB使用握手协议来确保数据传输的可靠性。在数据传输之前，主机和设备将进行握手以协商数据包大小和传输速度。

**代码块 1：USB数据传输流程**

// USB数据传输流程
void usb_data_transfer(void) {
    // 枚举阶段
    usb_enumerate();

    // 配置阶段
    usb_configure();

    // 数据传输阶段
    while (1) {
        // 主机发送数据请求
        if (usb_data_request()) {
            // 设备发送数据响应
            usb_data_response();
        }
    }

    // 状态阶段
    usb_get_status();
}

**逻辑分析：**

* `usb_enumerate()`函数执行枚举阶段，获取设备信息。
* `usb_configure()`函数执行配置阶段，配置设备的寄存器和端点。
* 在数据传输阶段，`usb_data_request()`函数检查主机是否发送数据请求，如果发送，则`usb_data_response()`函数发送数据响应。
* `usb_get_status()`函数执行状态阶段，获取设备的状态信息。

# 3. USB通信实践案例

### 3.1 USB虚拟串口通信

#### 3.1.1 虚拟串口通信原理

虚拟串口通信是一种通过USB总线实现串口通信的虚拟化技术。它通过USB设备和主机之间建立虚拟的串口通道，从而实现数据传输。虚拟串口通信具有以下优点：

* **易于使用：**无需额外的串口硬件，只需通过USB连接即可建立通信。
* **兼容性好：**支持多种操作系统和应用程序，无需修改代码即可实现跨平台通信。
* **传输速度快：**利用USB总线的高速传输特性，可以实现较高的数据传输速度。

#### 3.1.2 STM32单片机实现虚拟串口通信

STM32单片机内置USB外设，支持虚拟串口通信功能。实现虚拟串口通信需要以下步骤：

1. **配置USB外设：**初始化USB外设，设置时钟、端点等参数。
2. **配置虚拟串口库：**使用STM32Cube或其他虚拟串口库，配置虚拟串口通信参数，如波特率、数据位、停止位等。
3. **数据传输：**通过虚拟串口库的API函数，实现数据发送和接收。

// 初始化USB外设
USB_Init();

// 配置虚拟串口库
Virtual_UART_Config();

// 数据发送
Virtual_UART_SendData("Hello World!");

// 数据接收
uint8_t data[100];
Virtual_UART_ReceiveData(data,