STM32 USB VCOM和HID的区别，配置及Echo功能实现（HAL）

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STM32 USB VCOM和HID的区别，配置及Echo功能实现（HAL ）

STM32的USB功能模块可以配置为虚拟串口（VCOM: Visual Port Com）或人机交互设备（HID： Human Interface Device）两种主要的通讯接口。可以实现PC到STM32的双向通信。在应用方面的区别主要体现为：

虚拟串口的一帧字节长度可以自行定义，发送和接收的buffer可以开得比较大；
HID的一帧字节长度有限制，如全速USB的HID一帧长度最大64字节；
虚拟串口需要用户在PC安装操作系统驱动，然后应用软件需要人工或自动扫描和指定串口端口号再进行通讯；
HID采用操作系统自带的驱动，不需要用户再去安装驱动，应用软件可以扫描有效的VID和PID，从而识别对应USB设备有没有正常连接，一般采用自动扫描连接而不采用人工连接。

这里介绍STM32F401CCU6基于STM32CUBIDE开发环境的USB虚拟串口及USB CUSTOM HID的配置及Echo功能实现（HAL库）。

基本工程配置

首先建立工程并配置采用外部HSE晶振，采用默认参数。USB功能需要外部HSE晶振提供时钟。
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然后配置时钟树，关键是给USB提供48MHz时钟。

对于虚拟串口，可以根据需要调整堆和栈的大小：

这样就完成了基本的时钟配置，然后使能USB Device功能，采用默认参数即可：

这样就完成了USB Device功能的启用，后面根据实现虚拟串口还是HID进行不同的配置。

虚拟串口配置及Echo功能实现

首先将USB Device选择配置为虚拟串口并采用默认配置：
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后面在PC上装STM32提供的虚拟串口驱动就可以进行通讯。这些默认配置信息可以修改，如果做了修改，则需要同步修改STM32提供的虚拟串口驱动里面的信息，实现信息匹配驱动才能对应生效。

注意根据需要配置发送和接收buffer的大小：
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保存并生成初始工程代码：

Echo功能实现PC发到STM32的数据，STM32原样返回给PC端。首先找到STM32的接收函数：

然后在函数内增加发送代码，即可实现Echo功能:

static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len) { /* USER CODE BEGIN 6 */ CDC_Transmit_FS(Buf, *Len); USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]); USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS); return (USBD_OK); /* USER CODE END 6 */ }

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编译下载后，在PC上用串口工具就可以实现验证。需要先安装STM32虚拟串口驱动（https://www.st.com/zh/development-tools/stsw-stm32102.html）：
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连接PC的USB口后，在Windows的设备管理器的端口里可以看到识别到的串口设备和端口号：

这里用PortHelper工具的效果，注意Echo设计在STM32里的转发速度比较快，所以只要PC端不是快速连续发送，波特率快慢可以任意调整：
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在非Echo功能的实现上，如果有超长的数据发送，则可以分成多个段发送，前一个段发送完后再发下一个段，下面这个函数是每次发送完成之后的回调函数，可以在里面设置标志变化，从而在主程序里进行当前次发送已完成的判断。
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USB虚拟串口连接识别

如果USB虚拟串口没有建立连接就执行STM32向外发送数据代码，容易产生异常，一般是由主控端连接STM32嵌入式端, 向STM32发送指令后，STM32再进行串口数据外发。另外一种方式就是增加连接状态识别，各个发送代码段可以先调用状态识别函数，确认已经是连接态再发送串口数据。状态识别函数按如下编写：

在头文件中申明函数

讯享网 uint8_t USB_CONN_STATUS(void);

编写状态识别函数

uint8_t USB_CONN_STATUS(void) { 
    if(hUsbDeviceFS.dev_connection_status==0) return 1; else return 0; }

这样，当调用USB_CONN_STATUS()时，返回值为1表示USB虚拟串口已连接，否则为未连接,如：

讯享网 if(USB_CONN_STATUS()) { 
    CDC_Transmit_FS("\r\nUSB VCOM\r\n", strlen("\r\nUSB VCOM\r\n")) ; }

HID配置及Echo功能实现

首先将USB Device配置为HID模式：
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然后配置如下参数：

