基于STM32 CDC模拟CH340

[imuncle]

之前写过一篇使用STM32虚拟串口功能的文章：实现USB CDC通信，但是这个有个很大的问题，它的Windows驱动的数字签名过期了，我在我的电脑里搜索了一下，发现有两个驱动：

不过很可惜，这两个驱动都过期了：

这就直接导致在Windows上使用ST自己的虚拟串口需要强制跳过数字签名这一步，而每次电脑重启之后Windows就会恢复默认设置，最麻烦的是每次还必须通过重启设置，不过Linux下倒没这个问题，因为数字签名是Windows自己搞出来的东西。

但还是很烦，所以我决定抛弃ST官方的虚拟串口驱动，正好我找到了别人用STM32模拟CH341的代码：blackmiaool/STM32_USB_CH341 ，但这已经是五六年前的代码了，当时还是标准库，所以我决定把它用HAL库实现。

踩了一些坑，这玩意儿花了我三天时间，主要还是对USB协议不太熟悉，下面就按照我踩坑的时间顺序记录。

第一天：让电脑识别为CH340

这一步很简单，只需要改变设备描述符就行了，具体更改如下：

使用STM32CubeMX生成代码

这里修改以下PID和VID，然后字符串名称就随便写，点击生成代码。

修改设备描述符

在usbd_desc.c里面，修改USBD_FS_DeviceDesc变量：

__ALIGN_BEGIN uint8_t USBD_FS_DeviceDesc[USB_LEN_DEV_DESC] __ALIGN_END =
{
  0x12,   /* bLength */
	0x01,     /* bDescriptorType */
	0x10,
	0x01,   /* bcdUSB = 1.10 */
	0xff,   /* bDeviceClass: CDC */
	0x00,   /* bDeviceSubClass */
	0x00,   /* bDeviceProtocol */
	0x40,   /* bMaxPacketSize0 */
	0x86,
	0x1a,   /* idVendor = 0x1A86 */
	0x23,
	0x75,   /* idProduct = 0x7523 */
	0x63,
	0x02,   /* bcdDevice = 2.00 */
	1,              /* Index of string descriptor describing manufacturer */
	2,              /* Index of string descriptor describing product */
	1,              /* Index of string descriptor describing the device's serial number */
	0x01    /* bNumConfigurations */
};

修改设备配置描述符

然后修改usbd_cdc.c文件里面的USBD_CDC_CfgFSDesc变量（因为我配置的Full Speed，如果是其他速度就修改对应的变量就行）：

__ALIGN_BEGIN uint8_t USBD_CDC_CfgFSDesc[0x27] __ALIGN_END =
{
  /*Configuation Descriptor*/
	0x09,   /* bLength: Configuation Descriptor size */
	0x02,      /* bDescriptorType: Configuration */
	0x27,       /* wTotalLength:no of returned bytes */
	0x00,
	0x01,   /* bNumInterfaces: 1 interface */
	0x01,   /* bConfigurationValue: Configuration value */
	0x00,   /* iConfiguration: Index of string descriptor describing the configuration */
	0x80,   /* bmAttributes: self powered */
	0x30,   /* MaxPower 0 mA */
	/*Interface Descriptor*/
	0x09,   /* bLength: Interface Descriptor size */
	0x04,  /* bDescriptorType: Interface */
	/* Interface descriptor type */
	0x00,   /* bInterfaceNumber: Number of Interface */
	0x00,   /* bAlternateSetting: Alternate setting */
	0x03,   /* bNumEndpoints: One endpoints used */
	0xff,   /* bInterfaceClass: Communication Interface Class */
	0x01,   /* bInterfaceSubClass: Abstract Control Model */
	0x02,   /* bInterfaceProtocol: Common AT commands */
	0x00,   /* iInterface: */
	
	/*Endpoint 2in Descriptor*/
	0x07,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
	0x05,   /* bDescriptorType: Endpoint */
	0x82,   /* bEndpointAddress: (IN2) */
	0x02,   /* bmAttributes: bulk */
	0x20,      
	0x00,   /* wMaxPacketSize: */
	0x00,   /* bInterval: */
	
	/*Endpoint 2out Descriptor*/
	0x07,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
	0x05,   /* bDescriptorType: Endpoint */
	0x02,   /* bEndpointAddress: (out2) */
	0x02,   /* bmAttributes: bulk */
	0x20,      
	0x00,   /* wMaxPacketSize: */
	0x00,   /* bInterval: */
	
	/*Endpoint 1in Descriptor*/
	0x07,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
	0x05,   /* bDescriptorType: Endpoint */
	0x81,   /* bEndpointAddress: (IN1) */
	0x03,   /* bmAttributes: Interrupt */
	0x08,      /* wMaxPacketSize: */
	0x00,
	0x01,   /* bInterval: */
};

