Microchip AVR DU系列USB单片机的应用和优势

在万物互联的时代，电子设备之间数据传输和通信变得越来越重要。在诸多有线数据接口技术的竞争中，USB凭借着高性能、普及性和易用性，业已成为电子设备与外部互连的首选接口，在不少电子设备中甚至成为了唯一的“对外接口”。

值得一提的是，这样的趋势不只限于我们所熟悉的消费类电子产品。在越来越多的专业嵌入式设备中，如何整合USB功能，也成了开发者必须认真面对的刚需。

在嵌入式应用中集成USB

在嵌入式产品中集成USB功能，通常是出于以下几个方面的考虑：

兼容性：由于USB已经成为广泛采用的主流接口技术，集成USB功能的产品可更大限度地与其他USB设备兼容，而免去不同接口协议之间转换的麻烦。

现场更新：用户可通过USB实现设备固件的更新，令设备的维护和升级更便利，也有助于延长产品的寿命周期。

支持供电：除了传输数据，USB还可以传输电力，让系统设计更为简化。

健全的生态：多年的发展，让USB技术建立起了非常完备的技术生态，用户和开发者可以从中获得全方位的支持。

不过在实际中，想要将USB功能顺利整合到嵌入式应用中，开发者也会遇到一些挑战，这主要体现在两个方面：

“一方面，USB的“易用性”对于刚刚入门的开发者，往往具有“迷惑性”，以为这个技术也“很简单”，从而低估了USB应用开发的复杂性及相关的工作量。

另一方面，传统的嵌入式系统实现USB通信功能的模式，通常是采用额外的USB接口芯片，这不仅会增加硬件复杂性和成本，还会占用宝贵的PCB空间。”

上述这些痛点，自然逃不出MCU厂商敏锐的观察，因此他们开始考虑，将USB接口电路与MCU集成到单一芯片中，打造一种集成USB功能的单片机，同时提供相关协议栈等方面的资源支持。这样一来，开发者只需通过简单地添加USB连接器和一些外围分立元器件，就能够实现一个完整的USB嵌入式解决方案——这就是所谓“USB单片机”的由来。

全新的USB单片机

伴随着USB应用场景的拓展，时至今日，USB单片机也已经成为各大MCU厂商产品组合中一个重要的子系列。围绕着USB单片机的技术迭代，也从未止步。

Microchip Technology推出的AVR DU微控制器（MCU），就是近期USB单片机市场中非常值得关注的一款产品。

图1：AVR DU微控制器

（图源：Microchip Technology）

顾名思义，AVR DU微控制器就是在久负盛名的AVR架构8位单片机的基础上，集成了USB 2.0全速接口功能。这些MCU具有高达24MHz的工作频率、16KB / 32KB / 64KB闪存、2KB / 4KB / 8KB SRAM和256字节EEPROM，并提供14引脚、20引脚、28引脚和32引脚等封装选项，为数量庞大的AVR架构的开发者，提供了实现USB功能的简便、无缝的解决方案。

图2：AVR DU微控制器系统框图

（图源：Microchip Technology）

与此同时，AVR DU微控制器还在实时控制、安全性和低功耗等方面进行了优化，这使得其特别适合各类任务关键型嵌入式USB应用。

下图展示了一个AVR DU微控制器的典型应用场景——在工业应用中，AVR DU微控制器作为一个串行接口转USB的桥接器件，将来自采用不同数据传输方式（I2C、SPI和模拟接口）的三个环境传感器收集的数据，经转换处理后由USB接口输出给下游的设备进行进一步的分析处理。这对于工业现场的数字化转型，显然大有裨益。

图3：基于AVR DU系列的USB桥接方案

（图源：Microchip Technology）

更多差异化优势

值得一提的是，除了方便AVR开发者快速实现USB 2.0连接功能，AVR DU系列微控制器还在其他方面提供了突出的差异化优势，为开发者带来更大的价值。

优秀的实时性

AVR DU系列MCU具有独立外设（CIP），事件管理系统在没有CPU/总线的参与下就可以进行外设通信，同时为实时应用提供6个通道以支持不同级别外设的触发，这也就意味着该单片机即使在CPU休眠的情况下，也能对事件做出实时响应，提供更强的实时性。

可靠的安全性

为了加强对恶意攻击的防御，AVR DU系列采用了Microchip Technology的编程和调试接口禁用（PDID）功能。启用该功能后，增强的代码保护可锁定对编程/调试接口的访问，阻止未经授权的读取、修改或擦除固件的尝试。此外，为了实现安全固件更新，AVR DU系列采用了“边写边读（RWW）”闪存，结合安全引导加载程序，设计人员可以使用USB接口修补漏洞、解决安全问题和添加新功能，而无需中断产品运行。上述这些特性，使得AVR DU系列成为安全敏感型应用的绝佳选择。

更高的供电功率

AVR DU微控制器支持从USB接口传输高达15W的功率，也就是说该功能可在5V电压下以高达3A的电流通过USB-C接口为设备供电——这在同类其他USB单片机中并不多见。这也令AVR DU微控制器的适用场景进一步拓展。

简化BOM

细心的小伙伴会发现，AVR DU系列中包含有一个CCL可编程逻辑单元，这就像是在MCU中集成了一个“微型的FPGA”，开发者可以通过CCL自定义所需的逻辑电路，从而减少外部所需的逻辑器件数量。此外，AVR DU系列还具有USB时钟恢复功能，因此无需昂贵的外部晶振，这也有助于降低系统复杂度和BOM物料成本。

功能安全就绪

在越来越多应用所关注的功能安全方面，AVR DU系列微控制器符合IEC 61508和ISO 26262功能安全标准，这使其成为安全关键型工业和汽车应用的绝佳选择。同时，Microchip Technology还提供MPLAB XC8功能安全编译器许可证，以简化需要符合功能安全标准的产品的开发。

不难看出，AVR DU系列凭借这些优势，为USB单片机树立了一个新标杆！

快速上手嵌入式USB开发

看到这里，你是不是有些技痒，希望能够马上体验AVR DU系列MCU，快速上手嵌入式USB应用开发？

好消息是，Microchip Technology已经推出了与AVR DU系列单片机配套的AVR64DU32 Curiosity Nano评估套件，为AVR DU系列的快速原型设计提供了一个理想平台。

图4：AVR64DU32 Curiosity Nano评估套件

（图源：Microchip Technology）

该开发套件具有板载编程器/调试器，可与MPLABX集成开发环境（IDE）无缝集成。其外形小巧，非常适合面包板焊接；配备两个USB Type-C连接器，一个用于编程和调试，另一个可连接到AVR DU微控制器的USB 2.0全速外设。

此外，AVR64DU32 Curiosity Nano评估套件还具有多个mikroBUS插座，可从Mikroelektronika广泛的Click板中选择添加传感器、执行器或通信接口等功能模块，为开发提供了极强的可扩展性。

总之，AVR DU系列USB单片机为开发者提供了强大且易于使用的USB连接解决方案，同时满足了嵌入式系统在实时性、安全、功耗和成本等多方面的设计要求。