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简介：STM32F407 USB虚拟串口开发包是一套面向嵌入式开发者和学生的完整示例工程，基于ARM Cortex-M4内核的STM32F407微控制器，实现USB CDC类虚拟串口通信，可广泛用于设备调试、数据监控、PC上位机交互以及物联网和工业控制场景。压缩包共211个文件，内容覆盖USB协议、HAL库、固件层等关键模块；以102个h头文件与91个c源文件为主体，包含初始化配置、中断处理、设备描述符、设备枚举及USART设置等实现，另附hex与dfu固件便于直接烧录验证，整体约826KB。目前已有2151人学习下载，说明该工程具有不错的参考价值。通过这套工程，读者可以学习USB设备枚举流程、CDC类接口实现以及虚拟串口驱动匹配等核心知识点，并在红龙407开发板上快速搭建串口应用；资源目录结构清晰，代码组织完整，适合作为入门USB CDC开发的高质量参考。

1. 为什么要用 USB 虚拟串口，而不是 USB 转串口芯片

搞嵌入式的人应该都有过这种经历：手头一台笔记本，没有串口，项目调试日志却要从 UART 往外打，这时候最顺手的方案是掏出一块 CH340 或者 FT232 的 USB 转串口小板。但这东西有个问题——它只是把 USB 信号转成 UART 电平，本质上你还是在跟一个物理串口打交道，波特率、校验位、停止位一个都不能少，线还容易接触不良。

如果主控是 STM32F407，事情就变得有意思了。F407 这颗芯片内部集成了 USB OTG FS/HS 外设，完全可以用它自己来模拟一个串口，也就是标题里说的 USB 虚拟串口。电脑上不需要装任何驱动，插上 USB 线，设备管理器里直接多出一个 COM 口。这个 COM 口看起来和普通串口一模一样，但底层走的是 USB 协议，波特率随便设，因为 USB CDC 通信本身跟波特率没有半毛钱关系。

USB 虚拟串口能做的事情很多：板子日志输出、上位机远程控制、与手机 APP 通信、固件升级等等。对于那些不需要极高实时性、但对连接便利性要求高的场景，它比物理串口好用得多。F407 的 USB 外设最高支持 480Mbps（HS 模式需要外接 PHY），FS（Full Speed）模式下也有 12Mbps，这是 UART 921600 波特率都望尘莫及的带宽。

这个项目的完整目标其实就一句话：让 F407 的 USB 口在电脑上变成一个免驱的虚拟串口，同时能跟板子上的物理 UART 互相转发数据。这样你既可以用它调试，也可以把它当作一个“USB 转串口”模块用——只不过这个模块不需要额外芯片，成本几乎为零。

这个内容适合谁看？用过 CubeMX 生成过 GPIO、定时器工程的入门开发者，想搞明白 USB CDC 协议栈到底怎么转起来的人，以及准备做数据采集、设备控制、日志系统这一类项目、需要和上位机通信的工程师。你不需要提前精通 USB 协议，但至少要知道什么是端点、什么是描述符，不然看完可能会有点发懵。

2. USB CDC 的工作原理：为什么电脑上会出现一个 COM 口

2.1 枚举过程：设备是怎么“自我介绍”的

先把 USB CDC 的原理讲透。USB 设备接入电脑后，主机会做一轮枚举：设备插上后，主机先给设备发一个GET_DESCRIPTOR请求，这个时候设备返回第 1 个 8 字节的设备描述符，告诉主机“我是 USB 设备”；然后主机分配地址，接着依次读取设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符，最终决定加载哪个驱动。

CDC 是 USB 的通信设备类，全称 Communications Device Class。F407 的 USB 库中，CDC 设备由两个接口组成：一个是通信接口（Interface 0），里面放一个 Interrupt 类型的端点，用于传输控制信息；另一个是数据接口（Interface 1），里面放两个 Bulk 端点，一个 IN 一个 OUT，用于实际数据收发。

这就是为什么 Windows 识别出 CDC 设备后会弹出“usbser.sys”驱动，然后给你分配一个 COM 口号。其实你这颗 F407 在电脑眼里就是一个“USB 调制解调器”或者“USB 转串口适配器”，它才不关心你芯片里跑的是什么。

