在萬物互聯(lián)的時代，電子設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸和通信變得越來越重要。在諸多有線數(shù)據(jù)接口技術(shù)的競爭中，USB憑借著高性能、普及性和易用性，業(yè)已成為電子設(shè)備與外部互連的首選接口，在不少電子設(shè)備中甚至成為了唯一的“對外接口”。

值得一提的是，這樣的趨勢不只限于我們所熟悉的消費類電子產(chǎn)品。在越來越多的專業(yè)嵌入式設(shè)備中，如何整合USB功能，也成了開發(fā)者必須認真面對的剛需。

在嵌入式應(yīng)用中集成USB

在嵌入式產(chǎn)品中集成USB功能，通常是出于以下幾個方面的考慮：

兼容性：由于USB已經(jīng)成為廣泛采用的主流接口技術(shù)，集成USB功能的產(chǎn)品可更大限度地與其他USB設(shè)備兼容，而免去不同接口協(xié)議之間轉(zhuǎn)換的麻煩。

現(xiàn)場更新：用戶可通過USB實現(xiàn)設(shè)備固件的更新，令設(shè)備的維護和升級更便利，也有助于延長產(chǎn)品的壽命周期。

支持供電：除了傳輸數(shù)據(jù)，USB還可以傳輸電力，讓系統(tǒng)設(shè)計更為簡化。

健全的生態(tài)：多年的發(fā)展，讓USB技術(shù)建立起了非常完備的技術(shù)生態(tài)，用戶和開發(fā)者可以從中獲得全方位的支持。

不過在實際中，想要將USB功能順利整合到嵌入式應(yīng)用中，開發(fā)者也會遇到一些挑戰(zhàn)，這主要體現(xiàn)在兩個方面：

“一方面，USB的“易用性”對于剛剛?cè)腴T的開發(fā)者，往往具有“迷惑性”，以為這個技術(shù)也“很簡單”，從而低估了USB應(yīng)用開發(fā)的復雜性及相關(guān)的工作量。

另一方面，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)USB通信功能的模式，通常是采用額外的USB接口芯片，這不僅會增加硬件復雜性和成本，還會占用寶貴的PCB空間?！?/p>

上述這些痛點，自然逃不出MCU廠商敏銳的觀察，因此他們開始考慮，將USB接口電路與MCU集成到單一芯片中，打造一種集成USB功能的單片機，同時提供相關(guān)協(xié)議棧等方面的資源支持。這樣一來，開發(fā)者只需通過簡單地添加USB連接器和一些外圍分立元器件，就能夠?qū)崿F(xiàn)一個完整的USB嵌入式解決方案——這就是所謂“USB單片機”的由來。

全新的USB單片機

伴隨著USB應(yīng)用場景的拓展，時至今日，USB單片機也已經(jīng)成為各大MCU廠商產(chǎn)品組合中一個重要的子系列。圍繞著USB單片機的技術(shù)迭代，也從未止步。

Microchip Technology推出的AVR DU微控制器（MCU），就是近期USB單片機市場中非常值得關(guān)注的一款產(chǎn)品。

圖1：AVR DU微控制器

（圖源：Microchip Technology）

顧名思義，AVR DU微控制器就是在久負盛名的AVR架構(gòu)8位單片機的基礎(chǔ)上，集成了USB 2.0全速接口功能。這些MCU具有高達24MHz的工作頻率、16KB / 32KB / 64KB閃存、2KB / 4KB / 8KB SRAM和256字節(jié)EEPROM，并提供14引腳、20引腳、28引腳和32引腳等封裝選項，為數(shù)量龐大的AVR架構(gòu)的開發(fā)者，提供了實現(xiàn)USB功能的簡便、無縫的解決方案。

圖2：AVR DU微控制器系統(tǒng)框圖

（圖源：Microchip Technology）

與此同時，AVR DU微控制器還在實時控制、安全性和低功耗等方面進行了優(yōu)化，這使得其特別適合各類任務(wù)關(guān)鍵型嵌入式USB應(yīng)用。

下圖展示了一個AVR DU微控制器的典型應(yīng)用場景——在工業(yè)應(yīng)用中，AVR DU微控制器作為一個串行接口轉(zhuǎn)USB的橋接器件，將來自采用不同數(shù)據(jù)傳輸方式（I2C、SPI和模擬接口）的三個環(huán)境傳感器收集的數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后由USB接口輸出給下游的設(shè)備進行進一步的分析處理。這對于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，顯然大有裨益。

