USB讀卡器實(shí)驗(yàn)

22.1 USB概述

USB是英文Universal Serial BUS（通用串行總線）的縮寫，是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有USB1.0/1.1/2.0/3.0/3.1等多個版本。目前用的最多的就是USB2.0和USB3.0，USB3.1目前已經(jīng)開始普及。STM32F103自帶的USB符合USB2.0規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)USB共四根線組成,除VCC和GND外，另外為D+，D-，這兩根數(shù)據(jù)線采用的是差分電壓的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹Ｔ赨SB主機(jī)上，D-和D+都是接了15K的電阻到低的，所以在沒有設(shè)備接入的時候，D+、D-均是低電平。而在USB設(shè)備中，如果是高速設(shè)備，則會在D+上接一個1.5K的電阻到VCC，而如果是低速設(shè)備，則會在D-上接一個1.5K的電阻到VCC。這樣當(dāng)設(shè)備接入主機(jī)的時候，主機(jī)就可以判斷是否有設(shè)備接入，并能判斷設(shè)備是高速設(shè)備還是低速設(shè)備。

STM32F1自帶一個USB從機(jī)控制器，符合USB規(guī)范通信，PC主機(jī)和微控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過共享一個專用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來完成的，該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)能被USB外設(shè)直接訪問，這塊專用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小由所使用的端點(diǎn)數(shù)目和每個端點(diǎn)最大的數(shù)據(jù)分組大小所決定，每個端點(diǎn)最大可使用512字節(jié)緩沖區(qū)，最多可用于16個單向或8個雙向端點(diǎn)。

USB模塊同PC主機(jī)通信，根據(jù)USB規(guī)范實(shí)現(xiàn)令牌分組的檢測，數(shù)據(jù)發(fā)送/接收的處理，和握手分組的處理。整個傳輸?shù)母袷接?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1751/" target="_blank">硬件完成，其中包括CRC的生成和校驗(yàn)。每個端點(diǎn)都有一個緩沖區(qū)描述塊，描述該端點(diǎn)使用的緩沖區(qū)地址、大小和需要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。當(dāng)USB模塊識別出一個有效的功能/端點(diǎn)的令牌分組時，(如果需要傳輸數(shù)據(jù)并且端點(diǎn)已配置）隨之發(fā)生相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。USB模塊通過一個內(nèi)部的16位寄存器實(shí)現(xiàn)端口與專用緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換。在所有的數(shù)據(jù)傳輸完成后，如果需要，則根據(jù)傳輸?shù)姆较?，發(fā)送或接收適當(dāng)?shù)奈帐址纸M。在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時，USB模塊將觸發(fā)與端點(diǎn)相關(guān)的中斷，通過讀狀態(tài)寄存器和/或者利用不同的中斷來處理。USB設(shè)備架構(gòu)如圖所示。

USB的中斷映射單元：將可能產(chǎn)生中斷的USB事件映射到三個不同的NVIC請求線上：

（1）USB低優(yōu)先級中斷（通道20）：可由所有USB事件觸發(fā)（正確傳輸，USB復(fù)位等）。在處理中斷前應(yīng)首先確定中斷源。

（2）USB高優(yōu)先級中斷（通道19）：僅由同步和雙緩沖批量傳輸?shù)恼_傳輸事件觸發(fā)，為保證最大的傳輸速率。

（3）USB喚醒中斷（通道42）：由USB掛起模式的喚醒事件觸發(fā)。

注：USB和CAN共用一個專用的512字節(jié)的SRAM存儲器用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，因此不能同時使用USB和CAN（共享的SRAM被USB和CAN模塊互斥地訪問）。USB和CAN可以同時用于一個應(yīng)用中但不能在同一個時間使用。

22.2 實(shí)驗(yàn)例程

如果需要正常的使用STM32F1系列的USB模塊，就需要編寫USB驅(qū)動程序，這部分程序非常復(fù)雜，需要了解整個USB通信的詳細(xì)過程，針對這個問題，ST公司提供了一個官方的USB驅(qū)動庫，用戶可以通過直接移植官方驅(qū)動庫來實(shí)現(xiàn)USB讀寫控制。

