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STM32的USB接口介绍

STM32的USB接口介绍

STM32 USB接口是STM32微控制器系列中集成的一种通信接口,它允许STM32微控制器与外部设备或计算机进行高速的数据传输和通信。以下是STM32 USB接口的简要介绍:

1. 接口类型

STM32的USB接口通常支持USB 2.0标准,部分高端型号可能还支持USB 3.0或更高版本。根据STM32的USB IP模块不同,USB接口可以分为低速(Low-Speed)、全速(Full-Speed, FS)、高速(High-Speed, HS)或超高速(SuperSpeed, SS)四种类型。其中,全速USB的传输速率为12Mbps,高速USB的传输速率为480Mbps,而超高速USB(如USB 3.0)的传输速率则更高。

2. 角色模式

STM32的USB接口可以工作在多种角色模式下,包括:

  • 设备模式(Device Mode):STM32作为USB设备,与USB主机(如电脑)进行通信。在这种模式下,STM32响应主机的命令和数据请求,进行数据传输。
  • 主机模式(Host Mode):STM32作为USB主机,管理并控制一个或多个USB设备。在这种模式下,STM32可以主动发起数据传输请求,控制USB设备的操作。
  • OTG模式(On-The-Go Mode):STM32同时支持设备模式和主机模式,可以在两种模式之间动态切换。OTG模式通过检测USB ID引脚的电平来确定当前的角色,从而灵活地适应不同的应用场景。

3. 主要特性

STM32的USB模块具有一系列丰富的特性,这些特性可以大致分为通用特性、主机模式特性和从机模式特性。以下是这三种特性的详细解析:

3.1通用特性

  1. 符合USB标准:经USB-IF认证,符合通用串行总线规范第2.0版。
  2. OTG协议支持:集成全速PHY,并完全支持定义在标准规范OTG补充第1.3版中的OTG协议。
  3. A-B器件识别:支持通过ID线识别USB设备的A端(主机)或B端(设备)。
  4. 协议支持:支持主机协商协议(HNP)和会话请求协议(SRP),允许设备在没有主机的情况下进行数据传输。
  5. 电源管理:允许主机关闭VBUS以在OTG应用中节省电池电量,并支持通过内部比较器对VBUS电平进行监控。
  6. 角色动态切换:支持主机到从机的角色动态切换,可通过软件配置为不同的角色,如具有SRP功能的USB FS从机(B器件)、具有SRP功能的USB FS/LS主机(A器件)或USB On-The-Go全速双角色设备。
  7. 帧和令牌支持:支持FS SOF(帧开始令牌)和LS Keep-alive令牌,SOF脉冲可通过PAD输出,也可从内部连接到定时器(如TIM2)。
  8. 省电功能:在USB挂起期间能够停止系统、关闭数字模块时钟,并对PHY和DFIFO电源进行管理。
  9. 高级FIFO控制:具有1.25 KB的专用RAM,采用高级FIFO控制,支持灵活有效的RAM使用,如动态分配存储区、FIFO大小可配置为非2的幂次方值等。

3.2主机模式特性

  1. VBUS电压生成:通过外部电荷泵生成VBUS电压。
  2. 多通道支持:多达8个主机通道(管道),每个通道都可以动态实现重新配置,支持任何类型的USB传输。
  3. 硬件调度器:内置硬件调度器,可在周期性硬件队列中存储多达8个中断加同步传输请求,在非周期性硬件队列中存储多达8个控制加批量传输请求。
  4. FIFO管理:管理一个共享RX FIFO、一个周期性TX FIFO和一个非周期性TX FIFO,以有效使用USB数据RAM。

3.3从机模式特性

  1. 端点配置:具有1个双向控制端点0,3个IN端点(EP),可配置为支持批量传输、中断传输或同步传输,以及3个OUT端点(EP),同样可配置为支持这些传输类型。
  2. FIFO管理:管理一个共享Rx FIFO和一个Tx-OUT FIFO,以高效使用USB数据RAM。同时,管理多达4个专用Tx-IN FIFO(分别用于每个使能的IN EP),以降低应用程序负荷并支持软断开功能。

4.功能特性

STM32 USB接口具有多种功能特性,包括:

  • 即插即用和热插拔:支持USB设备的即插即用和热插拔功能,方便用户随时连接和断开设备。
  • 多种传输类型:支持控制传输、中断传输、块传输和等时传输等四种传输类型,以满足不同应用的需求。
  • 固件升级和调试:通过USB接口,可以方便地进行STM32的固件升级和调试,提高开发效率。
  • 电源管理:部分STM32型号还支持USB电源管理功能,可以通过USB接口为设备供电或进行电池充电。

5.工作原理

  • USB2.0 使用四根线:VCC(5V)、GND、D+(3.3V)和 D-(3.3V) (注:五线模式多了一个DI 脚用于支持 OTG 模式,OTG 为 USB 主机+USB 设备双重角色)

  • 在 USB 主机上,D-和 D+都接 15K 的电阻到地,在没有设备接入的时候,D+、D-均是低电平。在 USB 设备中,如果是高速设备,则在D+上接一个1.5K的电阻到 3.3V,如果是低速设备,则在 D-上接一个1.5K 的电阻到 3.3V。当设备接入主机时,主机就可以判断是否有设备接入,并能判断设备是高速设备还是低速设备。

  • STM32F429通过AHB总线访问(AHB频率必须大14.2Mhz),USB OTG 的内核时钟必须是 48Mhz来自时钟树里面的 PLL48CK(和 SDIO 共用),我们一般使用 180Mhz 的主频,而 USB 需要 48Mhz 的时钟频率,无法从 180Mhz 进行整数分频得到,因此,我们需要将STM32F429 的主频,提升到 192Mhz,这样经过 4 分频,就可以得到 48Mhz 的 USB 时钟频率。

6.USB_OTG库

ST 提供了我们一个完整的 USB OTG 驱动库(包括主机和设备),通过这个库,我们可以很方便的实现我们所要的功能,而不需要详细了解 USB 的整个驱动,大大缩短了我们的开发时间和精力,ST 提供的 USB OTG 库,可以在:http://www.stmcu.org/document/list/index/category-523 这里下载到(STSW-STM32046)。

1.USB_OTG库

2.USB_OTG例程

3.移植注意

移植完成后,项目如下图所示:

  • 使用 USB OTG FS,必须在 MDK 编译器的全局宏定义里面,添加宏定义:USE_USB_FS
  • 通过修改 usbd_conf.h 里面的 MSC_MEDIA_PACKET 定义值大小,可以一定程度提高USB 读写速度(越大越快)。通过修改:STORAGE_LUN_NBR 宏定义的值为 2,可以支持 3 个磁盘
  • 官方例程在 2 个或以上磁盘支持的时候,存在 bug,需要修改 usbd_msc.h 里面USBD_MSC_BOT_HandleTypeDef 结构体的 scsi_blk_nbr 参数,将其改为数组形式:uint32_t scsi_blk_nbr[STORAGE_LUN_NBR];数组大小由 STORAGE_LUN_NBR 指定,修改该参数后,相应的有一些函数要做修改,参考本例程源码。
  • 修改 usbd_msc_bot.c 里面修改 MSC_BOT_CBW_Decode 函数,将 hmsc->cbw.bLUN > 1 改为:hmsc->cbw.bLUN > STORAGE_LUN_NBR,以支持多个磁盘

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