Custom_HID_FS_BINTERVAL为响应主机发送数据的延时时间, 最小为1，越小响应度越好。
USBD_CUSTOM_HID_REPORT_DESC_SIZE是报告描述符的字节长度，其与后面将进一步描述的代码关系如下所示:
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USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE是输出的报文大小，这里设置为64个字节。对于低速设备每一笔事务最大是8字节;对于全速设备每一笔事务最大是64字节;对于高速设备每一笔事务最大是1024字节。
USBD_MAX_NUM_INTERFACES和USBD_MAX_NUM_CONFIGURATION是最大接口和配置的数量，这里只实现一个双向通信，所以是1个配置和1个接口。另外，在接口之下的端点则是3个，一个是默认0端点用于自举控制信息收发，另外两个端点一个用于发送一个用于接收。这些都通过描述符实现，STM32CUBEIDE会自动生成1个收发通讯对应的各级描述符，只有报告描述符需要手动设置。USB HID各级描述符的关系如下图：
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USBD_MAX_STR_DESC_SIZ是字符串描述符的空间大小，采用默认即可。
USBD_SELF_POWERED是电源选项，设置为Enable。
USBD_DEBUG_LEVEL是调试选项，这里设置为不用即可。

然后配置描述符信息：
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这里VID是厂家信息，正规厂家可以向USB协会申请厂家的代码，如下为ST的代码：

LANGID_STRING是语言识别符，设置为English即可。
MANUFACTURE_STRING是厂商名称，这里是ST公司名称。
PID是产品序列号，默认是22352。
PRODUCT_STRING是产品名称字符串设置。
CONFIGURATION_STRING是配置名称字符串设置。
INTERFACE_STRING是接口名称字符串设置。

实际上，以上的信息都是可以改动的，PC在USB HID自举时，更关键的信息是所采用的通讯协议的设定，从而决定采用的驱动。因此上述信息都是描述性信息，不会影响PC对USB HID的驱动安装，但是如果在PC上通过在线升级方式获取升级驱动，则需要这部分信息和在线驱动信息匹配。这里会将相关信息进行改动为如下所示：
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保存后生成初始工程代码：

然后需要对报告描述符进行升级改写：

具体代码：

/ Usb HID report descriptor. */ __ALIGN_BEGIN static uint8_t CUSTOM_HID_ReportDesc_FS[USBD_CUSTOM_HID_REPORT_DESC_SIZE] __ALIGN_END = { /* USER CODE BEGIN 0 */ //0x00, 0x05, 0x8c, 0x09, 0x01, 0xa1, 0x01, 0x09, 0x03, 0x15, 0x00, 0x26, 0x00, 0xFF, 0x75, 0x08, //0x95, CUSTOM_HID_EPIN_SIZE, 0x95, 0x40, 0x81, 0x02, 0x09, 0x04, 0x15, 0x00, 0x26, 0x00, 0xFF, 0x75, 0x08, //0x95, CUSTOM_HID_EPOUT_SIZE, 0x95, 0x40, 0x91, 0x02, /* USER CODE END 0 */ 0xC0 /* END_COLLECTION */ };

为了实现Echo功能，对HID接收中断回调函数进行改写，从而对接收到的数据进行存储。
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具体代码：

讯享网static int8_t CUSTOM_HID_OutEvent_FS(uint8_t event_idx, uint8_t state) { /* USER CODE BEGIN 6 */ extern uint8_t usb_rx_status; extern uint8_t reportdata[64]; USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *hhid; hhid = (USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef*)hUsbDeviceFS.pClassData;//Get receiving data address usb_rx_status = 1; for(uint8_t i=0;i<64;i++) { reportdata[i]=hhid->Report_buf[i]; //note: event_idx==hhid->Report_buf[0] ; state==hhid->Report_buf[1] } UNUSED(event_idx); UNUSED(state); /* Start next USB packet transfer once data processing is completed */ if (USBD_CUSTOM_HID_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS) != (uint8_t)USBD_OK) { return -1; } return (USBD_OK); /* USER CODE END 6 */ }