我們現(xiàn)在直接利用官方的USB驅(qū)動源碼來通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行SD卡和Flash的讀寫，這里我們需要對官方源碼進(jìn)行一些修改，用于實(shí)現(xiàn)這個效果。

22.2.1 USB源碼概述

USB Mass Storage類支持兩個傳輸協(xié)議：

（1）Bulk-Only傳輸（BOT）

（2）Control/Bulk/Interrupt傳輸（CBI）

MassStorage類規(guī)范定義了兩個類規(guī)定的請求：Get_Max_LUN和MassStorageReset，所有的MassStorage類設(shè)備都必須支持這兩個請求。

（1）Get_Max_LUN（bmRequestType=10100001 bandb Request=11111110b）用來確認(rèn)設(shè)備支持的邏輯單元數(shù)。MaxLUN的值必須是0~15。注意：LUN是從0開始的。主機(jī)不能向不存在的LUN發(fā)送CBW，本章我們定義MaxLUN的值為1，即代表2個邏輯單元。

（2）MassStorageReset（bmRequestType=00100001 bandb Request=11111111b）用來復(fù)位MassStorage設(shè)備及其相關(guān)接口。

支持BOT傳輸的MassStorage設(shè)備接口描述符要求如下：

（1）接口類代碼bInterfaceClass=08h，表示為MassStorage設(shè)備。

（2）接口類子代碼bInterfaceSubClass=06h，表示設(shè)備支持SCSIPrimaryCommand-2（SPC-2）。

（3）協(xié)議代碼bInterfaceProtocol有3種：0x00、0x01、0x50，前兩種需要使用中斷傳輸，最后一種僅使用批量傳輸（BOT）。

（4）支持BOT的設(shè)備必須支持最少3個endpoint：Control，Bulk-In和Bulk-Out。USB2.0的規(guī)范定義了控制端點(diǎn)0。Bulk-In端點(diǎn)用來從設(shè)備向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)（本章用端點(diǎn)1實(shí)現(xiàn)）。Bulk-Out端點(diǎn)用來從主機(jī)向設(shè)備傳送數(shù)據(jù)（本章用端點(diǎn)2實(shí)現(xiàn)）。

ST官方的例程是通過USB來讀寫SD卡（SDIO方式）和Nand Falsh，支持2個邏輯單元，我們在官方例程的基礎(chǔ)上，只需要修改SD驅(qū)動部分代碼，并將對Nand Falsh的操作修改為對SPI Falsh的操作。只要這兩步完成了，剩下的就比較簡單了，對底層磁盤的讀寫，都是在mass_mal.c文件實(shí)現(xiàn)的，所以我們只需要修改該函數(shù)的MAL_Init、MAL_Write、MAL_Read和MAL_GetStatus等4個函數(shù)，與我們的SD卡和SPI Falsh對應(yīng)起來即可。

22.2.2 源碼移植過程

（1）需要添加的文件如下表所示。

（2）usb_prop.c文件修改

原文件

修改后文件

（3）memory.h文件修改

（4）mass_mal.h文件修改

（5）memory.c文件修改

（6）usb_bot.c文件修改

（7）mass_mal.c文件重寫

#include "platform_config.h"

#include "mass_mal.h"

#include "sdio_sdcard.h"

#include "w25q128.h"

long long Mass_Memory_Size[ MAX_LUN+1 ] ;

u32 Mass_Block_Size[ MAX_LUN+1 ] ;

u32 Mass_Block_Count[ MAX_LUN+1 ] ;

uint16_t MAL_Init( uint8_t lun )

{

u16 Status=MAL_OK ;  

   switch( lun )

   {

          case 0:    break;

          case 1:    break;

          default:return MAL_FAIL ;

   }

   return Status ;

}

uint16_t MAL_Write(uint8_t lun, uint64_t Memory_Offset, uint32_t *Writebuff, uint16_t Transfer_Length)

{

u8 STA ;

   switch( lun )

   {

          //磁盤0為 SPI FLASH盤

          case 0:

                 STA = 0 ;

                 W25QXX_Write( ( u8* )Writebuff, Memory_Offset, Transfer_Length ) ;

                 break ;

