第五十六章 USB读卡器(Slave)实验

       [mw_shl_code=c,true]1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板 2.软件平台：MDK5.1 3.固件库版本：V1.4.0[/mw_shl_code]
STM32F407系列芯片都自带了USB OTG FS和USB OTG HS（HS需要外扩高速PHY芯片实现，速度可达480Mbps），支持USB Host和USB Device，探索者STM32F4开发板没有外扩高速PHY芯片，仅支持USB OTG FS（FS，即全速，12Mbps），所有USB相关例程，均使用USB OTG FS实现。 本章，我们将向大家介绍如何利用USB OTG FS在ALIENTEK探索者STM32F4开发板实现一个USB读卡器。本章分为如下几个部分： 56.1 USB简介 56.2 硬件设计 56.3 软件设计 56.4 下载验证  

56.1 USB简介

USB ，是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。 USB发展到现在已经有USB1.0/1.1/2.0/3.0等多个版本。目前用的最多的就是USB1.1和USB2.0，USB3.0目前已经开始普及。STM32F407自带的USB符合USB2.0规范。 标准USB共四根线组成,除VCC/GND外，另外为D+和D-，这两根数据线采用的是差分电压的方式进行数据传输的。在USB主机上，D-和D+都是接了15K的电阻到地的，所以在没有设备接入的时候，D+、D-均是低电平。而在USB设备中，如果是高速设备，则会在D+上接一个1.5K的电阻到VCC，而如果是低速设备，则会在D-上接一个1.5K的电阻到VCC。这样当设备接入主机的时候，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。接下来，我们简单介绍一下STM32的USB控制器。 STM32F407系列芯片自带有USB OTG FS（全速）和USB OTG HS（高速），其中HS需要外扩高速PHY芯片实现，我们这里不做介绍。 STM32F407的USB OTG FS是一款双角 {MOD}设备 (DRD) 控制器，同时支持从机功能和主机功能，完全符合USB 2.0规范的On-The-Go补充标准。此外，该控制器也可配置为“仅主机”模式或“仅从机” 模式，完全符合USB 2.0规范。在主机模式下，OTG FS支持全速（FS，12 Mb/s）和低速（LS，1.5 Mb/s）收发器，而从机模式下则仅支持全速（FS，12 Mb/s）收发器。OTG FS同时支持HNP和SRP。 STM32F407的USB OTG FS主要特性可分为三类：通用特性、主机模式特性和从机模式特性。 1，通用特性 ?  经USB-IF认证，符合通用串行总线规范第2.0版 ?  集成全速PHY，且完全支持定义在标准规范OTG补充第1.3版中的OTG协议 1，支持A-B器件识别（ID线） 2，支持主机协商协议(HNP)和会话请求协议(SRP) 3，允许主机关闭VBUS以在OTG应用中节省电池电量 4，支持通过内部比较器对VBUS电平采取监控 5，支持主机到从机的角 {MOD}动态切换 ?  可通过软件配置为以下角 {MOD}： 1，  具有SRP功能的USB FS从机（B器件） 2，  具有SRP功能的USB FS/LS主机（A器件） 3，USB On-The-Go全速双角 {MOD}设备 ?  支持FS SOF和LS Keep-alive令牌 1，SOF脉冲可通过PAD输出 2，SOF脉冲从内部连接到定时器 2 (TIM2) 3，可配置的帧周期 3，  可配置的帧结束中断 ?  具有省电功能，例如在USB挂起期间停止系统、关闭数字模块时钟、对PHY和DFIFO电源加以管理 ?  具有采用高级FIFO控制的1.25 KB专用RAM 1，可将 RAM 空间划分为不同FIFO，以便灵活有效地使用RAM 2，每个FIFO可存储多个数据包 3，动态分配存储区 4，FIFO大小可配置为非2的幂次方值，以便连续使用存储单元 ?  一帧之内可以无需要应用程序干预，以达到最大 USB 带宽 2，主机（Host）模式特性 ?  通过外部电荷泵生成VBUS电压。 ?  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，可支持任何类型的USB 传输。 ?  内置硬件调度器可： 1，在周期性硬件队列中存储多达8个中断加同步传输请求 2，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 ?  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，从机（Slave/Device）模式特性 ?  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 ?  3个OUT 端点(EP)，可配置为支持批量传输、中断传输或同步传输 ?  管理一个共享Rx FIFO和一个Tx-OUT FIFO，以高效使用USB数据RAM ?  管理多达4个专用Tx-IN FIFO（分别用于每个使能的IN EP），降低应用程序负荷支持软断开功能。 STM32F407 USB OTG FS框图如图56.1.1所示：
图56.1.1 USB OTG框图 对于USB OTG FS功能模块，STM32F4通过AHB总线访问（AHB频率必须大于14.2Mhz），其中48Mhz的USB时钟，是来自时钟树图里面的PLL48CK（和SDIO共用）。 STM32F4 USB OTG FS的其他介绍，请大家参考《STM32F4xx中文参考手册》第30章内容，我们这里就不再详细介绍了。 要正常使用STM32F4的USB，就得编写USB驱动，而整个USB通信的详细过程是很复杂的，本书篇幅有限，不可能在这里详细介绍，有兴趣的朋友可以去看看电脑圈圈的《圈圈教你玩USB》这本书，该书对USB通信有详细讲解。如果要我们自己编写USB驱动，那是一件相当困难的事情，尤其对于从没了解过USB的人来说，基本上不花个一两年时间学习，是没法搞定的。不过，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/download/index.php?act=ziliao &id=150这里下载到（UM1021）。不过，我们已经帮大家下载到开发板光盘：8，STM32参考资料àSTM32 USB 学习资料，文件名：stm32_f105-07_f2_f4_usb-host-device_lib.zip。该库包含了STM32F4 USB 主机（Host）和从机（Device）驱动库，并提供了10个例程供我们参考，如图56.1.2所示： 图56.1.2 ST提供的USB OTG例程     如图56.1.2所示，ST提供了3类例程：①即设备类（Device，即Slave）、②主从一体类（Host_Device）和③主机类（Host），总共10个例程。整个USB OTG库还有一个说明文档：CD00289278.pdf(在光盘有提供)，即UM1021，该文档详细介绍了USB OTG库的各个组成部分以及所提供的例程使用方法，有兴趣学习USB的朋友，这个文档是必须仔细看的。     这10个例程，虽然都是基于官方EVAL板的，但是很容易移植到我们的探索者STM32F407开发板上，本章我们就是移植：STM32_USB-Host-Device_Lib_V2.1.0ProjectUSB_Device_ ExamplesMSC这个例程，以实现USB读卡器功能。

