本节课程主要讲述如何通过 Mini-F0160 开发板实现 USB 转三路虚拟串口功能。
开发板 | Mini-F0163 |
开发环境 | MDK-Keil |
Mini-F0160 开发板搭载 MM32F0160 ,产品内嵌 1 个 USB 控制器,内置 USB PHY,兼容 USB 2.0 全速规范,提供最高 12 Mbps 数据速率,支持设备模式,USB 控制器提供了最高 8 个双向端点。
本文源程序下载地址:
https://www.mindmotion.com.cn/download1.aspx?itemid=3816&typeid=5
什么是 CDC 设备
CDC 类是 USB 通信设备类 (Communication Device Class)的简称。由 USB 组织定义的专门给各种通信设备使用的 USB 子类。
通常,CDC类由两个接口子类组成:
通信接口类(Communication Interface Class)
主要用于主机对设备进行管理和控制,它包含一个控制类型的端点和一个可选的中断类型端点。
该控制类型端点 0 一般用作请求,可以用于配置 USB 设备枚举虚拟串口的波特率、数据类型的设置,比如数据长度、停止位等。在虚拟串口应用中,该操作并不一定需要具体实现。因为主机与设备在物理上通过 USB 总线进行通信,与串口并没有关系,在虚拟化过程中,起决定性作用的是串口驱动,该驱动将每一条具体的虚拟串口操作对应到实际上的USB操作。同时,主机与设备之间的 USB 通信速率依然是标准的 USB2.0 Full-Speed(12Mbps)速度,并不受所谓的串口波特率影响,实际的速率取决于总线的实际使用率、驱动访问 USB 外设的有效速率(两边)以及外部环境对通信本身造成的干扰率等因素。
该中断类型端点可以用于异步事件通知,设备端可以通过该端点向主机发送内部时间等,如串口状态变化事件等。篇幅受限,本文不进行实现。
数据接口类(Data Interface Class)
主要用于主机和设备之间进行数据传输,包含输入(IN)端点和输出(OUT)端点。
输入(IN)端点:
用于从设备向主机发送数据。
输出(OUT)端点:
用于主机向从设备发送数据。
多路虚拟串口的具体实现
多路虚拟串口功能可以通过组合设备(Composite Device)进行实现。组合设备是指具有多个接口,且接口间相互独立的USB设备。一个USB组合设备只有一个设备地址。在开发过程中,可以将不同的功能与不同的接口对应,来开发多功能的USB设备,描述符层次结构更清晰,出错容易排查。
设备描述符
设备描述符(Device Descriptor)是在设备连接时主机读取的第一个描述符,说明了 USB 设备的通用信息,提供关于设备、设备的配置以及任何设备所归属类的信息。主机在取得设备描述符后,就可以继续去获取设备的配置、接口和端点描述符等信息。
USB 设备只有一个设备描述符。在设备描述符中,可以使用 bDeviceClass = 0x00, bDeviceSubClass = 0x00, dDeviceProtocol = 0x00 表示此类信息在接口描述符内给出;也可以使用【0xEF,0x02,0x01】表示当前为组合设备。下图为主机请求设备描述符,设备返回设备描述符报文:
配置描述符
配置描述符(Configuration Descriptor)说明了一个特定配置的相关信息。当主机请求配置描述符时,返回的是所有相关的接口和端点描述符。
一个USB设备有一个或多个配置描述符。配置描述符描述了配置所提供的接口数量。每个接口可以独立操作。每种配置有一个或多个接口,而且每个接口有零个或多个端点。在一个配置中,接口不会共享一个端点,除非端点被相同接口的备用设置使用。没有这一限制、属于不同配置的接口可以共享端点。
配置描述符规定了设备的特征和能力。一般单个配置已经足够了,但在驱动程序的支持下,带有多应用或多电源选择的设备可支持多重配置。且每次只有一个配置被激活。每个配置需要一个配置描述符,其中含有关于设备电源使用及所支持接口数的信息。每个配置描述符都有附属描述符(subordinate descriptor),包括一个或多个接口描述符(Interface Descriptor)以及可选的端点描述符(Endpoint Descriptor)。
配置描述符如下:
接口描述符
下图所示为标准的接口描述符定义。
单个CDC类的描述符需要两个接口:通信接口描述符和数据接口描述符。这两个接口需要接口关联描述符(Interface Association Descriptor)进行绑定。
接口关联描述符
IAD 接口关联描述符提供了一种功能:即把实现单个功能的多个 Interface 打包在一起。通过接口关联描述符打包在一起的若干 Interface 是同一个功能设备的 Interface,PC端只需要加载同一个驱动即可。
通信(控制)接口描述符
该接口描述符需要包含功能描述符(Header,Call Management, ACM)、端点描述符。