2.2 端点与缓冲区：数据到底是怎么流走的

端点（Endpoint）是 USB 通信的最小单位。CDC 设备中，EP0 是默认控制端点，不走数据；EP1 IN 是中断端点，用于发送线路状态、控制信息；EP2 IN 和 EP2 OUT 才是真正传递用户数据的通道。F407 的 USB OTG FS 模块内部有 4KB 专用 FIFO RAM，需要在初始化时把这些 FIFO 分给各个端点。默认 CubeMX 生成工程会分好，但如果你要做 CDC + MSC 复合设备、或者一次收发大块数据，就需要自己重新分配 FIFO 空间。

这里要特别强调一个容易踩坑的点：USB 是“包”传输，它的发送和接收都是基于缓冲区回调的，而不是像 UART 那种流式传输。也就是说，主机发给设备的每个包，到达设备后会触发一个CDC_Receive_FS回调，把数据放在你提供的缓冲里；而你往主机发数据时，要调用CDC_Transmit_FS，把一整块数据交给 USB 外设。

/* usbd_cdc_if.c 中默认生成的接收回调 */ 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); return (USBD_OK); /* USER CODE END 6 */ }

看到问题没有？默认这个回调只做了一件事：把 Buf 重新注册给 USB 外设，等待下一次接收。如果应用层不赶紧把 Buf 里的数据搬走，下一次 USB 包一到，直接把你之前的数据覆盖掉。这是新手做 USB 虚拟串口时最容易出现的丢数据原因，没有之一。

3. 硬件准备与 CubeMX 基础配置：手把手搭工程

3.1 硬件清单

STM32F407 开发板一块，推荐带 USB 接口的那种，比如正点原子探索者、野火指南者，或者自己画的板子也完全没问题；一根 USB 线，注意一定要是带数据线的，那种只能充电的线会出现“连接上了但枚举不成功”的诡异问题；如果要做 USB 与 UART 互转，额外准备一个 USB 转 TTL 模组来观察效果。

F407 的 USB FS 接口有专门的引脚：PA11 是 DM，PA12 是 DP，PA9 是 VBUS 检测。CubeMX 里把 USB_OTG_FS 使能后，这些引脚会自动配置好，不需要手动处理。唯一要确认的是你的开发板上是否把 PA9 连到了 USB 座子的 VBUS 上，如果没有，就把它配置成不用 VBUS 自供电模式。

3.2 时钟树配置：48MHz 是硬指标

USB 外设对时钟要求极其严格，FS 模式下必须精确的 48MHz。F407 的 USB OTG FS 可以使用内部 PLL Q 输出来得到这个 48MHz，配置关系是：外部晶振 8MHz -> PLL M = 8 -> VCO 输入 = 1MHz -> N = 336 -> VCO 输出 = 336MHz -> PLL P = 2 -> SYSCLK = 168MHz -> PLL Q = 7 -> USB 时钟 = 48MHz。

CubeMX 中你需要在 Clock Configuration 页面手动设置这些值。如果项目里用不到 168MHz 主频，也可以选择较低的 PLL Q 配置，但 USB 时钟必须稳在 48MHz，歪了枚举就会失败。这个参数是硬指标，没有任何讨价还价的余地。

3.3 中间件配置：选中 Communication Device Class

在 CubeMX 左侧 Categories 列表里找到 Middleware and Software Packs，点开 USB_DEVICE，Class for FS IP 选择Communication Device Class (Virtual Port Com)。USB_DEVICE 相关的参数保持默认即可，VID（供应商 ID）和 PID（产品 ID）可以改成你自己的，具体怎么改后面专门讲。

生成工程前，建议顺手把 UART1 配置成 115200-8-N-1，因为后面要拿它做串口转发测试。配置完成后生成 MDK-ARM 工程，直接编译，下载到板子里，插上 USB 线，电脑上如果没有意外，应该已经多出一个 COM 口。

到这里，一个最基础的 USB 虚拟串口已经能用了。你打开串口助手，选择这个 COM 口，随便发几个字符，设备本身不会回你任何数据，因为这时的代码只是完成了枚举，还没有做任何业务逻辑。真正的数据通路，需要自己写。

4. 代码实现：让 USB 虚拟串口真正跑起来

4.1 数据通路设计：环形队列是必需品

我的方案是：USB 接收的数据全部丢进一个环形队列，主循环里轮询这个队列，把它转发到 UART1；同时 UART1 接收的数据也丢进另一个环形队列，主循环里再转发到 USB。用环形队列而不是简单数组的原因是，USB 包的到来是突发性的，不攒够一包不给你，靠一个简单的标志位很容易漏。

