STM32 USB配置详解
STM32 USB配置详解
一、USB基础概念
1.1 USB简介
USB (Universal Serial Bus) 是一种用于计算机与外部设备连接的串行总线标准，具有热插拔、即插即用等特点。STM32微控制器内置了多种USB接口，可实现各类USB应用。
1.2 USB速度等级
- Low Speed (LS): 1.5 Mbps，主要用于低速设备如键盘、鼠标等
- Full Speed (FS): 12 Mbps，用于一般速度要求的设备
- High Speed (HS): 480 Mbps，用于高速数据传输设备
- Super Speed: 5 Gbps及以上，STM32目前不支持
1.3 USB工作模式
- Device模式: STM32作为USB设备，连接到主机（如电脑）
- Host模式: STM32作为USB主机，连接USB设备
- OTG (On-The-Go)模式: 可以动态切换Device和Host模式
二、STM32不同系列的USB支持情况
2.1 基础系列 (STM32F0/F1/L0等)
- STM32F1系列:
- 大多数型号仅支持USB FS Device模式
- STM32F105/F107等连接型系列支持USB OTG，可配置为Host/Device模式
- STM32F0部分型号: 支持USB FS Device模式
- STM32L0部分型号: 支持USB FS Device模式
- STM32G0/G4部分型号: 支持USB FS，部分型号支持Host模式
2.2 中端系列 (STM32F2/F3/F4/L4等)
- STM32F2/F4: 支持USB FS/HS，OTG功能，可用作Device/Host
- STM32F3部分型号: 支持USB FS Device
- STM32L4部分型号: 支持USB FS，部分支持OTG功能
2.3 高端系列 (STM32F7/H7等)
- 全面支持USB FS/HS，完整OTG功能
- 部分型号提供多个USB控制器
- 支持外部ULPI PHY接口，实现真正的480Mbps高速传输
三、USB硬件接口和配置
3.1 物理层 (PHY)
- 内置PHY: 支持FS模式，无需外部元件
- 外部PHY: 通过ULPI接口连接，支持HS模式
3.2 引脚配置
-
FS模式常用引脚:
- DP (D+): 数据正
- DM (D-): 数据负
- VBUS: 电源检测（OTG模式下）
- ID: OTG模式识别引脚
-
HS模式外部PHY接口: 需要8位数据线和多个控制信号
3.3 电源考虑
- 设备模式: 通常由主机供电
- 主机模式: 需要提供5V电源给外部设备，需要VBUS控制电路
四、使用CubeMX配置USB
4.1 基础配置步骤
- 选择目标STM32型号
- 在左侧外设列表中找到USB部分
- 根据芯片能力，选择USB、USB_OTG_FS或USB_OTG_HS
- 配置工作模式（Device/Host/OTG）
- 配置时钟（USB需要准确的48MHz时钟）
- 配置USB中断优先级
- 生成代码
4.2 Device模式配置
- 选择USB类别（CDC、MSC、HID、Audio等）
- 配置端点（Endpoint）数量和大小
- 配置描述符（VID、PID等）
- 配置字符串描述符
- 生成代码并实现回调函数
4.3 Host模式配置
- 选择需支持的设备类别
- 配置主机通道数量
- 配置VBUS控制（如需要）
- 生成代码并实现回调函数
五、USB协议实现
5.1 USB描述符
- 设备描述符: 定义基本设备信息
- 配置描述符: 定义功耗和接口信息
- 接口描述符: 定义设备功能
- 端点描述符: 定义数据通道
- 字符串描述符: 提供人类可读信息
5.2 常见USB类别实现
5.2.1 CDC (Communication Device Class)
实现虚拟串口功能，使STM32可以通过USB与电脑通信，无需额外驱动。
// CDC发送数据示例
uint8_t buffer[64] = "Hello USB CDC";
CDC_Transmit_FS(buffer, strlen((char*)buffer));
5.2.2 MSC (Mass Storage Class)
实现U盘功能，可以访问STM32内部或外部Flash/SD卡。
// MSC读写回调函数实现示例
int8_t STORAGE_Read_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)
{// 从存储介质读取数据return USBD_OK;
}
5.2.3 HID (Human Interface Device)
实现鼠标、键盘等功能。
// HID发送报告示例
uint8_t report[4] = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03}; // 鼠标移动报告
USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS, report, sizeof(report));
5.2.4 自定义类
通过Vendor Specific Class实现自定义协议。
六、中断和数据处理
6.1 USB中断
- USB全局中断
- SOF (Start of Frame) 中断
- 数据收发中断
- OTG中断
6.2 数据处理流程
- 中断触发
- HAL库处理底层中断
- 调用用户回调函数
- 用户处理数据
6.3 示例中断处理
void HAL_PCD_DataOutStageCallback(PCD_HandleTypeDef *hpcd, uint8_t epnum)
{USBD_LL_DataOutStage(hpcd->pData, epnum, hpcd->OUT_ep[epnum].xfer_buff);// 用户可在此添加数据处理代码
}
七、常见问题与解决方案
7.1 时钟配置问题
USB需要精确的48MHz时钟，配置错误会导致通信不稳定或失败。
解决方案：
- 使用PLL正确配置48MHz时钟
- 对于支持的型号，使用内部48MHz RC振荡器
7.2 供电问题
USB通信对电源稳定性要求高。
解决方案：
- 确保供电充足稳定
- 添加适当滤波电容
- 在Host模式下正确控制VBUS
7.3 无法识别设备
问题原因可能是描述符错误或枚举过程失败。
解决方案：
- 检查VID/PID配置
- 确认描述符格式正确
- 使用USB分析工具调试枚举过程
7.4 数据传输错误
解决方案：
- 提高USB中断优先级
- 适当增大端点缓冲区
- 避免长时间阻塞中断处理
八、进阶应用
8.1 复合设备
同时实现多个USB类（如同时作为虚拟串口和U盘）。
8.2 高速数据传输优化
- 使用双缓冲端点
- 优化数据包大小和数量
- 减少中断处理时间
8.3 低功耗设计
- 利用USB挂起/恢复功能
- 在不需要时禁用USB时钟
- 正确处理远程唤醒功能
九、实用工具推荐
9.1 USB调试工具
- USB Device Tree Viewer: 查看设备描述符
- Wireshark + USBPcap: 抓包分析USB通信
- USBlyzer: 监控USB事件和数据
9.2 测试软件
- 虚拟串口测试工具
- USB存储速度测试工具
- HID设备测试工具
十、参考资料
- STM32参考手册 - USB章节
- STMicroelectronics USB开发文档
- USB 2.0规范
- STM32 HAL库USB API参考