          //磁盤1為SD卡

          case 1:

                 STA = SD_WriteDisk( ( u8* )Writebuff, Memory_Offset>>9, Transfer_Length>>9 ) ;

                 break ;

          default:

                 return MAL_FAIL ;

   }

   if( STA!=0 )

          return MAL_FAIL ;

   return MAL_OK ;

}

uint16_t MAL_Read( uint8_t lun, uint64_t Memory_Offset, uint32_t *Readbuff, uint16_t Transfer_Length )

{

u8 STA ;

   switch( lun )

   {

          //磁盤0為 SPI FLASH盤

          case 0 :

                 STA = 0 ;

W25QXX_Read( ( u8* )Readbuff, Memory_Offset, Transfer_Length ) ;

break;

          //磁盤1為SD卡

          case 1 :

STA = SD_ReadDisk( ( u8* )Readbuff, Memory_Offset>>9, Transfer_Length>>9 ) ;

break;

          default:return MAL_FAIL ;

   }

   if( STA!=0 )

          return MAL_FAIL ;

   return MAL_OK ;

}

uint16_t MAL_GetStatus( uint8_t lun )

{

switch( lun )

{

          case 0:return MAL_OK;

          case 1:return MAL_OK;

          default:return MAL_FAIL;

}

}

（8）hw_config.h文件重寫

#ifndef HW_CONFIG_H

#define HW_CONFIG_H

#include "platform_config.h"

#include "usb_type.h"

typedef enum

{

DISABLE = 0,

   ENABLE = 1

}FunctionalState;

#define BULK_MAX_PACKET_SIZE 0x00000040 //包大小,最大64字節(jié)

void Led_RW_ON( void ) ; //LED開啟

void Led_RW_OFF( void ) ; //LED關(guān)閉

void Set_USBClock( void ) ; //USB時鐘配置函數(shù)

void Enter_LowPowerMode( void ) ; //USB進(jìn)入低功耗模式

void Leave_LowPowerMode( void ) ; //USB退出低功耗模式

void USB_Interrupts_Config( void ) ; //USB中斷配置

void USB_Port_Set( u8 enable ) ; //USB使能

void Get_SerialNum( void ) ; //獲取STM32的唯一ID

#endif

（9）hw_config.c文件重寫

#include "usb_lib.h"

#include "mass_mal.h"

#include "usb_desc.h"

#include "usb_pwr.h"

#include "usb_lib.h"

#include "usb_istr.h"

void USB_NotConfigured_LED()

{

}

void USB_Cable_Config( FunctionalState NewState )

{

}

void Led_RW_OFF()

{

}

void Led_RW_ON()

{

}

void USBWakeUp_IRQHandler()

{

EXTI->PR |= 1<<18 ;                            //清除USB喚醒中斷掛起位

}

void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler()

{

USB_Istr() ;

}

void Set_USBClock()

{

RCC->CFGR &= ~( 1<<22 ) ;                  //USBclk=PLLclk/1.5=48Mhz

   RCC->APB1ENR |= 1<<23 ;                                          //USB時鐘使能

}

void Enter_LowPowerMode()

{

bDeviceState = SUSPENDED ;

}

void Leave_LowPowerMode()

{

DEVICE_INFO *pInfo = &Device_Info ;

   if( pInfo->Current_Configuration!=0 )

          bDeviceState=CONFIGURED ;

   else

          bDeviceState = ATTACHED ;

}

void USB_Interrupts_Config()

{

EXTI->IMR |= 1<<18 ;                               //開啟線18上的中斷

  EXTI->RTSR |= 1<<18 ;                          //line 18上事件上升降沿觸發(fā)

   NVIC_Init( 1, 0, USB_LP_CAN1_RX0_IRQn, 2 ) ;         //組2優(yōu)先級次之

   NVIC_Init( 0, 0, USBWakeUp_IRQn, 2 ) ;              //組2優(yōu)先級最高

}

void USB_Port_Set( u8 enable )

{

RCC->APB2ENR |= 1<<2 ;                        //使能PORTA時鐘            

   if( enable )

