为嵌入式应用增加USB功能的设计考虑

　　USB MCU可提供USB通信接口的最大灵活性和控制，但需要大量设计工作。开发人员必须构建所有的USB固件，如果创建了非HID类设备，开发人员必须编写设备驱动程序。这需要一些USB方面的经验，因为编写USB固件和设备驱动程序并非小事一桩。由于所有MCU固件都可定制，因此USB MCU可在需要时执行额外的任务。这提供了通信桥接器无法实现的更高灵活性。例如，如果USB MCU具有模数转换器（ADC），开发人员可增加固件来配置ADC并在需要时进行测量。USB描述符在固件中也是可以完全定制的。USB主机在枚举过程中通过从设备接收的描述符来确定设备是HID设备还是非HID设备。

　　使用USB MCU时，USB通信可提供与目标系统的直接连接，系统可以基于USB MCU来构建（图3）。除了更长的开发时间之外，开发人员还需考虑所需的吞吐能力。HID类设备的吞吐能力限制是64KBps（即512Kbps）。非HID类设备的吞吐能力限制为12Mbps（即12，000Kbps）。与HID设备相比，非HID类设备可以实现更高的吞吐能力，但是也需要开发定制驱动程序，终端用户则需要安装驱动程序。这就增加了应用的总开发时间。使用配置HID的USB MCU可以避免开发和安装驱动程序，但是前提是HID的吞吐能力能够满足应用的要求。

　　创建包含USB MCU的系统可以灵活地更改设计的各个方面，从而根据要求组合最佳的USB解决方案。例如，开发人员在设计通过USB通信向主机发送测量数据的医疗设备时可以更改USB MCU数据传递类型，以满足所需的USB MCU解决方案的吞吐能力限制，或者实现多接口设备，比如带同步HID接口的设备。设计新的USB应用时，开发人员可对每个USB选择方案的要求进行分析，然后选择最适合的方案。我们接下来探讨如何通过USB通信升级传统设计。

　　开发人员通过 USB 通信升级传统系统时可在为新设计提供的四个方案中任选一个，但是必须选择适合现有应用的USB解决方案，而不是设计一个适合USB解决方案的应用。此时，开发人员需考虑当前的通信方法、所需的USB数据吞吐能力和可供附加元器件使用的PCB空间。传统设计拥有成熟的与主机系统的通信方法。如果桥接设备中提供用于与主机通信的接口，那么增加固定功能USB通信桥接器是唯一的选择方案。在多数应用中，这种接口为UART接口。对于这些应用，可在设计中增加USB转UART通信桥接芯片。图4显示了如何使增加的桥接设备适合传统设计。

　　从硬件层面看，现有的PCB需进行重新设计，以使USB设备和USB连接器适合现有的电路板。从软件层面看，USB转UART设备的制造商一般会为开发人员提供VCP驱动程序，因此无需开发驱动程序。在这个实例中，桥接设备的吞吐能力限制是UART接口的波特率。只要桥接设备能够支持应用所需的波特率，吞吐能力就不存在问题。设备将仍作为USB主机的COM端口，这样传统主机应用不需要进行修改即可正常工作。传统设计与升级的设计之间的主要区别在于通过USB提供与主机的接口以及需要终端用户安装驱动程序。

　　如果需要无驱动程序的选择方案，HID固定功能USB通信桥接器就是一个可能的解决方案。选择此方案时，其设计考虑因素与VCP固定功能通信桥接器的考虑因素相同，但是此桥接器的吞吐能力限定为64KBps，这是最高HID吞吐能力。在上述传统设计升级的实例中，开发人员可以使用HID USB转UART桥接器，但是设备不作为主机系统的COM端口，而是作为HID。这样，传统主机应用如不进行修改将无法正常工作。尽管此解决方案无需安装驱动程序，但是现有的主机应用需进行修改后才能与HID OS 应用程序编程接口（API）通信，而不是与COM端口API通信。固定功能USB通信桥接器是大多数传统设计升级的理想选择，因为它们可以为在设计中增加USB通信提供最简单的解决方案，且无需USB专门知识。

　　对于需要更高吞吐能力、额外功能或定制USB固件的传统设计，USB MCU是最佳选择。新设计方案的许多设计考虑因素都适用于此方案。由于开发人员必须编写所有的USB固件，因此该选择方案需要一定的USB专门知识。VCP USB设备还需开发和安装驱动程序。USB MCU必须具有通过GPIO引脚或系统管理总线（SMBus）或SPI等外设接口与现有传统应用进行通信的途径（图5）。

　　此外，需通过增加额外元器件对现有PCB进行重新设计。若开发人员所需的吞吐能力比桥接设备所能实现的吞吐能力高或者使用桥接设备无法实现的通信方法，使用USB MCU升级传统应用是最佳选择。

　　选择在设计中增加固定功能通信桥还是增加USB MCU，取决于目标应用、开发人员的USB经验和开发时间。使用USB MCU可提供最高的灵活性，但也需要USB专门知识，并且可能需要开发驱动程序。选择固定功能USB通信桥接器无需任何USB固件，也不需要开发驱动程序，这样就缩短了总开发时间。这是在系统中增加USB只进行极少的重新设计的最简单方法。

　　在系统中增加USB功能可以实现与各种USB主机设备的通信，同时能以一根数据线增加500mA的电源方案，因此可为应用带来方便和灵活性。小型USB MCU和固定功能USB通信桥接器可为在新设计或传统系统中增加USB通信功能提供极具成本效益的方案。