不用USBASP芯片也可用USB，纯AVR实现USB通讯：AVRUSB
本帖被 alico 设置为精华(2008-08-16)
AVR的速度刚好可以跟得上USB1.0的通讯速度，所以可以模拟和USB通讯。USBASP 就是这么来的（不知道什么是USBASP？就是下载器）。
AVRUSB技术探讨
作者：邵子扬、王育强、吕益光
摘 要
本文介绍了一种独特的AVR单片机和计算机进行USB通信的方法：AVRUSB。介绍了AVRUSB技术的基本原理、特点、应用，同 时还详细的介绍了AVRUSB系统的单片机软件开发和计算机软件开发的方法。
关键字：
AVRUSB，LibUSB，LibUSB- Win32
正文
1 简介
1.1 AVRUSB是什么
AVRUSB 技术是利用高性能的8位RISC架构的AVR单片机，使用单片机的IO口来模拟USB的通信端口，由软件来实现USB通信协议，将普通的AVR单片机模拟 成一个USB低速设备，从而实现AVR单片机与计算机之间的通信和控制。
AVRUSB 技术的基本原理就是利用AVR单片机的普通IO端口来模拟USB的硬件端口进行通信。因为低速USB设备的速度是1.5M位/秒，而AVR单片机是单指令 周期的，在单片机使用12MHz的时钟频率时，正好是1.5MHz的8倍。也就是说，单片机每8条指令就精确完成一个数据位的采集。采用这种方法时，对单 片机的时序要求非常严格，所以软件的核心部分代码完全由汇编语言实现。
1.2 AVRUSB的历史
AVRUSB 技术最早的文档可见于AVR的官方应用笔记《AVR309 Software Universal Serial Bus (USB)》（软件USB）一文中。在这篇应用笔记里，详细的介绍了如何使用AVR单片机的普通IO口来实现USB通信，同时介绍了计算机的驱动程序以及 计算机上用户程序的编程方法，并提供了全部源码。但是AVR309中介绍的单片机程序完全是使用汇编语言编写的，不利于将程序移植到其他应用环境中，也不 利于程序的维护（毕竟使用汇编语言的人相对比较少，使用C语言编程是大部分人的选择），这使得其应用受到了很多限制。
后 来，OBJECTIVE公司推出了AVRUSB。它以汇编语言实现USB通信的底层接口，用C语言实现用户层的程序接口。用户接口被简化为很简单的几个函 数（在最简化的情况下，只需要三个函数，一个初始化函数、一个轮询函数和一个数据处理函数）和一个配置文件，用户可以完全不会使用汇编语言编程。同时它还 提供了一个稳定而成熟的用户程序框架，用户可以在此框架的基础上，通过修改和扩展接口函数的功能来实现各种USB通信功能和控制功能，实现各种带USB接 口的应用系统。并且，AVRUSB支持目前最流行的AVR GCC编译器和IAR C编译器，因此具有很强的实用性。
1.3 AVRUSB的特点
1.3.1 低成本
传统的单片机与计算机进行USB通信，需要使用专用的接口芯片进行USB协议转换， 如CP2101、FT232、CH342、PDIUSBD12、 SL811等。象CP2101、FT232这样的芯片使用起来虽然简单，但是功能比较单一；而PDIUSBD12、SL811功能较强，但是使用复杂。并 且这些专用芯片的价格都相对较高，增加了系统的成本。而AVRUSB简单易用，成本低廉，只需要一个普通的低成本AVR单片机以及很少的几个外部元件，就 可以组成一个USB系统。
AVRUSB 的代码为AVR GCC编译器做了高度优化，同时也完全兼容于更专业的IAR C编译器。程序编译后在最小情况下还不到2KB，因此绝大部分的AVR单片机都可以使用AVRUSB（只要支持外部中断INT0，Flash容量不小于 2KB就可以实现AVRUSB的功能）。这样在很多低成本的小容量AVR单片机上也可以使用AVRUSB，如ATtiny2313、ATmega45、 ATmega48等，因此AVRUSB技术具有很高的实用价值。
1.3.2 资源丰富，容易开发