然后编译下载，插上USB，电脑就会识别到CH340了：

不过这里有感叹号，点开发现是因为Windows有的请求失败，这是显然的，因为我们还没有写相关的东西呢。

第二天：响应Windows请求

这里先介绍一下USB的请求类型。

USB规范定义了11个标准命令，它们分别是：Clear_Feature、Get_Configuration、Get_Descriptor、Get_Interface、Get_Status、Set_Address、Set_Configuration、Set_Descriptor、Set_Interface、Set_Feature、Synch_Frame。所有USB设备都必须支持这些命令（个别命令除外，如Set_Descriptor、Synch_Frame）。

所有的命令虽然有不同的数据和使用目的，有的USB命令结构是一样的。下表所示为USB命令的结构：

偏移量	域	长度（字节）	值	描述
0	bmRequestType	0	位图	请求特征：D7:传输方向(0=主机至设备 1=设备至主机)；D6..5:种类(0=标准 1=类 2=厂商 3=保留)
1	bRequest	1	值	命令类型编码值
2	wValue	2	值	根据不同的命令，含义也不同
4	wIndex	2	索引或偏移	根据不同的命令，含义也不同，主要用于传送索引或偏移
6	wLength	2	值	如有数据传送阶段，此为数据字节数

生成的代码中处理USB请求的代码在usbd_cdc.c中：

/**
  * @brief  USBD_CDC_Setup
  *         Handle the CDC specific requests
  * @param  pdev: instance
  * @param  req: usb requests
  * @retval status
  */
static uint8_t  USBD_CDC_Setup(USBD_HandleTypeDef *pdev,
                               USBD_SetupReqTypedef *req)
{
  USBD_CDC_HandleTypeDef   *hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef *) pdev->pClassData;
  uint8_t ifalt = 0U;
  uint16_t status_info = 0U;
  uint8_t ret = USBD_OK;

  switch (req->bmRequest & USB_REQ_TYPE_MASK)
  {
    case USB_REQ_TYPE_CLASS :
      if (req->wLength)
      {
        if (req->bmRequest & 0x80U)
        {
          ((USBD_CDC_ItfTypeDef *)pdev->pUserData)->Control(req->bRequest,
                                                            (uint8_t *)(void *)hcdc->data,
                                                            req->wLength);

          USBD_CtlSendData(pdev, (uint8_t *)(void *)hcdc->data, req->wLength);
        }
        else
        {
          hcdc->CmdOpCode = req->bRequest;
          hcdc->CmdLength = (uint8_t)req->wLength;

          USBD_CtlPrepareRx(pdev, (uint8_t *)(void *)hcdc->data, req->wLength);
        }
      }
      else
      {
        ((USBD_CDC_ItfTypeDef *)pdev->pUserData)->Control(req->bRequest,
                                                          (uint8_t *)(void *)req, 0U);
      }
      break;

    case USB_REQ_TYPE_STANDARD:
      switch (req->bRequest)
      {
        case USB_REQ_GET_STATUS:
          if (pdev->dev_state == USBD_STATE_CONFIGURED)
          {
            USBD_CtlSendData(pdev, (uint8_t *)(void *)&status_info, 2U);
          }
          else
          {
            USBD_CtlError(pdev, req);
            ret = USBD_FAIL;
          }
          break;

        case USB_REQ_GET_INTERFACE:
          if (pdev->dev_state == USBD_STATE_CONFIGURED)
          {
            USBD_CtlSendData(pdev, &ifalt, 1U);
          }
          else
          {
            USBD_CtlError(pdev, req);
            ret = USBD_FAIL;
          }
          break;

        case USB_REQ_SET_INTERFACE:
          if (pdev->dev_state != USBD_STATE_CONFIGURED)
          {
            USBD_CtlError(pdev, req);
            ret = USBD_FAIL;
          }
          break;

        default:
          USBD_CtlError(pdev, req);
          ret = USBD_FAIL;
          break;
      }
      break;

    default:
      USBD_CtlError(pdev, req);
      ret = USBD_FAIL;
      break;
  }

  return ret;
}

经过代码分析可以发现，官方代码并没有处理“厂商”的请求，即bmRequest的五六位为10的请求，所以需要修改一下：

static uint8_t  USBD_CDC_Setup(USBD_HandleTypeDef *pdev,
                               USBD_SetupReqTypedef *req)
{
  USBD_CDC_HandleTypeDef   *hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef *) pdev->pClassData;
  uint8_t ifalt = 0U;
  uint16_t status_info = 0U;
  uint8_t ret = USBD_OK;

  switch (req->bmRequest & USB_REQ_TYPE_MASK)
  {
    // 省略其他代码...
    case USB_REQ_TYPE_VENDOR:  //处理来自厂商的请求
			
    break;
    default:
      USBD_CtlError(pdev, req);
      ret = USBD_FAIL;
      break;
  }

  return ret;
}

然后编译下载，插上USB，哈哈，感叹号就没了，其实之前是因为厂商的请求代码都将其处理为错误情况，所以Windows会请求失败。

但其实我们还是没有处理Windows的请求，所以真正使用时连串口都打不开：

这里我参考了CH340的Linux驱动源码，当中有以下函数：

int ch341_configure(struct usb_device *dev, struct ch341_private *priv) 
{ 
  char *buffer; 
  int r = -ENOMEM; 
  const unsigned size = 8; 
  
   dbg("ch341_configure()"); 
  
   buffer = kmalloc(size, GFP_KERNEL); 
  if (!buffer) 
    goto out; 
  