然后在main.c文件实现变量定义和Echo功能的发送控制，代码如下：

/* USER CODE BEGIN Header */ / * @file : main.c * @brief : Main program body * @attention * * Copyright (c) 2022 STMicroelectronics. * All rights reserved. * * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file * in the root directory of this software component. * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS. * */ /* USER CODE END Header */ /* Includes ------------------------------------------------------------------*/ #include "main.h" #include "usb_device.h" /* Private includes ----------------------------------------------------------*/ /* USER CODE BEGIN Includes */ /* USER CODE END Includes */ /* Private typedef -----------------------------------------------------------*/ /* USER CODE BEGIN PTD */ /* USER CODE END PTD */ /* Private define ------------------------------------------------------------*/ /* USER CODE BEGIN PD */ /* USER CODE END PD */ /* Private macro -------------------------------------------------------------*/ /* USER CODE BEGIN PM */ /* USER CODE END PM */ /* Private variables ---------------------------------------------------------*/ /* USER CODE BEGIN PV */ /* USER CODE END PV */ /* Private function prototypes -----------------------------------------------*/ void SystemClock_Config(void); static void MX_GPIO_Init(void); /* USER CODE BEGIN PFP */ /* USER CODE END PFP */ /* Private user code ---------------------------------------------------------*/ /* USER CODE BEGIN 0 */ uint8_t usb_rx_status = 0; uint8_t reportdata[64]={0}; extern USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS; /* USER CODE END 0 */ / * @brief The application entry point. * @retval int */ int main(void) { /* USER CODE BEGIN 1 */ /* USER CODE END 1 */ /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/ /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */ HAL_Init(); /* USER CODE BEGIN Init */ /* USER CODE END Init */ /* Configure the system clock */ SystemClock_Config(); /* USER CODE BEGIN SysInit */ /* USER CODE END SysInit */ /* Initialize all configured peripherals */ MX_GPIO_Init(); MX_USB_DEVICE_Init(); /* USER CODE BEGIN 2 */ /* USER CODE END 2 */ /* Infinite loop */ /* USER CODE BEGIN WHILE */ while (1) { if(usb_rx_status==1) { usb_rx_status = 0; USBD_CUSTOM_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS, reportdata, 64); } /* USER CODE END WHILE */ /* USER CODE BEGIN 3 */ } /* USER CODE END 3 */ } / * @brief System Clock Configuration * @retval None */ void SystemClock_Config(void) { RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0}; RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0}; / Configure the main internal regulator output voltage */ __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE(); __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE2); / Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters * in the RCC_OscInitTypeDef structure. */ RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 25; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV4; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7; if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) { Error_Handler(); } / Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks */ RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2; RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK; RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2; RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK) { Error_Handler(); } } / * @brief GPIO Initialization Function * @param None * @retval None */ static void MX_GPIO_Init(void) { /* GPIO Ports Clock Enable */ __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); } /* USER CODE BEGIN 4 */ /* USER CODE END 4 */ / * @brief This function is executed in case of error occurrence. * @retval None */ void Error_Handler(void) { /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */ /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */ __disable_irq(); while (1) { } /* USER CODE END Error_Handler_Debug */ } #ifdef USE_FULL_ASSERT / * @brief Reports the name of the source file and the source line number * where the assert_param error has occurred. * @param file: pointer to the source file name * @param line: assert_param error line source number * @retval None */ void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line) { /* USER CODE BEGIN 6 */ /* User can add his own implementation to report the file name and line number, ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */ /* USER CODE END 6 */ } #endif /* USE_FULL_ASSERT */

编译下载到STM32后，用USB线连接到PC，则可以看到USB HID设备已识别成功：
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可以用工具进行通讯测试，STM32提供USB HID Demonstrator作为测试工具。这里还是继续采用PortHelper工具来进行USB HID测试，还是比较方便的。

点击“打开USB"后：

其中自举握手信息显示的厂商号06C7就是十进制的1735，产品号3039就是十进制的12345, 也就是在STM32的USB HID配置界面设置的数字。
PortHelper已经基于获得的64个传输字节大小的信息，已经放置了64个字节在下面的发送区。在界面的辅助位置点上Hex发送和Hex显示，再点击端点2/HID发送，则STM32会将收到的数据回传过来。
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需要注意的是，因为设置了64个字节的传输包大小，所以STM32侧发送数据必须以64个字节为一组发送，否则数量不足包不能发送。而在PC侧的软件方面，会自动检测输入的字节数是不是64个字节，如果不是64个字节，就会自动补0到64个字节发送。所以这里将发送区的发送数据改为1个55进行发送，实际上发出的就是1个55和63个00。如下所示：
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按照上述设计，就实现了STM32 USB HID的Echo功能。