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--- usb_hid实验_双向数据传输 [2019/12/21 11:03]
zhangzheng
+++ usb_hid实验_双向数据传输 [2022/03/22 10:20] (当前版本)
sean
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+|  V1.0  |  2020-07-04  |  gingko  |  初次建立  |
+===== 实验十六：USB_HID实验——双向数据传输 =====
+==== 一、 实验目的与意义 ====
+  - 了解STM32 USB SLAVE结构。
+  - 了解STM32 USB SLAVE特征。
+  - 掌握USB SLAVE HID的使用方法。
+  - 掌握STM32 HAL库中USB SLAVE属性的配置方法。
+  - 掌握KEIL MDK 集成开发环境使用方法。
+==== 二、 实验设备及平台 ====
+  - iCore4 双核心板[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w4004-22598974120.15.5923532fsFrHiE&id=551864196684|点击购买]]。
+  - JLINK（或相同功能）仿真器[[https://item.taobao.com/item.htm?id=554869837940|点击购买]]。
+  - Micro USB线缆。
+  - Keil MDK 开发平台。
+  - STM32CubeMX开发平台。
+  - 装有WIN XP（及更高版本）系统的计算机。
+==== 三、 实验原理 ====
+=== 1、USB HID简介 ===
+  * USB HID是Human Interface Device的缩写，由其名称可以了解HID设备是直接与人交互的设备，例如键盘、鼠标与游戏杆等。不过HID设备并不一定要有人机接口，只要符合HID类别规范的设备都是HID设备。
+  * 交换的数据存储在称为报表(report)的结构内，设备的固件必须支持HID报表的格式。主机在控制与中断传输中传送与要求报表，来传送与接收数据。报表的格式非常有弹性，可以处理任何类别的数据。
+  * 设备除了HID接口之外，它可能同时还包含有其他的USB接口。例如影像显示设备可能使用HID接口来做亮度，对比，与更新率的软件控制，而使用传统的影 像接口来传送要显示的数据。USB扩音器可以使用实时传输来播放语音，同时使用HID接口来控制音量，震荡，与低音等。HID接口通常比传统的控制接口来得便宜。
+  * Windows操作系统最先支持的HID设备。在windows98以及后来的版本中内置有HID设备的驱动程序，应用程序可以直接使用这些驱动程序来与设备通信。
+  * 在设计一个USB接口的计算机外部设备时，如果HID类型的设备可以满足需要，可以将其设计为HID类型设备，这样可以省去比较复杂的USB驱动程序的编写，直接利用Windows操作系统对标准的HID类型USB设备的支持。
+=== 2、HID设备特点 ===
+  *1、交换的数据储存在称为报表（Report）的结构内，设备的固件必须支持HID报表的格式。主机通过控制和中断传输中的传送和请求报表来传送和接收数据。报表的格式非常灵活。
+  *2、每一笔事务可以携带小量或中量的数据。低速设备每一笔事务最大是8B，全速设备每一笔事务最大是64B，高速设备每一笔事务最大是1024B。一个报表可以使用多笔事务。
+  *3、设备可以在未预期的时间传送信息给主机，例如键盘的按键或是鼠标的移动。所以主机会定时轮询设备，以取得最新的数据。
+  *4、HID设备的最大传输速度有限制。主机可以保证低速的中断端点每10ms内最多1笔事务，每一秒最多是800B。保证全速端点每lms一笔事务，每一秒最多是64000B。保证高速端点每125us三笔事务，每一秒最多是24.576MB。
+  *5、HID设备没有保证的传输速率。如果设备是设置在10ms的时距，事务之间的时间可能等于或小于10ms。除非设备是设置在全速时在每个帧传输数据，或是在高速时在每个微帧传输数据。这是最快的轮询速率，所以端点可以保证有正确的带宽可供使用。
+  * HID设备除了传送数据给主机外，它也会从主机接收数据。只要能够符合HID类别规范的设备都可以是HID设备。
+  * 设备除了HID接口之外，它可能同时还包含有其他的USB接口。例如影像显示设备可能使用HID接口来做亮度、对比度的软件控制，而使用传统的影像接口来传送要显示的数据。USB扩音器可以使用实时传输来播放语音，同时使用HID接口来控制音量、低音等。
+  * HID类别设备的规范文件主要是以下两份：
+    * Device Class Definition for Human interface Devices
+    * HID Usabe Tables
+=== 3、原理图 ===
+{{ :icore4:icore4_arm_hal_16_1.png?direct |}}
+  * USB HID设备无需驱动程序，Windows系统自带HID类的驱动程序。通过移植ST官方提供的代码来实现iCore4的USB HID双向数据传输，点击测试软件的灯控按钮来控制iCore4上的LED灯的亮灭，实现下位机向上位机传输数据并解析相应的命令。按下iCore4的ARM_KEY按钮，来测试软件显示ARM_KEY的状态，实现了下位机向上位机的数据传输。
+==== 四、 实验程序 ====
+=== 1、主函数 ===
+<code c>
+int main(void)
+{
+    int i;
+    unsigned char buffer[64];
+    unsigned char send_buffer[64];
+    static int counter;
+    RTC_DateTypeDef sDate;
+    RTC_TimeTypeDef sTime;
+  /* USER CODE END 1 */
+  /* MCU Configuration-------
+  /* MCU配置*/
+  /* 重置所有外围设别, 初始化Flash接口和ystick. */
+  HAL_Init();
+  /* 配置系统时钟 */
+  SystemClock_Config();
+  /* 初始化所有已配置的外围设备*/
+  MX_GPIO_Init();
+  MX_USB_DEVICE_Init();
+  MX_RTC_Init();
+  /* 无限循环 */
+  while (1)
+  {
+        if(systick.second_flag == 1){
+            systick.second_flag = 0;
+            if(hUsbDeviceHS.dev_state == USBD_STATE_CONFIGURED){
+                if(counter ++ % 2){
+                    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &sTime, RTC_FORMAT_BIN);
+                    //获取当前时间
+                    HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &sDate, RTC_FORMAT_BIN);
+                    //获取当前日期
+                    memset(send_buffer,0,64);
+                    sprintf((char *)send_buffer,"time:%02d:%02d:%02d  %02d-%02d-%02d",
+                    sTime.Hours,sTime.Minutes,sTime.Seconds,sDate.Year,sDate.Month,sDate.Date); //打印时间日期