AVRUSB 提供了一个完整而又简单易用、成熟稳定的应用程序框架。这个框架包括了底层（单片机部分）和上层（PC部分），单片机可以使用gcc（或者IAR）编 程；PC上则可以使用各种通用编程软件，如Windows下使用VC、VB、Delphi、C++ Builder、BDS2006、GCC，Linux下使用GCC等等。用户可以在这个框架基础上添加和扩展各种功能，快速开发出适合于各种需求的单片机 控制系统，而且AVRUSB支持Windows、Linux、MacOS等多种操作系统，具有很好的跨平台特性。
1.4 AVRUSB的应用
AVR单片机低成本、高性能的特性，使得AVRUSB非常适合于应用到USB加密狗、USB接口的系统控制、低 速USB数据采集等，这样构成的具有USB通信功能的单片机系统比很多使用专用芯片的系统简单、成本低。
目前，AVRUSB已经 成功应用到了很多产品上，比较有名的有：USBasp(USB接口的AVR编程器)、AVRCDC(USB转RS232串口)、USB Bootlader（USB接口的Bootloader软件）等。在 http://www.obdev.at/products/avrusb/projects.html 中， 还专门列举了很多使用AVRUSB的开源项目，这些项目提供了完整的单片机程序和计算机程序的代码和原理图。我们在开发自己的AVRUSB应用时，可以参 考这些资源，在这些开源项目的基础上进行修改，快速开发出适合于自己需求的应用来。本文作者也成功的将AVRUSB用到公司的一个项目中，很好的实现了一 个USB接口的开关矩阵控制。
1.5 AVRUSB的限制
因为AVRUSB使用普通IO口模拟来 USB通信的过程，由软件实现了硬件完成的功能。而USB通信的速率是比较高的。因此，在进行USB通信时单片机的CPU占用率比较高的（大于90%）。
另 外，因为受到单片机的处理能力限制，所以通信的数据处理能力不是很强，最大数据处理速度约为20k/s，因此AVRUSB不适合用于大数据量通信的应用场 合。
2 硬件结构
构成一个AVRUSB系统的硬件结构非常简单，只需要一个普通的AVR单片 机（大部分型号都可以），再加上少量的外部元件（晶体、几个电阻以及可选的稳压二极管等），就组成了一个基本的AVRUSB系统，如图1。
图1. AVRUSB的基本硬件接口
图中的单片机以ATmega8为例。数据线D-上的上拉电 阻R4用来通知计算机这是一个低速USB设备（这是在USB规范中定义的，更多内容请参考 AVR309以及USB的官方文档）。12MHz晶体和两个22p的电容C2和C3组成单片机运行所必须的时钟。D+ 和D- 数据线可使用单片机的任意IO端口，但是必须使用相同的IO端口。在这里D+ 连接到PB1，D- 连接到PB0。此外数据线D+还需要连接到INT0上，这是为了在不同的AVR单片机中使用AVRUSB时有更好的适应性和兼容性，无需修改底层核心部分 程序的代码。如果D-连接到端口D上（就是和INT0同一端口中），同时D+只连接到INT0，还可以节省出一个端口来。
电阻 R2、R3起到限流和保护作用，防止在意外情况下损坏计算机的USB端口或单片机的端口。单片机所需的电源Vcc可由USB的5V输出电源直接提供，或者 由USB的5V电源转换得到（如LDO、稳压二极管等），或者通过电池等其他外部电源来供电。
D+ 和D-上的3.6V稳压二极管D1和D2起到限制数据线上的电平的作用。因为在USB规范中规定数据线D+和D-上的电平范围是3.0V至3.6V，而 AVR单片机的输出电平是Vcc。如果单片机的Vcc是5V，在没有D1和D2的情况下将造成电平不匹配，会造成在很多计算机中无法正确识别出USB设 备。如果用户系统的Vcc在3.0V至3.6V之间，就可以省略这两个稳压二极管。从这里也可以看出用户系统的Vcc必须高于3V。
上 面硬件就组成了一个最小的AVRUSB系统，它能够和计算机进行USB通信。在上面最小系统的基础上，如果添加一个红外传感器，就可以接收发送红外信号， 就是一个USB红外控制器；如果添加一个MAX202，就是一个带缓冲的USB <-> RS232串口转换器；如果加入ADC转换功能，就是USB的数据采集器；如果加入ADC和电源控制，就能够实现一个简单实用的USB充电器……各种功能 的AVRUSB系统都是在这个最小系统的基础上，添加不同功能的外围模块或接口来实现的。
