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28.USB-虛擬串口實驗

28.1實驗內容

通過本實驗主要學習以下內容：

CDC虛擬串口協議原理及使用
CDC虛擬串口通信操作

28.2實驗原理

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

本例程中實現了CDC設備類的相關請求，包括SET_LINE_CODING、GET_LINE_CODING、SET_CONTROL_LINE_STATE等。后續將會在代碼解析章節進行介紹。

有關CDC協議可以通過以下USB官網下載或者通過紅楓派開發板配套資料獲取。

大家可以在學習的過程中結合歷程代碼和協議進行理解。

28.3硬件設計

USB虛擬鍵盤實驗章節已介紹。

28.4代碼解析

本例程主要實現USB虛擬串口的效果，在PC端可以通過串口調試助手或者設備管理器查到虛擬串口設備，并可實現通過該虛擬串口進行通信的現象。

本例程主函數如下，該函數架構與虛擬鍵盤例程相似，當USBD設備初始化且枚舉完成后，USB設備首先通過cdc_acm_check_ready()函數check是否準備數據發送，如果不需要發送就調用cdc_acm_data_receive()函數接收上位機發送的數據，如果需要發送就調用cdc_acm_data_send()將接收到的數據發送給主機，主機再回顯到串口調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備所使用的設備及配置描述符。

設備描述符如下所示，其中bDevcieClass為0x02，表明當前設備為CDC設備類。

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虛擬串口設備包含兩個接口：CMD命令接口和data數據接口。CMD命令接口包含一個IN端點，用于傳輸命令，該端點采用中斷傳輸方式，輪詢間隔為10ms，最大包長為8字節。data數據接口包含一個OUT端點和一個IN端點，這兩個端點均采用批量傳輸方式，最大包長為64字節。另外，該配置描述符中包含了一些類特殊接口描述符，具體請讀者參閱CDC類標準協議。

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
}
};

為了實現CDC設備類，設備需要支持一些設備類專用請求，這些類專用請求的處理在cdc_acm_req_handler()函數中，該函數的定義如下所示，其中SET_LINE_CODING命令用于響應主機向設備發送設備配置，包括波特率、停止位、字符位數等，收到的數據保存在noti_bu內。GET_LINE_CODING命令用于主機請求設備當前的波特率、停止位、奇偶校驗位和字符位數，但在本例程中，主機并未請求該命令，所以設備所設置的串口數據并沒有作用，主機可以選擇任意波特率與設備進行通信。其他的命令在本例程中并未進行處理，讀者可以參考標準CDC類協議。

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虛擬串口設備數據的收發。

數據接收通過cdc_acm_data_receive()函數實現，該函數的程序如下所示。在該函數中，首先將packet_receive標志位設置為0，表明接下來將進行接收數據，當接收完成時，在cdc_acm_data_out()函數中，將packet_receive標志位置1，表明數據接收完成。usbd_ep_recev()用于配置接收操作，利用CDC_OUT_EP端點，將接收到的數據放置在cdc->data用戶緩沖區中。

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;
}

數據發送通過cdc_acm_data_send()函數實現，該函數的程序如下所示。在該函數中，首先將packet_sent標志位設置為0，表明接下來將進行發送數據，當數據發送完成時，在cdc_acm_data_in()函數中，將packet_sent標志位設置為1，表明數據發送完成。usbd_ep_send()用于配置發送操作，利用CDC_IN_EP端點，將以cdc->data地址為起始data_len長度的數據發送給主機。

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實驗結果

將本例程燒錄到紅楓派開發板中，并通過TypeC數據線連接USB通信接口和PC，在WIN7上虛擬串口需要安裝驅動，在WIN8 WIN10以及后續版本的系統上不需要安裝驅動。

下面介紹WIN7系統的驅動安裝過程。

在WIN7系統上，將Tyep C數據線連接到PC后，將會在設備管理器中發現一個未知設備，通過以下連接可以下載官方提供的虛擬串口驅動：https://www.gd32 mcu.com/download/down/document_id/44/path_type/1

下載驅動并進行安裝，之后將會在設備管理器中發現虛擬串口設備已經識別。

之后即可通過串口調試助手與MCU進行CDC通信，在串口調試助手中打開對應虛擬串口的端口，然后輸入任意字符，進行發送，將會在接收窗口中看到MCU返回的接收數據，具體現象如下所示。

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