+                    USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceHS,send_buffer,64); //发送报文
+                }else{
+                    memset(send_buffer,0,64);
+                    if(ARM_KEY_STATE == KEY_DOWN) //判断按键是否按下
+                        sprintf((char *)send_buffer,"key:KEY PRESS");
+                    else
+                        sprintf((char *)send_buffer,"key:");
+                    USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceHS,send_buffer,64);
+                }
+            }
+        }
+        //接受命令处理
+        if(usb_receive_flag == 1){
+            usb_receive_flag = 0;
+            memcpy(buffer,usb_receive_buffer,usb_receive_counter);
+            memset(usb_receive_buffer,0,usb_receive_counter);
+            for(i = 0;i < 64;i++){
+                buffer[i] = tolower(buffer[i]);
+                }
+           command_process(buffer);
+        }
+  }
+}
+</code>
+=== 2、USB DEVICE初始化 ===
+<code c>
+void MX_USB_DEVICE_Init(void)
+{
+  /* 初始化设备库，添加支持的类并启动该库*/
+  /* 初始化设备堆栈并加载类驱动程序*/
+  USBD_Init(&hUsbDeviceHS, &HS_Desc, DEVICE_HS);/
+  /* 将类驱动程序链接到设备核心*/
+  USBD_RegisterClass(&hUsbDeviceHS, &USBD_HID);
+  /* 启动USB设备核心 */
+  USBD_Start(&hUsbDeviceHS);
+}
+</code>
+=== 3、初始化HID接口 ===
+<code c>
+static uint8_t  USBD_HID_Init (USBD_HandleTypeDef *pdev,
+                               uint8_t cfgidx)
+{
+  uint8_t ret = 0;
+  /* 打开 EP IN */
+  USBD_LL_OpenEP(pdev,
+                 HID_EPIN_ADDR,
+                 USBD_EP_TYPE_INTR,
+                 HID_EPIN_SIZE);
+    /* 打开 EP Out */
+    USBD_LL_OpenEP(pdev,
+                 HID_EPOUT_ADDR,
+                 USBD_EP_TYPE_INTR,
+                 HID_EPOUT_SIZE);
+     /* 准备输出端点以接收下一个数据包 */
+    USBD_LL_PrepareReceive(pdev,
+                           HID_EPOUT_ADDR,
+                           usb_receive_buffer,
+                           HID_EPOUT_SIZE);
+  pdev->pClassData = USBD_malloc(sizeof (USBD_HID_HandleTypeDef));
+  if(pdev->pClassData == NULL)
+  {
+    ret = 1;
+  }
+  else
+  {
+    ((USBD_HID_HandleTypeDef *)pdev->pClassData)->state = HID_IDLE;
+  }
+  return ret;
+}
+</code>
+=== 4、发送HID报文 ===
+<code c>
+/**
+  * @brief  USBD_HID_SendReport
+  *         发送HID报文
+  * @param  pdev: 设备实例
+  * @param  buff: 报文指针
+  * @retval status
+  */
+uint8_t USBD_HID_SendReport     (USBD_HandleTypeDef  *pdev,
+                                 uint8_t *report,
+                                 uint16_t len)
+{
+  USBD_HID_HandleTypeDef     *hhid = (USBD_HID_HandleTypeDef*)pdev->pClassData;
+  if (pdev->dev_state == USBD_STATE_CONFIGURED )
+  {
+    if(hhid->state == HID_IDLE)
+    {
+      hhid->state = HID_BUSY;
+      USBD_LL_Transmit (pdev,
+                        HID_EPIN_ADDR,
+                        report,
+                        len); //通过端点传输数据。
+    }
+  }
+  return USBD_OK;
+}
+</code>
+=== 5、处理命令 ===
+<code c>
+static int command_process(unsigned char * buffer)
+{
+    char *p;
+    unsigned char hour;
+    unsigned char min;
+    unsigned char sec;
+    unsigned char year;
+    unsigned char month;
+    unsigned char date;
+    unsigned char week;
+    p = (char *)buffer;
+    //led灯命令处理
+    if(memcmp(p,"led_red_on",strlen("led_red_on")) == 0){
+        LED_RED_ON;
+    }else if(memcmp(p,"led_red_off",strlen("led_red_off")) == 0){
+        LED_RED_OFF;
+    }else if(memcmp(p,"led_green_on",strlen("led_green_on")) == 0){
+        LED_GREEN_ON;
+    }else if(memcmp(p,"led_green_off",strlen("led_green_off")) == 0){
+        LED_GREEN_OFF;
+    }else if(memcmp(p,"led_blue_on",strlen("led_blue_on")) == 0){
+        LED_BLUE_ON;
+    }else if(memcmp(p,"led_blue_off",strlen("led_blue_off")) == 0){