3 单片机程序的开发
要使用AVRUSB，就需要在单片机中开发合适的软件，实现特定的功能。下面将具体介绍开发需要使用的工具软件和开发的步骤。
3.1 开发环境
AVRUSB可使用AVR GCC编译器或IAR C编译器。因为AVRUSB特别为AVR GCC编译器做了优化，并且AVR GCC还是免费软件，使用非常广泛，是目前AVR单片机主要的开发工具软件之一，所以我们下面以AVR GCC为例来介绍。
在 Windows操作系统下开发时，使用WinAVR中带有的AVR GCC编译器；代码编辑、仿真和调试使用了Atmel公司的AVR Studio，这个IDE的好处是不需要用手工修改makefile配置文件，减少了初学者的使用难度。如果希望使用其他IDE或编辑软件作为开发工具也 可以，下面的使用步骤也是类似的。如果是在Linux操作系统下开发，可以使用Linux版本的AVR GCC，以及其他工具软件进行编辑和调试。
3.2 建立项目文件
要将AVRUSB加入到自己的程序中，首先需要在AVR Studio中建立一个新的项目（Project），然后将AVRUSB所需要的文件复制到项目文件的文件夹中（当然也可以不用复制文件，只添加已经存在 的AVRUSB的文件路径到项目中也可以，但是将项目的所有文件放在一个文件夹下更容易对整个项目进行维护）。一般来说，凡是使用AVRUSB的项目，在 项目文件夹下都会单独存放一个USBDRV的文件夹，里面存放着所有与AVRUSB相关的文件。AVRUSB包含了多个文件，但是我们只需要添加以下几个 文件到项目中：
usbconfig.h 用户配置文件
iarcompat.h 为兼容IAR编译器而定义的宏
usbdrv.h usb驱动接口文件的头文件
usbdrv.c usb驱动接口文件
usbdrvasm.asm 为兼容IAR编译器而使用的底层接口函数文件的别名
usbdrvasm.S 汇编语言编写的底层接口函数
oddebug.h 调试用函数的头文件（不使用调试功能时可以不添加）
oddebug.c 包含调试用的函数（不使用调试功能时可以不添加）
注意到上面的文件除了usbconfig.h外，都在USBDRV文件夹中。在 USBDRV文件夹中一般都有一个usbconfig- prototype.h文件，这个文件是用户配置文件usbconfig.h的原始模板，我们需要将这个文件复制到项目文件夹中并将它改名为 usbconfig.h。复制后，还需要再添加USBDRV文件夹的路径到项目的包含路径中，这样在编译时才可以正确找到上面的文件，如图二（因为 USBDRV文件夹在项目文件夹下，所以显示出的是相对路径）。如果不使用AVR Studio，也可以使用其他的IDE软件或编辑软件，但是可能会需要用户自行手工修改项目配置文件makefile，具体做法这里就不做介绍了。
图2. 添加USBDRV路径到项目中
3.3 参数配置
在编译项目之前，除了需 要对项目本身的参数进行配置外（如AVR单片机的型号、系统时钟频率、代码优化等级等），还需要对AVRUSB的参数进行配置，这样才能产生出正确的代 码。AVRUSB中包含的参数虽然看起来很多，其实配置起来很容易。在用户配置文件usbconfig.h中存放了所有与USB相关的配置参数，配置参数 都是以宏定义的方式给出，配置参数的过程就是修改相关的宏定义。只要修改这个文件中的参数就可以实现不同的功能，其它的文件不用修改。
为 了获得尽可能高的效率，AVRUSB中使用了大量的宏定义和条件编译，用以获得最小的代码大小和最快的运行速度。配置文件usbconfig.h中的参数 非常多，表1列出了主要需要修改的参数。一般的情况下只要修改这几个参数就可以了，其它的参数可以根据用户的实际需求做适当的修改。
表 1：usbconfig.h中的主要参数
USB_CFG_IOPORTNAME
定义USB数据线使用的端口。只要是通用的IO都可以，没有特殊的要求。