56.2 硬件设计

本章实验功能简介：开机的时候先检测SD卡和SPI FLASH是否存在，如果存在则获取其容量，并显示在LCD上面（如果不存在，则报错）。之后开始USB配置，在配置成功之后就可以在电脑上发现两个可移动磁盘。我们用DS1来指示USB正在读写，并在液晶上显示出来，同样，我们还是用DS0来指示程序正在运行。 所要用到的硬件资源如下： 1）  指示灯DS0 、DS1 2）  串口 3）  TFTLCD模块 4）  SD卡 5）  SPI FLASH 6）  USB SLAVE接口 前面5部分，在之前的实例中都介绍过了，我们在此就不介绍了。接下来看看我们电脑USB与STM32的USB SLAVE连接口。ALIENTEK探索者STM32F4开发板采用的是5PIN的MiniUSB接头，用来和电脑的USB相连接，连接电路如图56.2.1所示：                      图56.2.1 MiniUSB接口与STM32的连接电路图 从上图可以看出，USB座没有直接连接到STM32F4上面，而是通过P11转接，所以我们需要通过跳线帽将PA11和PA12分别连接到D-和D+，如图56.2.2所示： 图56.2.2 硬件连接示意图 不过这个MiniUSB座和USB-A座（USB_HOST）是共用D+和D-的，所以他们不能同时使用。这个在使用的时候，要特别注意！！本实验测试时，USB_HOST不能插入任何USB设备！

