基于LUFA开源框架库对AVR芯片进行USB终端设备开发

摘要：本文针对一般USB设备的开发过程过于困难、复杂、繁琐等不利于快速开发的问题，引入了LUFA(Lightweight USB Framework for AVRs)开源框架库，解决了基于AVR芯片的USB设备的快速开发问题。这种方法能实现快速开发并实现相关的产品，并且有稳定的性能表现，具有工程实践意义。

概述

目前，USB控制器主要有两种：一种是带USB接口的单片机(MCU)，另一种是纯粹的USB接口芯片。前者的最大优势在于，开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，容易进行功能拓展，但其成本相对较高;后者的最大特点是，价格便宜，接口方便，可靠性高，但其硬件架构相对复杂，软件部分限制相对较大。

在工程实践中，有时需要快速可靠地开发出相应的USB终端设备，或者针对特定领域开发出专用产品。此时，如果有一个成熟可靠的软件框架，可以事半功倍地满足相应的需求。本文针对AVR的部分带USB接口的单片机，如：AT90USB系列，ATmega8U系列，ATmega16U系列，AT32UC3系列的部分型号，ATXmega系列的部分型号等，介绍LUFA开源框架，以实现快速开发USB终端设备，或者针对特定领域开发专用产品。

1 USB协议概述

USB是一种串行接口协议，应用日益广泛。但是，要熟悉其协议内容并不简单，其协议文档繁杂罗嗦，Linux uhci驱动作者之一Alan Stern曾经就说过：

The USB documentation is downright evil. Most of it is just crap, written by a committee. You're better off ignoring most of it.

他同时还对软件开发者指出，开发者最需要注意的是两点：一、底层协议(非常简单，但很多小细节要注意)，二、其他。

简而言之，USB协议，在硬件上，靠D+，D-两条数据线进行差分传输，以及NRZI的编码方式。在通信上，依靠封包(package)格式进行数据传输。封包由若干个域(Package Field)构成，每个域由若干位组成(具体的位数由具体的域决定)。其细节部分繁多复杂，上手困难，也极其容易出错。

2 LUFA开源框架

LUFA(Lightweight USB Framework for AVRs)，由澳大利亚人Dean Camera开发，是一个基于MIT协议分发的开源框架。针对带USB接口的Atmel AVR8单片机和部分AVR32单片机系列，LUFA实现了一个完全符合USB通信协议的开源框架库。基于这个框架，不仅能开发出合适的终端设备，也能在部分设备上开发出合适的主控制端。

该框架库经过多年的测试改进，现已处于稳定版本。其针对AVR-GCC编译器进行了优化设计，使用了部分GCC特有的拓展方式，使得这个库的相关API能更稳定流畅地运行。相关的编译器AVR-GCC，能在Atmel网站下载到相应系统的版本。在LUFA源码库里面，有多达三四十种不同应用的示例版本。

● 支持的芯片类型

LUFA是针对带USB接口的Atmel AVR 8/32位单片机进行开发的，所以只要是带USB接口的Atmel AVR单片机，均可使用LUFA开源框架库。例如：AT90USB系列，ATmega8U系列，ATmega16U系列，AT32UC3系列，ATXmega系列等。详情可查看LUFA的相关文档。

● 源码下载

LUFA的项目主页(英文)在http://www.fourwalledcubicle.com/LUFA.php。该项目的源码版本管理托管在github上，相关地址在http://github.com/abcminiuser/lufa。更多详情，可以在LUFA的项目主页上查看。

● 开发环境搭建

Atmel提供了相关的工具链，使得开发者可以简单方便地进行开发，包括Linux平台和Windows平台。除了Atmel提供的工具链之外，还可以使用第三方工具链，按照自己的需要来进行开发。同时，LUFA已经成为Atmel Studio 6.1及后续版本的原生插件之一。无论是编译固件，还是固件上传，LUFA文档都提供了详细的说明。详情请参阅LUFA文档部分：LUFA Library -> Getting Started。

3 设备开发示例说明

在本示例中，本文以ATmega32U4制作一个可编程键盘为示例，演示LUFA开源框架库的开发流程方式。该示例分成两大部分：一、制作bootloader，以便对设备进行编程烧录;二、实现矩阵键盘功能。

● ATmega32U4微处理器

ATmega32U4是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC(精简指令集)接口的高性能、低功耗8位单片机。处理器具有可控制的上电复位延时电路和可编程的前沿检测电路，带有双周期乘法器，以及32个8位通用工作寄存器，内部和外部共计13个中断源，加上丰富的的指令集，使得大部分的指令执行时仅为一个时钟周期。因此可达到1MIPS/MHz的性能，运行速度比普通单片机高得多。

同时，处理器还有丰富的外部接口，如14个PWM通道，12路10位ADC，SPI，USART等。片内集成了32KB的Flash程序储存器(其中4KB可被引导程序使用)，2.5KB片