USB_CFG_DMINUS_BIT
USB数据线D-使用的引脚。
USB_CFG_DPLUS_BIT
USB数据线D+使用的引脚。因为D+要求同时连接到INT0上，所以一般情况下需要使用3个IO口。如果D+使用的引脚就是INT0，那么可以少使用一 个IO端口。
USB_CFG_VENDOR_ID
设备生产商的ID号
USB_CFG_DEVICE_ID
设备的产品ID号。这两个参数就是Windows识别USB设备的主要参数。需要注意的是，这两个参数都是低字节在前，高字节在后。
USB_CFG_DEVICE_VERSION
设备的版本号次版本号在前，主版本号在后。在Windows的设备管理中可以看到这个版本号
USB_CFG_VENDOR_NAME
设备生产商的名称，它在Windows的设备管理中可以看到。这里一般写入的是网址。
USB_CFG_VENDOR_NAME_LEN
设备生产商名称的长度。
USB_CFG_DEVICE_NAME
设备的名称，它在Windows的设备管理中可以看到。设备名称和生产商的名称都是以字符的方式定义的，它们目前不支持中文。
USB_CFG_DEVICE_NAME_LEN
设备名称的长度。
3.4 主要接口函数
配置好参数，就可以开始编写用户程序了。用户程序和计算机之间 的USB通信是通过AVRUSB提供的接口函数完成的，接口函数有6个，下面将分别介绍。
3.4.1 初始化函数
在使 用AVRUSB前，需要进行必要的初始化，这通过调用初始化函数usbInit()完成。一般是在程序其他部分初始化完成后再调用函数 usbInit()，最后再调用sei()函数允许中断。
void main()
{
…
usbInit();
sei();
…
while(1) //主循环
{
…
}
}
3.4.2 USB事件处理函数
在 用户程序的主循环中需要定期调用USB事件处理函数usbPoll()。USB事件处理函数usbPoll()在没有USB事件需要处理时将直接返回，否 则将调用内部函数进行相应的事件处理，最后再将数据通过传递到后面介绍的用户接口函数中。通常的用法是：
while(1) //主循环
{
usbPoll(); //USB事件处理
…… //其他用户事件
}
一 次USB通信的超时时间是50ms。所以在编程时注意其他事件不要占用太长的时间，使得usbPoll()函数不能及时执行。
3.4.3 用户事件接口函数
在用户程序中需要编写USB用户事件接口函数，完成USB通信。AVRUSB将用户接口简化为以下3个函数，这三个函数需要 用户进行编程处理，它们将完成USB通信的数据处理。
usbFunctionWrite 主机向单片机写入数据
usbFnctionRead 主机从单片机中读取数据
usbFunctionSetup 一般功能设置
函数usbFunctionSetup 负责传递USB请求，参数存放在一个8字节的数组中(uchar data[8])，其的含义是：
uchar requestType; //[0] 请求类型
uchar request; //[1] 请求的内容
unsigned value; //[2], [3] 参数
unsigned index; //[4], [5] 序号
unsigned length; //[6], [7] 长度
在一般情况下，除了data[0]和data[1]用于存放USB事件的请求参 数外，data[2]至data[7]都可以传递用户参数。这样在数据量非常小的时候，通过usbFunctionSetup就可以完成全部参数传递了， 不需要使用函数usbFnctionRead和 usbFunctionWrite。这时可以在usbconfig.h中将宏USB_CFG_IMPLEMENT_FN_READ和 USB_CFG_IMPLEMENT_FN_WRITE设置为0，禁止使用函数usbFnctionRead和usbFunctionWrite，这样可 以节省出不少代码空间。