+        LED_BLUE_OFF;
+    }else {
+        //校准rtc命令处理
+        p = strchr(p,'0');
+        p ++;
+        year = strtol(p,NULL,0);
+        p = strchr(p,'/');
+        p ++;
+        month = strtol(p,NULL,0);
+        p = strchr(p,'/');
+        p ++;
+        date = strtol(p,NULL,0);
+        p = strchr(p,' ');
+        p ++;
+        hour = strtol(p,NULL,0);
+        p = strchr(p,':');
+        p ++;
+        min = strtol(p,NULL,0);
+        p = strchr(p,':');
+        p ++;
+        sec = strtol(p,NULL,0);
+        p = strchr(p,' ');
+        week = strtol(p,NULL,0);
+        my_rtc.set_date(year,month,date,week);
+        my_rtc.set_time(hour,min,sec);
+    }
+    return 0;
+}
+</code>
+=== 6、USB HID上位机C#部分源码 ===
+  * 此上位机测试软件使用Microsoft Visual Studio开发平台编写，用于实现上位机和下位机的双向数据传输，部分源码如下：
+<code c>
+ public partial class Form1 : Form
+    {
+        usb_hid_class usbhid = null;
+        bool red_flag = true;
+        bool green_flag = true;
+        bool blue_flag = true;
+        System.Diagnostics.Stopwatch stopwatch = new System.Diagnostics.Stopwatch();
+        TimeSpan timespan;
+        double ms;
+        double speed_value;
+        long counter = 0;
+        int first_run = 0;
+        public Form1()
+        {
+            InitializeComponent();
+            usbhid = new usb_hid_class();
+            button_red_on.Enabled = false;
+            button_green_on.Enabled = false;
+            button_blue_on.Enabled = false;
+            rtc_button.Enabled = false;
+            usbhid.DataReceived += usb_hid_data_receive;
+            usbhid.DeviceRemoved += usb_hid_device_remove;
+        }
+        void usb_hid_device_remove(object sender, EventArgs e)
+        {
+            //report myRP = (report)e;
+            if (InvokeRequired)
+            {
+                Invoke(new EventHandler(usb_hid_device_remove), new object[] { sender, e });
+            }
+            else
+            {
+                MessageBox.Show("设备移除","提示");
+            }
+        }
+        void usb_hid_data_receive(object sender, EventArgs e)
+        {
+            string str;
+            long cnt = 0;
+            report myRP = (report)e;
+            if (InvokeRequired)
+            {
+                Invoke(new EventHandler(usb_hid_data_receive), new object[] { sender, e });
+            }
+            else
+            {
+                if(first_run == 0)
+                {
+                    first_run = 1;
+                    stopwatch.Reset();
+                    stopwatch.Start();
+                }
+                str = usb_hid_class.ByteToHexString(myRP.reportBuff);
+                cnt = str.Length;
+                counter += cnt;
+                if(counter >= 1024 * 1024)
+                {
+                    first_run = 0;
+                    counter = 0;
+                    stopwatch.Stop();
+                    timespan = stopwatch.Elapsed;
+                    ms = timespan.TotalMilliseconds;
+                    speed_value = 1000.0 / ms;
+                    rtc_display.Text = speed_value.ToString("00.0000");
+                }
+                counter++;
+            }
+        }
+        private void button_connect_Click(object sender, EventArgs e)
+        {
+            int temp;
+            foreach (string device in usbhid.GetDeviceList())
+            {
+                temp = device.IndexOf("#vid_0483&pid_5720#");
+                if(temp >= 0)
+                {
+                    usbhid.OpenUSBHid(device);
+                    button_red_on.Enabled = true;
+                    button_green_on.Enabled = true;
