27- ESP32-S3 USB虚拟串口（USB-OTG 外设介绍）

ESP32-S3 USB虚拟串口详解

USB-OTG 外设介绍

USB-OTG：
USB-OTG是一种USB规范，允许嵌入式系统（如手机、平板电脑、单片机系统等）在没有主机（如个人电脑）的情况下直接相互通信，同时也能够作为传统USB主机或设备操作。这意味着一个带有USB-OTG功能的设备可以扮演两种角色：主机角色（Host）和外设/设备角色（Peripheral）。当作为主机时，它可以连接并控制其他USB设备（如U盘、键盘、鼠标等）；作为外设时，则可被主机（如PC）控制。USB-OTG的核心在于其双角色能力，以及通过一个micro-AB插口或Type-C接口来自动协商连接设备的角色。

ESP32-S2/S3 等芯片内置 USB-OTG 外设，它包含了 USB 控制器和 USB PHY，支持通过 USB 线连接到 PC，实现 USB Host 和 USB Device 功能。

而ESP32-S3通过USB-OTG接口就可以实现USB虚拟串口（CDC-ACM类）功能。

什么是USB虚拟串口？

USB虚拟串口是一种可以让微控制器（如ESP32-S3）通过USB接口与电脑进行串口通信的技术。它的工作原理是在微控制器和电脑之间建立一个虚拟的串口通道，使得电脑可以像操作串口设备一样操作USB设备。同时无需 USB 至 UART 桥，便可直接烧录设备。

ESP32 IDF 的 USB 驱动库

ESP-IoT-Solution是一个包含常用外设驱动和代码框架的物联网系统解决方案。它可以作为ESP-IDF的补充组件，让用户能够更轻松地进行开发。

ESP-IoT-Solution

在ESP-IoT-Solution中我们需要使用到TinyUSB这个库，这是 ESP 官方为 USB 打造的一个 USB 驱动库

添加 ESP-IoT-Solution 指定组件到工程目录：可直接在工程的 CMakeLists.txt 中添加以下代码：

set(EXTRA_COMPONENT_DIRS "${EXTRA_COMPONENT_DIRS} ${IOT_SOLUTION_PATH}/components/{component_you_choose}")

或者可以复制 ESP-IoT-Solution 指定组件到工程目录：直接将该组件和其依赖的组件，复制粘贴至工程的 components 文件夹。

TinyUSB库API使用

我们使用ESP32-S3通过USB提供一个虚拟串口服务，进而实现发送字符串然后接收并回发相同字符串的功能

1. 安装驱动程序:

    const tinyusb_config_t tusb_cfg = {.device_descriptor = NULL,.string_descriptor = NULL,.external_phy = false,.configuration_descriptor = NULL,};// 初始化TinyUSB驱动ESP_ERROR_CHECK(tinyusb_driver_install(&tusb_cfg));

2. 初始化USB CDC ACM:

    tinyusb_config_cdcacm_t acm_cfg = {.usb_dev = TINYUSB_USBDEV_0,.cdc_port = TINYUSB_CDC_ACM_0,.rx_unread_buf_sz = 64,.callback_rx = tinyusb_cdc_rx_callback, // 注册接收回调.callback_rx_wanted_char = NULL,.callback_line_state_changed = NULL,.callback_line_coding_changed = NULL};// 初始化USB CDC ACMESP_ERROR_CHECK(tusb_cdc_acm_init(&acm_cfg));

3. 注册回调函数:

// 回收数据的回调函数
static void tinyusb_cdc_rx_callback(uint8_t itf, uint8_t* data, uint16_t len) {ESP_LOGI(TAG, "Received %d bytes of data: %.*s", len, len, data);// 尝试将接收到的数据原样回传if (tinyusb_cdc_acm_write(itf, data, len) != ESP_OK) {ESP_LOGE(TAG, "Failed to send received data back");}
}tinyusb_cdcacm_register_callback(TINYUSB_CDC_ACM_0, CDC_EVENT_LINE_STATE_CHANGED, &tinyusb_cdc_rx_callback)；

完整示例

#include "esp_log.h"
#include "esp_err.h"
#include "tinyusb.h"
#include "tusb_cdc_acm.h"static const char* TAG = "USB_CDC";// 回收数据的回调函数
static void tinyusb_cdc_rx_callback(uint8_t itf, uint8_t* data, uint16_t len) {ESP_LOGI(TAG, "Received %d bytes of data: %.*s", len, len, data);// 尝试将接收到的数据原样回传if (tinyusb_cdc_acm_write(itf, data, len) != ESP_OK) {ESP_LOGE(TAG, "Failed to send received data back");}
}void tud_usb_usart(void) {ESP_LOGI(TAG, "USB initialization");const tinyusb_config_t tusb_cfg = {.device_descriptor = NULL,.string_descriptor = NULL,.external_phy = false,.configuration_descriptor = NULL,};// 初始化TinyUSB驱动ESP_ERROR_CHECK(tinyusb_driver_install(&tusb_cfg));tinyusb_config_cdcacm_t acm_cfg = {.usb_dev = TINYUSB_USBDEV_0,.cdc_port = TINYUSB_CDC_ACM_0,.rx_unread_buf_sz = 64,.callback_rx = tinyusb_cdc_rx_callback, // 注册接收回调.callback_rx_wanted_char = NULL,.callback_line_state_changed = NULL,.callback_line_coding_changed = NULL};// 初始化USB CDC ACMESP_ERROR_CHECK(tusb_cdc_acm_init(&acm_cfg));ESP_ERROR_CHECK(tinyusb_cdcacm_register_callback(TINYUSB_CDC_ACM_0, CDC_EVENT_LINE_STATE_CHANGED, &tinyusb_cdc_rx_callback));ESP_LOGI(TAG, "USB initialization DONE");
}void app_main() {ESP_LOGI(TAG, "App started");tud_usb_usart(); // 在应用程序启动时初始化USBwhile(1) {// 应用程序主循环vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时1秒}
}

总结

除了模拟串口，USB-OTG 外设还有许多其他功能。

例如，它可以支持连接 USB 存储设备，让用户轻松扩展设备的存储容量。此外，它还能作为 USB 音频设备，让用户连接耳机或扬声器，享受高质量音乐。另外，它还支持 USB 打印机模式，使用户能够直接从设备上打印文档。此外，USB-OTG 还可以作为方便的文件传输工具，当需要传输数据时，用户可以快速共享文件。还有更多功能…

参考资料
ESP IDF USB设备驱动程序
ESP-IoT-Solution
外设/USB/设备/tusb_serial_device