STM32F103 USB技术精通：通信与设备开发全攻略


# 摘要
本文全面介绍STM32F103系列微控制器的USB技术应用。文章首先概述了USB通信的技术基础，包括USB协议原理、数据传输类型和STM32F103的硬件架构。接着深入探讨了STM32F103的USB通信实践，涵盖了实现标准USB设备通信、自定义USB设备开发和数据通信优化。文章还详细分析了STM32F103的USB设备驱动开发流程，以及在实际项目中的应用与性能评估。通过对USB通信、硬件架构、固件编程、驱动开发及项目实践的系统性讲解，本文旨在为相关领域工程师提供实用的指导和技术参考。

# 关键字
STM32F103；USB通信；固件编程；设备驱动；数据优化；项目实战

参考资源链接：[STM32F103系列微控制器数据手册：ARM Cortex-M3与丰富特性详解](https://wenku.csdn.net/doc/647d4771d12cbe7ec33f9651?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F103 USB技术概述

STM32F103是STMicroelectronics公司生产的一款广泛使用的高性能ARM Cortex-M3微控制器。它的一个显著特点是集成了USB 2.0全速设备接口，使微控制器可以直接与USB主机进行通信。这一特性使得STM32F103非常适合开发需要USB连接的嵌入式系统，如USB数据采集器、USB接口设备、工业自动化设备等。在深入了解STM32F103的USB技术之前，本章将先为读者提供一个技术概述，以便理解USB技术在STM32F103微控制器中的作用和优势。

在技术概述中，我们会了解到STM32F103与USB接口的结合，使得用户能够轻松实现多种USB通信模式，例如控制传输、批量传输和中断传输等。这些传输方式对于实时数据的交换和设备的高效管理至关重要。此外，本章还将介绍STM32F103 USB技术的应用场景和在市场上的竞争优势。通过本章的学习，读者将能够对STM32F103的USB能力有一个全面的了解，并为深入学习后续章节内容打下坚实的基础。

# 2. STM32F103 USB通信基础

## 2.1 USB协议核心原理

### 2.1.1 USB通信流程解析

通用串行总线（USB）是广泛使用的一种通信接口标准，用于连接计算机与外部设备。USB通信流程包括了设备的枚举、配置以及数据传输三个主要阶段。

**设备枚举**是USB通信的初始化阶段，当USB设备接入主机时，操作系统会自动检测新设备并安装必要的驱动程序。这一过程中，主机通过一系列的控制传输，读取设备的描述符，识别设备类型，然后为设备分配一个唯一的地址。设备枚举流程确保了主机能够了解连接的设备并为其配置适当的资源。

**配置阶段**发生在设备枚举之后，主机通过发送标准设备请求，配置设备，使其进入一种特定的运行状态。在配置阶段，设备端点会根据设备的功能需求被激活，并配置相应的数据传输方式。

**数据传输阶段**则是在设备成功配置之后，开始实际的数据交换。USB支持四种数据传输类型：控制传输、同步传输、中断传输和批量传输，每种类型适用于不同的应用场景。

### 2.1.2 USB数据传输类型及其特点

USB支持的不同传输类型各有特点，适用于不同的数据传输需求。

- **控制传输**是用于设备配置和状态查询的传输类型，通常只用于控制端点。
- **同步传输**适用于要求固定带宽和低延迟的流媒体数据传输，如音频和视频设备。
- **中断传输**用于周期性传输少量数据，适用于人机接口设备，例如鼠标和键盘。
- **批量传输**适合大量数据传输，且不要求实时性，如打印机和存储设备。

每种传输类型都有其独特的优势，使得USB通信能够灵活地满足各种不同类型设备的需求。

## 2.2 STM32F103 USB硬件架构

### 2.2.1 STM32F103 USB硬件接口分析

STM32F103系列微控制器集成了全速USB接口，提供了灵活的USB通信能力。硬件接口包括USB数据线DP和DM，以及5V电源线。STM32F103的USB接口支持主机和设备模式，因此能够实现多种USB通信场景。

在硬件设计上，USB接口需要与合适的外围电路配合以保证信号质量。因为USB通信依赖于精确的时序和电平标准，因此在设计时需要考虑信号的完整性和电源管理。

### 2.2.2 USB外设与主机模式配置

STM32F103可以通过固件编程配置为USB外设或主机模式。在**外设模式**下，STM32F103作为USB设备连接到主机，如PC或智能手机。在**主机模式**下，STM32F103能够直接管理连接到其USB端口的USB设备，这对于实现独立系统（如嵌入式设备）与外围设备的通信尤为重要。

硬件连接配置需要将DP连接到STM32F103的USB_DM引脚，将DM连接到USB_DP引脚。供电方面，STM32F103的USB接口可以支持从USB总线供电（Bus Powered）或自供电（Self Powered）。在选择电源模式时，应充分考虑应用需求和硬件限制。

## 2.3 STM32F103 USB固件编程基础

### 2.3.1 STM32 USB库简介与安装

STM32F103的USB通信能力离不开固件库的支持。ST公司为开发者提供了完善的USB固件库，它包含了一系列用于USB通信的函数和类，极大地简化了USB编程的复杂性。

在开始固件编程前，首先需要下载并安装STM32的固件库。这可以通过ST的官方网站或STM32CubeMX配置工具完成。安装后，通过集成开发环境（IDE），例如Keil MDK、IAR、STM32CubeIDE等，来实现固件的编写和调试。

### 2.3.2 设备请求处理与描述符配置

为了使STM32F103能够正确地与USB主机通信，开发者需要处理USB设备请求，并配置正确的设备描述符。设备请求包括获取和设置描述符、设备状态、配置和其他控制信息。

在USB通信中，设备描述符用于告知主机设备的属性，例如设备的供应商ID、产品ID、支持的配置数量等。STM32 USB库提供了一系列模板和结构体来帮助开发者定义这些描述符。

// 示例：设备请求处理和描述符配置代码片段
#include "usbd_def.h"
#include "usbd_core.h"
#include "usbd_desc.h"
#include "usbd_req.h"

/* USB Standard Device Descriptor */
__ALIGN_BEGIN static uint8_t USBD_DeviceDesc[USB_LEN_DEV_DESC] __ALIGN_END = {
    0x12,                       // bLength
    USB_DESC_TYPE_DEVICE,       // bDescriptorType
    0x0200,                     // bcdUSB
    0x02,                       // bDeviceClass
    0x02,                       // bDeviceSubClass
    0x00,                       // bDeviceProtocol
    USB_MAX_EP0_SIZE,           // bMaxPacketSize
    LOBYTE(STM32供应商ID),      // idVendo