Mini-F0160實現USB轉3路虛擬串口

** 什么是 CDC 設備**

CDC 類是 USB 通信設備類 （Communication Device Class）的簡稱。由 USB 組織定義的專門給各種通信設備使用的 USB 子類。

通常，CDC類由兩個接口子類組成：

通信接口類 （Communication Interface Class）

主要用于主機對設備進行管理和控制，它包含一個控制類型的端點和一個可選的中斷類型端點。

該控制類型端點 0 一般用作請求，可以用于配置 USB 設備枚舉虛擬串口的波特率、數據類型的設置，比如數據長度、停止位等。在虛擬串口應用中，該操作并不一定需要具體實現。因為主機與設備在物理上通過 USB 總線進行通信，與串口并沒有關系，在虛擬化過程中，起決定性作用的是串口驅動，該驅動將每一條具體的虛擬串口操作對應到實際上的USB操作。同時，主機與設備之間的 USB 通信速率依然是標準的 USB2.0 Full-Speed（12Mbps）速度，并不受所謂的串口波特率影響，實際的速率取決于總線的實際使用率、驅動訪問 USB 外設的有效速率(兩邊)以及外部環境對通信本身造成的干擾率等因素。

該中斷類型端點可以用于異步事件通知，設備端可以通過該端點向主機發送內部時間等，如串口狀態變化事件等。篇幅受限，本文不進行實現。

數據接口類 （Data Interface Class）

主要用于主機和設備之間進行數據傳輸，包含輸入（IN）端點和輸出（OUT）端點。

• 輸入（IN）端點：
  用于從設備向主機發送數據。
• 輸出（OUT）端點：
  用于主機向從設備發送數據。

** 多路虛擬串口的具體實現**

多路虛擬串口功能可以通過組合設備（Composite Device）進行實現。組合設備是指具有多個接口，且接口間相互獨立的USB設備。一個USB組合設備只有一個設備地址。在開發過程中，可以將不同的功能與不同的接口對應，來開發多功能的USB設備，描述符層次結構更清晰，出錯容易排查。

設備描述符

設備描述符（Device Descriptor）是在設備連接時主機讀取的第一個描述符，說明了 USB 設備的通用信息，提供關于設備、設備的配置以及任何設備所歸屬類的信息。主機在取得設備描述符后，就可以繼續去獲取設備的配置、接口和端點描述符等信息。

USB 設備只有一個設備描述符。在設備描述符中，可以使用 bDeviceClass = 0x00, bDeviceSubClass = 0x00, dDeviceProtocol = 0x00 表示此類信息在接口描述符內給出；也可以使用【0xEF,0x02,0x01】表示當前為組合設備。下圖為主機請求設備描述符，設備返回設備描述符報文：

配置描述符

配置描述符（Configuration Descriptor）說明了一個特定配置的相關信息。當主機請求配置描述符時，返回的是所有相關的接口和端點描述符。

一個USB設備有一個或多個配置描述符。配置描述符描述了配置所提供的接口數量。每個接口可以獨立操作。每種配置有一個或多個接口，而且每個接口有零個或多個端點。在一個配置中，接口不會共享一個端點，除非端點被相同接口的備用設置使用。沒有這一限制、屬于不同配置的接口可以共享端點。

配置描述符規定了設備的特征和能力。一般單個配置已經足夠了，但在驅動程序的支持下，帶有多應用或多電源選擇的設備可支持多重配置。且每次只有一個配置被激活。每個配置需要一個配置描述符，其中含有關于設備電源使用及所支持接口數的信息。每個配置描述符都有附屬描述符（subordinate descriptor），包括一個或多個接口描述符（Interface Descriptor）以及可選的端點描述符（Endpoint Descriptor）。

配置描述符如下：

接口描述符

下圖所示為標準的接口描述符定義。

單個CDC類的描述符需要兩個接口：通信接口描述符和數據接口描述符。這兩個接口需要接口關聯描述符（Interface Association Descriptor）進行綁定。

接口關聯描述符

IAD 接口關聯描述符提供了一種功能：即把實現單個功能的多個 Interface 打包在一起。通過接口關聯描述符打包在一起的若干 Interface 是同一個功能設備的 Interface，PC端只需要加載同一個驅動即可。

通信（控制）接口描述符

該接口描述符需要包含功能描述符（Header，Call Management, ACM）、端點描述符。

** 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

數據接口描述符

端點描述符

下圖所示為標準的端點描述符定義。

本文中分配的端點如下：

代碼：

/* CDC 端點1 */
#define EPNUM_CDC_0_NOTIF   0x81
#define EPNUM_CDC_0_OUT     0x02
#define EPNUM_CDC_0_IN      0x82

/* CDC 端點2 */
#define EPNUM_CDC_1_NOTIF   0x83
#define EPNUM_CDC_1_OUT     0x04
#define EPNUM_CDC_1_IN      0x84

/* CDC 端點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 / 端點描述符

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

在該接口函數中，本文主要實現了各個串口的回環功能，即在任務處理中發送當前端點的接收字符。

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);
      }
  }
}

** 基本測試**

如上，我們就完成三路虛擬串口的CDC功能，將程序下載到MCU中，插上USB線，然后在電腦的設備管理器的端口欄就可以找到對應的USB CDC枚舉模擬串口設備。

成功枚舉，我們繼續在Windows 和 Linux 環境下測試一下通信：

測試成功。本文分享到此結束，謝謝！