+                    button_blue_on.Enabled = true;
+                    rtc_button.Enabled = true;
+                    return;
+                }
+            }
+            MessageBox.Show("未发现设备", "提示");
+        }
+        private void button_red_on_Click(object sender, EventArgs e)
+        {
+            string data;
+            if (red_flag)
+            {
+                red_flag = false;
+                button_red_on.Text = "红灯灭";
+                data = " led_red_on";
+                while (data.Length < 1025)
+                {
+                    data += ' ';
+                }
+                usbhid.WriteUSBHID(data);
+                stopwatch.Start();
+            }
+            else
+            {
+                red_flag = true;
+                button_red_on.Text = "红灯亮";
+                data = " led_red_off";
+                while (data.Length < 1025)
+                {
+                    data += ' ';
+                }
+                usbhid.WriteUSBHID(data);
+            }
+        }
+        private void button_green_on_Click(object sender, EventArgs e)
+        {
+            string data;
+            if (green_flag)
+            {
+                green_flag = false;
+                button_green_on.Text = "绿灯灭";
+                data = " led_green_on";
+                while (data.Length < 1025)
+                {
+                    data += ' ';
+                }
+                usbhid.WriteUSBHID(data);
+            }
+            else
+            {
+                green_flag = true;
+                button_green_on.Text = "绿灯亮";
+                data = " led_green_off";
+                while (data.Length < 1025)
+                {
+                    data += ' ';
+                }
+                usbhid.WriteUSBHID(data);
+            }
+        }
+        private void button_blue_on_Click(object sender, EventArgs e)
+        {
+            string data;
+            if (blue_flag)
+            {
+                blue_flag = false;
+                button_blue_on.Text = "蓝灯灭";
+                data = " led_blue_on";
+                while (data.Length < 1025)
+                {
+                    data += ' ';
+                }
+                usbhid.WriteUSBHID(data);
+            }
+            else
+            {
+                blue_flag = true;
+                button_blue_on.Text = "蓝灯亮";
+                data = " led_blue_off";
+                while (data.Length < 1025)
+                {
+                    data += ' ';
+                }
+                usbhid.WriteUSBHID(data);
+            }
+        }
+        private void rtc_button_Click(object sender, EventArgs e)
+        {
+            string data;
+            Int16 week;
+            data = " ";
+            data += System.DateTime.Now.ToString();
+            week = Convert.ToInt16(System.DateTime.Now.DayOfWeek);
+            data += ' ';
+            data += week.ToString();
+            while(data.Length < 65)
+            {
+                data += ' ';
+            }
+            usbhid.WriteUSBHID(data);
+        }
+        private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
+        {
+        }
+    }
+}
+</code>
+==== 五、 实验步骤 ====
+  - 把仿真器与iCore4的SWD调试口相连（直接相连或者通过转接器相连）；
+  - 将条线帽插到USB OTG；
+  - 把iCore4（USB OTG）通过Micro USB线与计算机相连，为iCore4供电；
+  - 打开Keil MDK 开发环境，并打开本实验工程；
+  - 烧写程序到iCore4上；
+  - 打开\soft\usb_hid.exe进行验证；
+  - 也可以进入Debug模式，单步运行或设置断点验证程序逻辑。
+==== 六、 实验现象 ====
+  * 点击测试软件的LED控制按钮，iCore4上的LED灯状态将发生变化，按下iCore4上的ARM-KEY，按键状态栏将显示按键的状态。（如下图所示）
+{{ :icore4:icore4_arm_hal_16_2.png?direct |}}

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