这里要提醒一点：环形队列的内存不要放在 CCM RAM 里，因为 CCM RAM 不能被 DMA 访问，而 F407 的 UART 如果要用 DMA，就必须使用普通 SRAM。我之前就犯过这个错误，把缓冲区定义到 CCM 里，DMA 怎么都搬不动数据，查了好久才发现是内存区域的问题。

先实现一个通用的环形队列：

#define RING_BUF_SIZE 1024 typedef struct { uint8_t buf[RING_BUF_SIZE]; volatile uint16_t head; volatile uint16_t tail; } ring_buf_t; static ring_buf_t usb_to_uart_ring; static ring_buf_t uart_to_usb_ring; static void ring_init(ring_buf_t *q) { q->head = 0; q->tail = 0; } static uint8_t ring_pop(ring_buf_t *q, uint8_t *data) { if (q->head == q->tail) return 0; // 空 *data = q->buf[q->tail]; q->tail = (q->tail + 1) % RING_BUF_SIZE; return 1; } static void ring_push(ring_buf_t *q, uint8_t data) { uint16_t next_head = (q->head + 1) % RING_BUF_SIZE; if (next_head != q->tail) { // 防止覆盖 q->buf[q->head] = data; q->head = next_head; } }

这个实现里 head 指向下一个写入位置，tail 指向下一个读取位置，当 head + 1 等于 tail 时认为队列已满，主动丢弃数据。1024 字节的缓冲区对绝大多数应用都够用，如果发大文件，可以调大到 4096 或更大，只要内存放得下。

4.2 修改 USB 接收回调

默认的CDC_Receive_FS必须改掉，在收到 USB 数据后立刻搬进环形队列：

static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len) { for (uint32_t i = 0; i < (*Len); i++) { ring_push(&usb_to_uart_ring, Buf[i]); } USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]); USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS); return (USBD_OK); }

这段代码有一个前提：Buf指向的缓冲区必须一直有效，因为 USB 外设还在用这块内存接收下一包数据。CubeMX 生成代码里这个缓冲是全局数组UserRxBufferFS，生命周期是全局的，所以你不需要额外处理。数据被搬进环形队列后，App 层随时可以取走，不受 USB 接收时序影响。

4.3 主循环业务逻辑

在主循环里轮询两个环形队列，完成双向转发：

while (1) { /* 检查 USB 是否已经枚举成功 */ if (hUsbDeviceFS.dev_state == USBD_STATE_CONFIGURED) { /* UART 收到数据 -> 通过 USB 发给电脑 */ uint8_t byte; while (ring_pop(&uart_to_usb_ring, &byte)) { CDC_Transmit_FS(&byte, 1); } /* USB 收到数据 -> 通过 UART 发出去 */ while (ring_pop(&usb_to_uart_ring, &byte)) { HAL_UART_Transmit(&huart1, &byte, 1, 10); } } }

这里有两个细节值得说。第一，CDC_Transmit_FS在 USB 连接未建立时会返回错误，所以必须先判断USBD_STATE_CONFIGURED。第二，UART 发送用的HAL_UART_Transmit是阻塞函数，超时时间设置成 10ms 即可，如果 UART 因为某种原因卡住，不至于让整个主循环卡死。这种逐字节发送的方式在低速调试时完全够用，但如果要跑大流量，就得把环形队列里的数据攒成一整块再发。

4.4 用中断方式接收 UART 数据

主循环里只能发送 UART 数据，那接收怎么办？总不能把 UART 也搞成轮询吧，那会占用大量 CPU。正确打开方式是 UART 空闲中断 + DMA，或者简单的HAL_UART_Receive_IT。用HAL_UART_Receive_IT的话，每次接收一个字节都会触发一次中断，一次中断里做一次环形队列 push，开销也不大。

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) { if (huart->Instance == USART1) { ring_push(&uart_to_usb_ring, uart1_rx_byte); HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &uart1_rx_byte, 1); } }

uart1_rx_byte是全局的单个字节变量，在 main 里初始化 UART 后主动调用一次HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &uart1_rx_byte, 1)，之后每次收到一个字节都会进回调，重新开启接收。这样做的好处是代码简单，但每个字节都中断一次，如果 UART 速率跑得很高，主循环会被频繁打断。追求高效率的话，用 UART 空闲中断 + DMA 批量接收是更优雅的方案，这里不展开，思路一样：DMA 把数据搬到一块大缓冲，空闲中断时处理整块数据。