功能描述符
Header 功能描述符
Call Management 功能描述符
ACM
Union 功能描述符
数据接口描述符
端点描述符
下图所示为标准的端点描述符定义。
本文中分配的端点如下:
代码:
/* CDC 端点1 */ #define EPNUM_CDC_0_NOTIF 0x81 #define EPNUM_CDC_0_OUT 0x02 #define EPNUM_CDC_0_IN 0x82 /* CDC 端点2 */ #define EPNUM_CDC_1_NOTIF 0x83 #define EPNUM_CDC_1_OUT 0x04 #define EPNUM_CDC_1_IN 0x84 /* CDC 端点3 */ #define EPNUM_CDC_2_NOTIF 0x85 #define EPNUM_CDC_2_OUT 0x06 #define EPNUM_CDC_2_IN 0x86
配置描述符 / 接口描述符 / 端点描述符
uint8_t const desc_fs_configuration[] = { /* Config number, interface count, string index, total length, attribute, power in mA */ TUD_CONFIG_DESCRIPTOR(1, ITF_NUM_TOTAL, 0, CONFIG_TOTAL_LEN, 0x00, 100), /* 1st CDC: Interface number, string index, EP notification address and size, EP data address (out, in) and size. */ TUD_CDC_DESCRIPTOR(ITF_NUM_CDC_0, 4, EPNUM_CDC_0_NOTIF, 8, EPNUM_CDC_0_OUT, EPNUM_CDC_0_IN, 64), /* 2nd CDC: Interface number, string index, EP notification address and size, EP data address (out, in) and size. */ TUD_CDC_DESCRIPTOR(ITF_NUM_CDC_1, 4, EPNUM_CDC_1_NOTIF, 8, EPNUM_CDC_1_OUT, EPNUM_CDC_1_IN, 64), /* 3nd CDC: Interface number, string index, EP notification address and size, EP data address (out, in) and size. */ TUD_CDC_DESCRIPTOR(ITF_NUM_CDC_2, 4, EPNUM_CDC_2_NOTIF, 8, EPNUM_CDC_2_OUT, EPNUM_CDC_2_IN, 64), };
字符串描述符
char const* string_desc_arr [] = { (const char[]){0x09, 0x04}, // 0: Supported language: English (0x0409) "MindMotion", // 1: Manufacturer "MM32-3VCP", // 2: Product "20221229", // 3: Serials "CDC Virtual COM", // 4: CDC Interface };
CDC Task 接口
在该接口函数中,本文主要实现了各个串口的回环功能,即在任务处理中发送当前端点的接收字符。
void cdc_task(void) { uint8_t itf; for (itf = 0; itf < CFG_TUD_CDC; itf++) { // connected() check for DTR bit // Most but not all terminal client set this when making connection // if ( tud_cdc_n_connected(itf) ) if ( tud_cdc_n_available(itf) ) { uint8_t buf[64]; uint32_t count = tud_cdc_n_read(itf, buf, sizeof(buf)); echo_serial_port(itf, buf, count); } } }
基本测试
如上,我们就完成三路虚拟串口的CDC功能,将程序下载到MCU中,插上USB线,然后在电脑的设备管理器的端口栏就可以找到对应的USB CDC枚举模拟串口设备。
成功枚举,我们继续在Windows 和 Linux 环境下测试一下通信:
测试成功。本文分享到此结束,谢谢!
审核编辑:汤梓红
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