          _SetCNTR( _GetCNTR()&0xFFFFFFFD ) ;                   //退出斷電模式

   else

   {       

          _SetCNTR( _GetCNTR()|0x02 ) ;                               //斷電模式

          GPIOA->CRH &= 0xFFF00FFF ;

          GPIOA->CRH |= 0x00033000 ;

          PAout( 12 ) = 0 ;

   }

}

void IntToUnicode( u32 value, u8 *pbuf, u8 len )

{

u8 idx ;

   for( idx=0; idx

}

void Get_SerialNum()

{

u32 Device_Serial0, Device_Serial1, Device_Serial2 ;

   Device_Serial0 = *( u32* )0x1FFFF7E8 ;

   Device_Serial1 = *( u32* )0x1FFFF7EC ;

   Device_Serial2 = *( u32* )0x1FFFF7F0 ;

   Device_Serial0 += Device_Serial2 ;

   if( Device_Serial0!=0 )

   {

          IntToUnicode( Device_Serial0, &MASS_StringSerial[ 2 ] , 8 ) ;

          IntToUnicode( Device_Serial1, &MASS_StringSerial[ 18 ], 4 ) ;

   }

}

（10）platform_config.h文件重寫

#ifndef PLATFORM_CONFIG_H

#define PLATFORM_CONFIG_H

#include "sys.h"

#define USE_STM3210E_EVAL //當(dāng)前使用的版本

#endif

（11）usb_pwr.c文件修改（改寫Suspend函數(shù)）

void Suspend(void)

{

uint32_t i=0 ;

   uint16_t wCNTR ;

   __IO uint32_t savePWR_CR=0 ;

   wCNTR = _GetCNTR() ;

for( i=0; i<8; i++ )

          EP[ i ] = _GetENDPOINT( i ) ;

   wCNTR |= CNTR_RESETM ;

   _SetCNTR( wCNTR ) ;

   wCNTR |= CNTR_FRES ;

   _SetCNTR( wCNTR ) ;

   wCNTR &= ~CNTR_FRES ;

   _SetCNTR( wCNTR ) ;

   while( ( _GetISTR()&ISTR_RESET )==0 ) ;

   _SetISTR( ( uint16_t )CLR_RESET ) ;

   for( i=0; i<8; i++ )

          _SetENDPOINT( i, EP[ i ] ) ;

   wCNTR |= CNTR_FSUSP ;

   _SetCNTR( wCNTR ) ;

   wCNTR = _GetCNTR() ;

   wCNTR |= CNTR_LPMODE ;

   _SetCNTR( wCNTR ) ;

   Enter_LowPowerMode() ;

}

（12）在sys.h文件中添加幾個重要的數(shù)據(jù)類型

typedef volatile uint8_t vu8;

#define __IO volatile

（13）stm32f103x.h文件中添加一個數(shù)據(jù)類型

typedef long long uint64_t ;

通過以上步驟，USB固件庫的移植就完成了，然后只需要調(diào)用固件庫的函數(shù)即可完成USB通信。

22.2.3 主函數(shù)編寫

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart1.h"
#include "lcd.h"
#include "sdio_sdcard.h"
#include "w25q128.h"
#include "malloc.h"
#include "mass_mal.h"
#include "usb_lib.h"
#include "hw_config.h"
#include "usb_pwr.h"
#include "memory.h"
#include "usb_bot.h"