到这里，一个完整的 USB 虚拟串口转 UART 透传功能就已经完成了。你从串口助手随便发点数据，另一端 UART 接的模块就会收到；UART 那边回数据，串口助手也能看到。跑起来的那一刻，你会觉得 F407 的 USB 外设真的是个宝藏。

5. 修改 VID/PID 和字符串描述符：设备个性化

默认的 VID 是 0x0483（ST 官方），PID 是 0x5740。如果你只是自己调试用，不跟别人的设备冲突，保持默认没问题。但如果设备要量产、或者同时插两块相同的 F407 板子，就必须修改 VID/PID，否则 Windows 会认为它们是同一个设备，驱动都复用同一个。

修改位置在usbd_desc.c：

__ALIGN_BEGIN static uint8_t USBD_VID[] = { 0x83, 0x04 }; // 0x0483 小端模式 __ALIGN_BEGIN static uint8_t USBD_PID[] = { 0x40, 0x57 }; // 0x5740 小端模式

如果要改成 VID = 0x1234，PID = 0x5678，就写：

__ALIGN_BEGIN static uint8_t USBD_VID[] = { 0x34, 0x12 }; __ALIGN_BEGIN static uint8_t USBD_PID[] = { 0x78, 0x56 };

字符串描述符也在同一个文件里，USBD_MANUFACTURER_STRING、USBD_PRODUCT_STRING这些数组改成你自己的产品名。改完 VID/PID 后，第一次插上电脑会提示“正在安装设备驱动程序”，如果之前装过同 VID/PID 的设备，Windows 会直接复用驱动。

还有个细节：如果你想在设备管理器的 COM 口属性里看到设备描述，修改USBD_PRODUCT_STRING就能实现。我之前把产品名改成“F407 Virtual Com Port”，设备管理器里显示的就是这个名字，看起来比默认的 ST 设备友好得多。

6. 常见问题排查：设备为什么枚举失败、丢数据怎么办

USB 虚拟串口这个项目，网上求助最多的问题基本就集中在几个地方：枚举失败、驱动异常、数据丢失。我把遇到的问题和解决方法整理成一张表，方便按图索骥。

用 USB 抓包工具排查枚举问题，是高级工程师常用的方法。Windows 下用 Wireshark 配合 USBPcap，可以抓到完整的枚举过程。如果设备描述符回包没发出来，说明设备侧代码有问题；如果设备正常回包但主机仍报错，多半是描述符内容不合法。抓包分析能快速定位问题，比自己盲猜高效得多。

7. 踩坑感悟：几个 C 代码之外的细节

这个项目做完，有几点经验特别想分享。

第一，设备插上后一定要先看设备管理器，确认枚举成功再谈数据的收发。很多人一上来就开串口助手发数据，结果设备根本没被识别，自然什么都收不到。先把基础环境确认好，再层层往上调试。

第二，CDC_Transmit_FS这个函数在设备未配置时会返回USBD_FAIL，但在发送过程中如果上一次还没发送完，下一次调用会返回USBD_BUSY。主循环里调用时最好检查返回值，不要让数据因为上一次没发完就被丢掉。如果丢包严重，可以考虑把发送也改成队列机制：主循环从队列取数据，只有上一次 USB 发送完成后再发下一块。HAL 库的HAL_UART_TxCpltCallback给了一个思路，USB 的发送完成回调可以照搬这个思路。

第三，F407 的 USB 外设实际工作中对布线和供电是有要求的。USB 座子的 D+/D- 走线要等长、阻抗匹配，这个在自制 PCB 上要特别注意。面包板飞线做 USB 调试大概率会遇到枚举不稳定、速度上不去的问题，不是代码的锅，是物理连接的问题。

第四，如果你以后要做 USB + 大容量存储复合设备，或者 USB + 声卡，F407 的 USB 外设都能支持，但配置会复杂很多。虚拟串口这个项目是最简单的 USB 入门项目，把 CDC 跑顺了，USB 描述符、端点、FIFO 分配这些核心概念你就全掌握了，后面再去看 HID、MSC、UVC 这些类，思路会是通的。

最后分享一个小技巧：在做 USB 数据吞吐压力测试时，写个简单的上位机脚本，从串口助手循环发大的数据包，同时在 F407 的CDC_Receive_FS回调里加一个计数器变量，通过调试器观察计数值是否等于主机发的包数。这个办法能快速验证数据通路是否顺畅，比凭感觉看串口助手里的回显要可靠得多。

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