在传递的数据比较多时，就需要使用usbFunctionWrite和usbFnctionRead函数了。这两 个函数具有相同的参数(uchar *data, uchar len)，len表示参数的数量，*data指向数据缓冲区。在编程时，一般是先在usbFunctionSetup函数中根据计算机发送过来的请求类型 和参数来设置一个全局标志，然后在usbFunctionWrite和usbFnctionRead函数中根据相应全局标志进行不同的功能处理。
3.4.4 数据校验
为了保证USB数据通信的可靠，避免传输中出现误码，还应当对数据进行校验。USB通信使用了CRC校验来保证通信的可靠性，数据校 验的方法是调用usbCrc16()函数，函数的使用方法是：
crc = usbCrc16((uchar *)(unsigned)(usbAppBuf + 1), usbRxLen - 3);
USB数据缓冲区中存放的校验结果在
((uchar *)(unsigned)(usbAppBuf + 1))[usbRxLen - 3] 和
((uchar *)(unsigned)(usbAppBuf + 1))[usbRxLen - 2] 两个字节中。
将计算结果和缓冲区的数据进行比 较就可以知道通信缓冲区中的数据是否正确了。需要注意的是usbCrc16函数并不是在用户程序中调用的，而是在 usbdrv.c文件中的usbPoll函数中。在usbPoll函数的开始部分有一段注释，解释了可以在此调用usbCrc16函数。
在 很多 AVRUSB项目中（如USBasp）并没有处理CRC校验，这是因为在USB通信中对时间要求比较严格，AVRUSB在底层处理时来不及进行数据校验， 所以底层函数在接收到数据后就直接将ACK信号发送回去了。这样即使在数据校验中发现了错误，也不能由底层函数报告给计算机，只能在用户程序中向计算机发 出错误报告。在一般要求不高的应用中可以不进行数据校验，以简化程序结构。但是在要求比较高的控制系统中应当进行CRC校验，使得整个系统具有更高的可靠 性。当然，用户也可以不使用比较耗时的CRC校验而用其他方法建立起自己的数据错误处理机制。
4 计算机程序编程
计算机程序的编程主要包括了驱动程序的设计和用户程序的开发，每个部分又包含了很多内容。
4.1 PID和VID
每种USB设备都有一个PID和VID。VID是生产商的代号，PID是产品的代号，每个代号都是一个双字节的整数。PID和 VID不能随意设置，它是由 USB标准协会进行分配的，就像IP地址的分配一样。一个USB的PID/VID许可需要花费1500美元，在很多情况下，特别对小公司是一个很大的费 用。针对这种情况，AVRUSB提供了3个免费的PID/VID对，分别适用于HID类、CDC类和通用类设备，使用AVRUSB的用户可以免费使用它 们，这样对于大多数应用来说就不用再自己去申请PID/VID了。
表二：免费的PID/VID对
VID
PID
控制类
0x16C0
0x05DC
CDC类
0x16C0
0x05DF
HID类
0x16C0
0x05E1
PID和VID在驱动程序和 用户程序中都将用到，它是windows识别USB设备的关键参数，用户程序也需要通过PID和VID来查找相应的USB设备。
4.2 USB设备类型
AVRUSB 有多个版本，早期的版本只支持控制类的USB设备和最多两个节点，而最新的版本还可以支持CDC类（串口类）和HID类（人体工学设备）以及最多4个节 点。CDC类和HID类都无需自己编写Windows的驱动程序（Windows自带）。AVRUSB的作者不推荐使用CDC类的方式（据说是因为在有些 计算机上兼容性不好），而推荐使用HID类，但是使用HID类的应用目前还不是很多，支持的程序也比较少。本文将只介绍应用最广泛的控制类设备的编程方 法。
4.3 驱动程序
对于每种USB设备，都需要有相应的驱动程序。只有安装了驱动程序后，USB设备才 能被操作系统所识别，设备才能正常工作。每个驱动程序都包含了底层驱动程序、设备描述文件等几部分。
