在现代嵌入式机器人系统中，常见的架构是“双核协同”：一个高性能 Linux 主板（如运行 OpenWrt 的 MT7628 ）负责网络、音视频和高级应用；一个实时性更强的 MCU（如 STM32F4/F7）负责电机控制、传感器采集和底层逻辑。两者之间需要一条稳定、高速、低延迟的双向通信通道。UART 虽简单，但速率受限（通常 ≤921600 bps）且易受电磁干扰；而 SPI/I²C 又缺乏流控机制。为此，我们采用 USB CDC（Communication Device Class） 方案，将 STM32 配置为虚拟串口（VCP, Virtual COM Port），在 Linux 端以标准 tty 设备访问，实现高达 12 Mbps 的可靠数据交互。

一、为何选择 USB CDC？

USB CDC 是 USB-IF 定义的标准类协议，其核心优势在于：

• 即插即用：无需编写 Linux 内核驱动，主流发行版（包括 OpenWrt）均内置 cdc-acm 模块；
• 高带宽：全速 USB（12 Mbps）理论吞吐远超 UART；
• 硬件流控：USB 协议栈自带错误检测与重传，可靠性高；
• 供电集成：可同时为 STM32 供电（若电流允许），简化电源设计。

二、STM32 端实现

使用 STM32CubeMX 配置 USB 外设：

1. 选择 USB_OTG_FS（或 HS）模式；
2. 中间件启用 USB_DEVICE → Communication Device Class (CDC)；
3. 生成代码后，在 usbd_cdc_if.c 中实现回调函数：

   1int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t Len) {
   2    // 将接收到的数据放入环形缓冲区
   3    ring_buffer_push(rx_ring, Buf, Len);
   4    return USBD_OK;
   5}
   6
   7// 主循环中处理指令
   8if (ring_buffer_available(rx_ring)) {
   9    parse_command(ring_buffer_pop());
   10}

发送数据则调用

1CDC_Transmit_FS(data, len); // 非阻塞，内部使用 DMA

三、Linux（OpenWrt）端识别与使用

上电后，STM32 会被识别为 ACM（Abstract Control Model）设备，通常出现在 /dev/ttyACM0。可通过以下命令验证：

1dmesg | grep -i cdc
2# 输出：cdc_acm 1-1:1.0: ttyACM0: USB ACM device

应用程序（如 Python、C 或 Shell 脚本）可像操作普通串口一样读写：

1import serial
2ser = serial.Serial('/dev/ttyACM0', 115200)  # 波特率可任意设置（USB CDC 忽略此参数）
3ser.write(b'UPGRADE\x00')
4response = ser.read(64)

注意：USB CDC 实际不使用波特率，此处仅用于兼容串口 API。

四、量产中的兼容性问题与解决方案

在部分旧版 Linux 系统（如 Red Hat Enterprise Linux 6）中，cdc-acm 驱动仅匹配特定 VID/PID 组合。若 STM32 使用默认 ST 官方 VID（0x0483），但 PID 不在白名单中，设备将无法识别。

解决方案：
将 STM32 的 USB 描述符 PID 修改为已知兼容值，例如：

• VID: 0x0483（STMicroelectronics）
• PID: 0x5740（ST 官方 VCP 示例 PID）

修改方法（在 usbd_desc.c 中）：

1__ALIGN_BEGIN uint8_t USBD_FS_DeviceDesc[USB_LEN_DEV_DESC] __ALIGN_END = {
2    0x12,                       /* bLength */
3    USB_DESC_TYPE_DEVICE,       /* bDescriptorType */
4    0x00, 0x02,                 /* bcdUSB */
5    0x02,                       /* bDeviceClass: CDC */
6    0x02,                       /* bDeviceSubClass */
7    0x01,                       /* bDeviceProtocol */
8    USB_MAX_EP0_SIZE,           /* bMaxPacketSize */
9    LOBYTE(0x0483), HIBYTE(0x0483), /* idVendor */
10    LOBYTE(0x5740), HIBYTE(0x5740), /* idProduct ← 关键修改 */
11    ...
12};

此举无需用户安装驱动，即可在绝大多数 Linux 发行版（包括 Android ADB 环境）中即插即用。

五、典型应用场景

1. 固件升级：OpenWrt 通过 /dev/ttyACM0 向 STM32 发送 Bootloader 指令，触发 DFU 模式；
2. 传感器数据上报：STM32 每 10ms 上报 IMU、电池电压等数据；
3. 紧急制动指令：Linux 检测到网络断开，立即发送 STOP_ALL 指令；
4. 日志回传：调试阶段，STM32 将 printf 日志重定向至 CDC，便于远程分析。

实测在 RobotEX 平台上，该通道可持续稳定传输 800 KB/s 数据，误码率为零，完全满足控制与诊断需求。

六、总结

USB CDC/VCP 方案以标准化、高性能、免驱三大优势，成为连接实时 MCU 与 Linux 应用处理器的理想桥梁。它不仅简化了软硬件开发，还提升了系统整体的可靠性和可维护性。在资源允许的前提下，应优先考虑 USB CDC 而非传统 UART，尤其是在需要频繁固件更新、大数据交互或高可靠性的机器人产品中。