56.3 软件设计

本章，我们在：实验38 SD卡实验 的基础上修改，代码移植自ST官方例程：STM32_USB- Host-Device_Lib_V2.1.0ProjectUSB_Device_ExamplesMSC，我打开该例程即可知道USB相关的代码有哪些，如图56.3.1所示： 图56.3.1 ST官方例程USB相关代码        有了这个官方例程做指引，我们就知道具体需要哪些文件，从而实现本章例程。 首先，在本章例程（即实验38 SD卡实验）的工程文件夹下面，新建USB文件夹，并拷贝官方USB驱动库相关代码到该文件夹下，即拷贝：光盘à 8，STM32参考资料àSTM32 USB 学习资料àSTM32_USB-Host-Device_Lib_V2.1.0àLibraries文件夹下的STM32_USB_Device_Libr ary、STM32_USB_HOST_Library和STM32_USB_OTG_Driver等三个文件夹的源码到该文件夹下面。        然后，在USB文件夹下，新建USB_APP文件夹存放MSC实现相关代码，即：STM32_USB -Host-Device_Lib_V2.1.0àProjectàUSB_Device_ExamplesàMSCàsrc下的部分代码：usb_bsp.c 、usbd_storage_msd.c、usbd_desc.c和usbd_usr.c等4个.c文件，同时拷贝STM32_USB-Host-Device _Lib_V2.1.0àProjectàUSB_Device_ExamplesàMSCàinc下面的：usb_conf.h、usbd_conf.h和usbd_desc.h等三个文件到USB_APP文件夹下，最后USB_APP文件夹下的文件如图56.3.2所示： 图56.3.2 USB_APP代码        之后，根据ST官方MSC例程，在我们本章例程的基础上新建分组添加相关代码，具体细节，这里就不详细介绍了，添加好之后，如图56.3.3所示： 图56.3.3 添加USB驱动等相关代码        移植时，我们重点要修改的就是USB_APP文件夹下面的代码。其他代码（USB_OTG和USB_DEVICE文件夹下的代码）一般不用修改。        usb_bsp.c提供了几个USB库需要用到的底层初始化函数，包括：IO设置、中断设置、VBUS配置以及延时函数等，需要我们自己实现。USB Device（Slave）和USB Host共用这个.c文件。        usbd_desc.c提供了USB设备类的描述符，直接决定了USB设备的类型、断点、接口、字符串、制造商等重要信息。这个里面的内容，我们一般不用修改，直接用官方的即可。注意，这里：usbd_desc.c里面的：usbd即device类，同样：usbh即host类，所以通过文件名我们可以很容易区分该文件是用在device还是host，而只有usb字样的那就是device和host可以共用的。        usbd_usr.c提供用户应用层接口函数，即USB设备类的一些回调函数，当USB状态机处理完不同事务的时候，会调用这些回调函数，我们通过这些回调函数，就可以知道USB当前状态，比如：是否枚举成功了？是否连接上了？是否断开了？等，根据这些状态，用户应用程序可以执行不同操作，完成特定功能。        usbd_storage_msd.c提供一些磁盘操作函数，包括支持的磁盘个数，以及每个磁盘的初始化和读写等函数。本章我们设置了2个磁盘：SD卡和SPI FLASH。       以上4个.c文件里面的函数，基本上都是以回调函数的形式，被USB驱动库调用的。这些代码的具体修改过程，我们这里不详细介绍，请大家参考光盘本例程源码，这里只提几个重点地方讲解下： 1，要使用USB OTG FS，必须在MDK编译器的全局宏定义里面，定义：USE_USB_OTG_FS宏，如图56.3.4所示： 图56.3.4 定义全局宏USE_USB_OTG_FS 2，因为探索者STM32F407开发板没有用到VUSB电压检测，所以要在usb_conf.h里面，将宏定义：#define VBUS_SENSING_ENABLED，屏蔽掉。 3，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），本例程我们设置12*1024，也就是12K大小。 4，官方例程不支持大于4G的SD卡，得修改usbd_msc_scsi.c里面的SCSI_blk_addr类型为uint64_t，才可以支持大于4G的卡，官方默认是uint32_t，最大只能支持4G卡。注意：usbd_msc_scsi.c文件，是只读的，得先修改属性，去掉只读属性，才可以更改。 以上4点，就是我们移植的时候需要特别注意的，其他我们就不详细介绍了（USB相关源码解释，请参考：CD00289278.pdf这个文档），最后修改main.c里面代码如下： USB_OTG_CORE_HANDLE USB_OTG_dev; extern vu8 USB_STATUS_REG;          //USB状态 extern vu8 bDeviceState;                     //USB连接 情况 int main(void) {                u8 offline_cnt=0; u8 tct=0;           u8 Divece_STA; u8 USB_STA;        NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2        delay_init(168);  //初始化延时函数        uart_init(115200);         //初始化串口波特率为115200        LED_Init();                         //初始化LED        LCD_Init();                         //LCD初始化        KEY_Init();                         //按键初始化         W25QXX_Init();                  //初始化W25Q128          POINT_COLOR=RED;//设置字体为红 {MOD}             LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");              LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"USB Card Reader TEST");        LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");        LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2014/7/21");            if(SD_Init())LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"SD Card Error!");       //检测SD卡错误        else //SD 卡正常        {                                                                                                                             LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"SD Card Size:     MB");              LCD_ShowNum(134,130,SDCardInfo.CardCapacity>>20,5,16);       //显示SD卡容量       }        if(W25QXX_ReadID()!=W25Q128) LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"W25Q128 Error!");  //检测W25Q128错误        else LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"SPI FLASH Size:12MB");       //SPI FLASH 正常       LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"USB Connecting...");//提示正在建立连接                USBD_Init(&USB_OTG_dev,USB_OTG_FS_CORE_ID,&USR_desc,&USBD_MSC_cb, &USR_cb);        delay_ms(1800);           while(1)        {                   delay_ms(1);                                        if(USB_STA!=USB_STATUS_REG)//状态改变了               {                                                                      LCD_Fill(30,190,240,190+16,WHITE);//清除显示                                                 if(USB_STATUS_REG&0x01)//正在写                                     {                             LED1=0;                             LCD_ShowString(30,190,200,16,16,"USB Writing...");//USB正在写数据                           }                      if(USB_STATUS_REG&0x02)//正在读                      {                             LED1=0;                             LCD_ShowString(30,190,200,16,16,"USB Reading...");//USB正在读数据                      }                                                                                                 if(USB_STATUS_REG&0x04) LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"USB Write Err ");//提示写入错误                      else LCD_Fill(30,210,240,210+16,WHITE);//清除显示                            if(USB_STATUS_REG&0x08) LCD_ShowString(30,230,200,16,16,"USB Read  Err ");//提示读出错误                      else LCD_Fill(30,230,240,230+16,WHITE);//清除显示                         USB_STA=USB_STATUS_REG;//记录最后的状态               }               if(Divece_STA!=bDeviceState)               {                      if(bDeviceState==1)LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"USB Connected    ");                      else LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"USB DisConnected ");//USB被拔出了                      Divece_STA=bDeviceState;               }               tct++;               if(tct==200)               {                      tct=0; LED1=1;                      LED0=!LED0;//提示系统在运行                      if(USB_STATUS_REG&0x10)                      {                             offline_cnt=0;//USB连接了,则清除offline计数器                             bDeviceState=1;                      }else//没有得到轮询                      {                             offline_cnt++;                              if(offline_cnt>10)bDeviceState=0;//2s内没收到在线标记,则USB被拔出了                      }                      USB_STATUS_REG=0;               }        };  } 其中，USB_OTG_CORE_HANDLE是一个全局结构体类型，用于存储USB通信中USB内核需要使用的的各种变量、状态和缓存等，任何USB通信（不论主机，还是从机），我们都必须定义这么一个结构体以实现USB通信，这里定义成：USB_OTG_dev。 然后，USB初始化非常简单，只需要调用USBD_Init函数即可，顾名思义，该函数是USB设备类初始化函数，本章的USB读卡器属于USB设备类，所以使用该函数。该函数初始化了USB设备类处理的各种回调函数，以便USB驱动库调用。执行完该函数以后，USB就启动了，所有USB事务，都是通过USB中断触发，并由USB驱动库自动处理。USB中断服务函数在usbd_usr.c里面： //USB OTG 中断服务函数   处理所有USB中断 void OTG_FS_IRQHandler(void) {       USBD_OTG_ISR_Handler(&USB_OTG_dev); }  该函数调用USBD_OTG_ISR_Handler函数来处理各种USB中断请求。因此在main函数里面，我们的处理过程就非常简单，main函数里面通过两个全局状态变量（USB_STATUS_REG和bDeviceState），来判断USB状态，并在LCD上面显示相关提示信息。 USB_STATUS_REG在usbd_storage_msd.c里面定义的一个全局变量，不同的位表示不同状态，用来指示当前USB的读写等操作状态。 bDeviceState是在usbd_usr.c里面定义的一个全局变量，0表示USB还没有连接；1表示USB已经连接。 软件设计部分，就给大家介绍到这里。