   /* expect two bytes 0x27 0x00 */ 
   r = ch341_control_in(dev, 0x5f, 0, 0, buffer, size); 
  if (r < 0) 
    goto out; 
  
   r = ch341_control_out(dev, 0xa1, 0, 0); 
  if (r < 0) 
    goto out; 
  
   r = ch341_set_baudrate(dev, priv); 
  if (r < 0) 
    goto out; 
  
   /* expect two bytes 0x56 0x00 */ 
   r = ch341_control_in(dev, 0x95, 0x2518, 0, buffer, size); 
  if (r < 0) 
    goto out; 
  
   r = ch341_control_out(dev, 0x9a, 0x2518, 0x0050); 
  if (r < 0) 
    goto out; 
  
   /* expect 0xff 0xee */ 
   r = ch341_get_status(dev); 
  if (r < 0) 
    goto out; 
  
   r = ch341_control_out(dev, 0xa1, 0x501f, 0xd90a); 
  if (r < 0) 
    goto out; 
  
   r = ch341_set_baudrate(dev, priv); 
  if (r < 0) 
    goto out; 
  
   r = ch341_set_handshake(dev, priv); 
  if (r < 0) 
    goto out; 
  
   /* expect 0x9f 0xee */ 
   r = ch341_get_status(dev); 
  
  out: kfree(buffer); 
  return r; 
}

可以看到，上位机对CH340的初始化有几步，会发送好几个请求，其中任何一个不成功都会导致初始化失败，于是我根据这些请求编写了对应的处理函数，具体如下。

我将所有的处理代码都放在了一个单独的文件ch340.c：

• ch340.c

#include "ch340.h"

uint32_t ch341_state = 0xdeff;
static uint8_t buf1[2] = {0x30, 0};
static uint8_t buf2[2] = {0xc3, 0};
static uint8_t zero[2] = {0, 0};

void CH340_Requset_Handle(USBD_HandleTypeDef *pdev, USBD_CDC_HandleTypeDef *hcdc, USBD_SetupReqTypedef *req)
{
	uint16_t wValue = req->wValue;

	switch(req->bRequest)
	{
		case CH341_VERSION:
			USBD_CtlSendData(pdev, buf1, req->wLength);
		break;
		case CH341_REQ_READ_REG:
			if(wValue == 0x2518)
				USBD_CtlSendData(pdev, buf2, req->wLength);
			else if(wValue == 0x0706)
				USBD_CtlSendData(pdev, (uint8_t *)&ch341_state, req->wLength);
		break;
		case CH341_MODEM_OUT:
			USBD_CtlSendData(pdev, (uint8_t *)&ch341_state, req->wLength);
		break;
		default:
			USBD_CtlSendData(pdev, (uint8_t *)&zero, req->wLength);
			break;
	}
	return;
}

• ch340.h

#ifndef CH340_H
#define CH340_H

#include "usbd_def.h"
#include "usbd_cdc.h"

#define CH341_MODEM_OUT 			 0xA4
#define CH341_REQ_READ_REG     0x95
#define CH341_VERSION		 			 0x5F

void CH340_Requset_Handle(USBD_HandleTypeDef *pdev, USBD_CDC_HandleTypeDef *hcdc, USBD_SetupReqTypedef *req);

#endif

然后将这个处理函数添加到之前的请求处理函数中：

static uint8_t  USBD_CDC_Setup(USBD_HandleTypeDef *pdev,
                               USBD_SetupReqTypedef *req)
{
  USBD_CDC_HandleTypeDef   *hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef *) pdev->pClassData;
  uint8_t ifalt = 0U;
  uint16_t status_info = 0U;
  uint8_t ret = USBD_OK;

  switch (req->bmRequest & USB_REQ_TYPE_MASK)
  {
    // 省略其他代码...
    case USB_REQ_TYPE_VENDOR:  //处理来自厂商的请求
        CH340_Requset_Handle(pdev, hcdc, req);
    break;
    default:
      USBD_CtlError(pdev, req);
      ret = USBD_FAIL;
      break;
  }

