如何通过Mini-F0160开发板实现USB转三路虚拟串口功能？

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。

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。




审核编辑：刘清