56.4 下载验证

在代码编译成功之后，我们下载到探索者STM32F4开发板上，在USB配置成功后（假设已经插入SD卡，注意：USB数据线，要插在USB_SLAVE口！不是USB_232端口！另外，USB_HOST接口，也不要插入任何设备，否则会干扰！！），LCD显示效果如图56.4.1所示： 图56.4.1 USB连接成功 此时，电脑提示发现新硬件，并开始自动安装驱动，如图56.4.2所示： 图56.4.2 USB读卡器被电脑找到     等USB配置成功后，DS1不亮，DS0闪烁，并且在电脑上可以看到我们的磁盘，如图56.4.3所示： 图56.4.3 电脑找到USB读卡器的两个盘符 我们打开设备管理器，在通用串行总线控制器里面可以发现多出了一个USB 大容量存储设备，同时看到磁盘驱动器里面多了2个磁盘，如图56.4.4所示： 图56.4.4 通过设备管理器查看磁盘驱动器 此时，我们就可以通过电脑读写SD卡或者SPI FLASH里面的内容了。在执行读写操作的时候，就可以看到DS1亮，并且会在液晶上显示当前的读写状态。 注意，在对SPI FLASH操作的时候，最好不要频繁的往里面写数据，否则很容易将SPI FLASH写爆！！

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