extern u8 Max_Lun ;                                            //支持的磁盤個數(shù)
int main()
{
  u8 USB_STA, Divece_STA, tct=0, offline_cnt=0;
   STM32_Clock_Init( 9 ) ;                                        //系統(tǒng)時鐘設(shè)置
  SysTick_Init( 72 ) ;                                        //延時初始化
  USART1_Init( 72, 115200 ) ;                                      //串口初始化為115200
  LCD_Init() ;                                            //初始化LCD
  W25QXX_Init() ;                                            //初始化W25Q128
  my_mem_init( SRAMIN ) ;                                        //初始化內(nèi)部內(nèi)存池
  //初始化SD卡
  if( SD_Init() )
    Max_Lun = 0 ;                                          //SD卡錯誤,則僅只有一個磁盤
  //SD 卡正常
  else
  {
    Mass_Memory_Size[ 1 ] = SDCardInfo.CardCapacity ;                        //得到SD卡容量(字節(jié)),當(dāng)SD卡容量超過4G的時候,需要用到兩個u32來表示
    Mass_Block_Size[ 1 ] = 512 ;                                  //因?yàn)槲覀冊贗nit里面設(shè)置了SD卡的操作字節(jié)為512個,所以這里一定是512個字節(jié)
    Mass_Block_Count[ 1 ] = Mass_Memory_Size[ 1 ]/Mass_Block_Size[ 1 ] ;
  }
  Mass_Memory_Size[ 0 ] = 1024*1024*12 ;                                //前12M字節(jié)
  Mass_Block_Size[ 0 ] = 512 ;                                    //設(shè)置SPI FLASH的操作扇區(qū)大小為512
  Mass_Block_Count[ 0 ] = Mass_Memory_Size[ 0 ]/Mass_Block_Size[ 0 ] ;
  delay_ms( 1800 ) ;
  USB_Port_Set( 0 ) ;                                          //USB先斷開
  delay_ms( 700 ) ;
  USB_Port_Set( 1 ) ;                                          //USB再次連接
  LCD_ShowString( 30, 10, "USB Connecting..." ) ;                            //提示USB開始連接
  Data_Buffer = mymalloc( SRAMIN, BULK_MAX_PACKET_SIZE*2*4 ) ;                    //為USB數(shù)據(jù)緩存區(qū)申請內(nèi)存
  Bulk_Data_Buff = mymalloc( SRAMIN, BULK_MAX_PACKET_SIZE ) ;                      //申請內(nèi)存
   //USB配置
   USB_Interrupts_Config() ;
   Set_USBClock() ;
   USB_Init() ;
  delay_ms( 1800 ) ;
   while(1)
  {
    delay_ms( 1 ) ;
    //狀態(tài)改變了
    if( USB_STA!=USB_STATUS_REG )
    {                  
      LCD_ShowString( 30, 30, "              " ) ;                        //清除顯示
      //正在寫
      if( USB_STATUS_REG&0x01 )
        LCD_ShowString( 30, 30, "USB Writing..." ) ;                      //提示USB正在寫入數(shù)據(jù)
      //正在讀
      if( USB_STATUS_REG&0x02 )
        LCD_ShowString( 30, 30, "USB Reading..." ) ;                      //提示USB正在讀出數(shù)據(jù)
      if( USB_STATUS_REG&0x04 )
        LCD_ShowString( 30, 50, "USB Write Err " ) ;                      //提示寫入錯誤
      else
        LCD_ShowString( 30, 50, "              " ) ;                      //清除顯示
      if( USB_STATUS_REG&0x08 )
        LCD_ShowString( 30, 80, "USB Read  Err " ) ;                      //提示讀出錯誤
      else
        LCD_ShowString( 30, 80, "                " ) ;                      //清除顯示
      USB_STA = USB_STATUS_REG ;                                  //記錄最后的狀態(tài)
    }
    //獲取USB連接狀態(tài)
    if( Divece_STA!=bDeviceState )
    {
      if( bDeviceState==CONFIGURED )
        LCD_ShowString( 30, 10, "USB Connected    " ) ;                      //提示USB連接已經(jīng)建立
      else
        LCD_ShowString( 30, 10, "USB DisConnected " ) ;                      //提示USB被拔出了
      Divece_STA = bDeviceState ;
    }
    tct ++ ;
    if( tct==200 )
    {
      tct = 0 ;
      if( USB_STATUS_REG&0x10 )
      {
        offline_cnt = 0 ;                                    //USB連接了,則清除offline計(jì)數(shù)器
        bDeviceState = CONFIGURED ;
      }
      //沒有得到輪詢
      else
      {
        offline_cnt ++ ;  
        if( offline_cnt>10 )
          bDeviceState = UNCONNECTED ;                            //2s內(nèi)沒收到在線標(biāo)記,代表USB被拔出了
      }
      USB_STATUS_REG = 0 ;
    }
  }
}