圖3：基于AVR DU系列的USB橋接方案

（圖源：Microchip Technology）

更多差異化優(yōu)勢

值得一提的是，除了方便AVR開發(fā)者快速實現(xiàn)USB 2.0連接功能，AVR DU系列微控制器還在其他方面提供了突出的差異化優(yōu)勢，為開發(fā)者帶來更大的價值。

優(yōu)秀的實時性

AVR DU系列MCU具有獨立外設(shè)（CIP），事件管理系統(tǒng)在沒有CPU/總線的參與下就可以進行外設(shè)通信，同時為實時應(yīng)用提供6個通道以支持不同級別外設(shè)的觸發(fā)，這也就意味著該單片機即使在CPU休眠的情況下，也能對事件做出實時響應(yīng)，提供更強的實時性。

可靠的安全性

為了加強對惡意攻擊的防御，AVR DU系列采用了Microchip Technology的編程和調(diào)試接口禁用（PDID）功能。啟用該功能后，增強的代碼保護可鎖定對編程/調(diào)試接口的訪問，阻止未經(jīng)授權(quán)的讀取、修改或擦除固件的嘗試。此外，為了實現(xiàn)安全固件更新，AVR DU系列采用了“邊寫邊讀（RWW）”閃存，結(jié)合安全引導加載程序，設(shè)計人員可以使用USB接口修補漏洞、解決安全問題和添加新功能，而無需中斷產(chǎn)品運行。上述這些特性，使得AVR DU系列成為安全敏感型應(yīng)用的絕佳選擇。

更高的供電功率

AVR DU微控制器支持從USB接口傳輸高達15W的功率，也就是說該功能可在5V電壓下以高達3A的電流通過USB-C接口為設(shè)備供電——這在同類其他USB單片機中并不多見。這也令AVR DU微控制器的適用場景進一步拓展。

簡化BOM

細心的小伙伴會發(fā)現(xiàn)，AVR DU系列中包含有一個CCL可編程邏輯單元，這就像是在MCU中集成了一個“微型的FPGA”，開發(fā)者可以通過CCL自定義所需的邏輯電路，從而減少外部所需的邏輯器件數(shù)量。此外，AVR DU系列還具有USB時鐘恢復功能，因此無需昂貴的外部晶振，這也有助于降低系統(tǒng)復雜度和BOM物料成本。

功能安全就緒

在越來越多應(yīng)用所關(guān)注的功能安全方面，AVR DU系列微控制器符合IEC 61508和ISO 26262功能安全標準，這使其成為安全關(guān)鍵型工業(yè)和汽車應(yīng)用的絕佳選擇。同時，Microchip Technology還提供MPLAB XC8功能安全編譯器許可證，以簡化需要符合功能安全標準的產(chǎn)品的開發(fā)。

不難看出，AVR DU系列憑借這些優(yōu)勢，為USB單片機樹立了一個新標桿！

快速上手嵌入式USB開發(fā)

看到這里，你是不是有些技癢，希望能夠馬上體驗AVR DU系列MCU，快速上手嵌入式USB應(yīng)用開發(fā)？

好消息是，Microchip Technology已經(jīng)推出了與AVR DU系列單片機配套的AVR64DU32 Curiosity Nano評估套件，為AVR DU系列的快速原型設(shè)計提供了一個理想平臺。

圖4：AVR64DU32 Curiosity Nano評估套件

（圖源：Microchip Technology）

該開發(fā)套件具有板載編程器/調(diào)試器，可與MPLABX集成開發(fā)環(huán)境（IDE）無縫集成。其外形小巧，非常適合面包板焊接；配備兩個USB Type-C連接器，一個用于編程和調(diào)試，另一個可連接到AVR DU微控制器的USB 2.0全速外設(shè)。

此外，AVR64DU32 Curiosity Nano評估套件還具有多個mikroBUS插座，可從Mikroelektronika廣泛的Click板中選擇添加傳感器、執(zhí)行器或通信接口等功能模塊，為開發(fā)提供了極強的可擴展性。

總之，AVR DU系列USB單片機為開發(fā)者提供了強大且易于使用的USB連接解決方案，同時滿足了嵌入式系統(tǒng)在實時性、安全、功耗和成本等多方面的設(shè)計要求。