  return ret;
}

然后编译下载，插上USB，打开串口助手，成功打开串口！

但是还有问题，打开了串口却发送不了数据：

第三天：实现串口收发

这问题卡了我挺久的，甚至还跑去之前用标准库模拟CH341那哥们那里请教，结果他这样回复：

而且作者还顺手把仓库设置为只读模式，啊，看来只能看我自己了。

我选择了USBlyzer工具进行USB抓包，看看究竟是通信中的哪个步骤出了问题（软件下载地址）

抓到的结果如下：

可以看出这里并不是USB的请求出了问题，而是数据传输阶段出了问题，经过一系列查找资料后我突然意识到，可能是终端开的不对。

再回头看前面改的设备描述符中是这样写的：

/*Endpoint 2in Descriptor*/
	0x07,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
	0x05,   /* bDescriptorType: Endpoint */
	0x82,   /* bEndpointAddress: (IN2) */
	0x02,   /* bmAttributes: bulk */
	0x20,      
	0x00,   /* wMaxPacketSize: */
	0x00,   /* bInterval: */
	
	/*Endpoint 2out Descriptor*/
	0x07,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
	0x05,   /* bDescriptorType: Endpoint */
	0x02,   /* bEndpointAddress: (out2) */
	0x02,   /* bmAttributes: bulk */
	0x20,      
	0x00,   /* wMaxPacketSize: */
	0x00,   /* bInterval: */
	
	/*Endpoint 1in Descriptor*/
	0x07,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
	0x05,   /* bDescriptorType: Endpoint */
	0x81,   /* bEndpointAddress: (IN1) */
	0x03,   /* bmAttributes: Interrupt */
	0x08,      /* wMaxPacketSize: */
	0x00,
	0x01,   /* bInterval: */

我发现这里使用的是EndPoint 1 IN、EndPoint 2 IN、EndPoint 2 OUT、而ST自己的代码里默认使用的是：

/** @defgroup usbd_cdc_Exported_Defines
  * @{
  */
#define CDC_IN_EP                                   0x81U  /* EP1 for data IN */
#define CDC_OUT_EP                                  0x01U  /* EP1 for data OUT */
#define CDC_CMD_EP                                  0x82U  /* EP2 for CDC commands */

显然对不上号，所以我这里把CDC_OUT_EP改为0x02U（EP2 OUT）：

/** @defgroup usbd_cdc_Exported_Defines
  * @{
  */
#define CDC_IN_EP                                   0x81U  /* EP1 for data IN */
#define CDC_OUT_EP                                  0x02U  /* EP1 for data OUT */
#define CDC_CMD_EP                                  0x82U  /* EP2 for CDC commands */

编译下载，插上USB，发送数据，成功！

注意：这里的IN和OUT是相对于上位机而言，即IN代表数据从单片机到上位机，OUT代表数据从上位机到单片机

现在串口的接收功能已经实现了，然后实现串口的发送功能。

ST官方代码的发送使用的是EP1，但CH340应该使用EP2，这里修改usbd_cdc.c中的USBD_CDC_TransmitPacket函数，将其中的CDC_IN_EP改为CDC_CMD_EP：

/**
  * @brief  USBD_CDC_TransmitPacket
  *         Transmit packet on IN endpoint
  * @param  pdev: device instance
  * @retval status
  */
uint8_t  USBD_CDC_TransmitPacket(USBD_HandleTypeDef *pdev)
{
  USBD_CDC_HandleTypeDef   *hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef *) pdev->pClassData;

  if (pdev->pClassData != NULL)
  {
    if (hcdc->TxState == 0U)
    {
      /* Tx Transfer in progress */
      hcdc->TxState = 1U;

      /* Update the packet total length */
      pdev->ep_in[CDC_CMD_EP & 0xFU].total_length = hcdc->TxLength;

      /* Transmit next packet */
      USBD_LL_Transmit(pdev, CDC_CMD_EP, hcdc->TxBuffer,
                       (uint16_t)hcdc->TxLength);

      return USBD_OK;
    }
    else
    {
      return USBD_BUSY;
    }
  }
  else
  {
    return USBD_FAIL;
  }
}

最后为了测试，参照实现USB CDC通信实现一个复读机：

static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]);
  USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);
	
	CDC_Transmit_FS(Buf, *Len);
	
  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 6 */
}

编译下载，插上USB，发送数据：

成功！

参考

• usb-request - 喝水的面包 - CSDN博客
• 授人以渔 第二节：基于stm32f407usb例程讲解USB运行机制（下）
• USB CDC从理论到实践
• STM32 之 USB 虚拟串口
• blackmiaool/STM32_USB_CH341

[zhifangs]

可以使用。不错。发现几个bug 但我不会修复。只能正常发送14个字节。多了会导致数据出错，并在重新上电前不可还原正常状态。

[leovs]

linux 好像无法正常驱动

[blackmiaool]

好详细