虽然现在已经有很多优秀的开 发底层驱动程序的工具，但是对于一般用户来说开发驱动程序还是一件比较复杂的事情。AVRUSB的底层驱动程序使用了 LibUSB，这是一个很有名的开源USB驱动程序，支持多种操作系统平台，在Windows操作系统下对应的版本是LibUSB-Win32。也就是 说，计算机上的USB底层驱动程序不需要用户自己再编写了，直接使用LibUSB就行了，用户只需要编写设备描述文件。设备描述文件是一个文本文件，用于 说明设备的参数，主要就是设备的PID、VID、设备名称、使用的底层驱动程序名称等。
4.3.1 定制自己的USB设备驱动程序
要想让LibUsb-Win32成为自己开发的USB设备的驱动程序，只需对LibUsb-Win32提供的 libusb.inf设备信息文件（INF）的内容按照其中的注释给出的说明进行适当的修改即可。其中最重要的修改是对VID/PID的修改，将文件中的 VID/PID值替换为自己开发的USB设备的 VID/PID值（也就是上面表二给出的值）。其它可以修改的内容还有设备制造商名称，设备描述字符串等等。
以 LibUSB-Win32的0.1.10.1版本为例，一个使用LibUSB的USB设备驱动程序包至少要包含以下的3个文件：libusb0.sys、 libusb0.dll和libusb.inf。在LibUsb-Win32的0.1.10.1版本中，还提供了一个用于自动生成INF文件的向导工具。 该工具位于libusb-win32-device-bin-0.1.10.1/bin目录下，文件名为inf-wizard.exe。通过使用该向导工 具，可以方便地生成与自己开发的USB设备相关的INF文件。需要注意的是，该向导工具不仅生成了一个INF文件，同时也生成了一个安全目录文件 （*.cat），该文件包含的由Microsoft提供的对将要安装到Windows系统上的驱动程序文件的数字签名。如果没有这样的安全目录文件，需要 从生成的INF文件中删除掉“Version“部分中的“CatalogFile“内容。
4.3.2 预安装USB设备的驱动程序
通过“找到新硬件向导“的方式来安装设备的驱动程序作为Windows系统的一种标准方式已经使用很多年了，每当我 们加入一个新的设备到计算机上时，Windows会提示我们发现一个新的设备，然后进一步提示我们去查找并安装相应的驱动程序。这个步骤对于终端用户来说 还是不太方便，对他们而言，希望只要将新的硬件装（插）到Windows系统上就可以使用了，而无需再做其它额外的工作。
Microsoft 已经认识到了这个问题，并已制作了一套能够在Win2000及更高版本的操作系统上使用的驱动程序安装工具——Driver Install Frameworks (DIFx)。这些工具能够进行驱动程序的预安装，即新硬件在系统上可用之前安装驱动程序。这允许当一个匹配的设备首次被连接到电脑上时，相应的驱动程序 能够被自动装载。
Driver Package Installer（DPInst）是DIFx工具集中的工具之一，该工具提供了进行驱动程序预安装的最简单也是最常用的方法。DPInst由 DPInst.exe和DPInst.xml这两个文件组成，其中DPInst.xml是一个可以对安装过程进行配置的文件。将驱动程序包放在与 DPInst.exe和DPInst.xml一样的目录下（或者将驱动程序包放在DPInst.exe所在目录的子目录下），然后运行 DPInst.exe，就可以将驱动程序包进行安装。以下是DPInst.xml的一个例子：
<?xml version="1.0"?>
<dpInst>
<search>
<subDirectory>DriverPackage</subDirectory>
</search>
<language code="0x804">
<dpinstTitle>XXX控制器USB设备驱动程序安装向导</dpinstTitle>
<welcomeTitle>
欢迎使用XXX控制器USB设备驱动程序安装向导！
</welcomeTitle>
<welcomeIntro>
此向导将帮助您安装XXX控制器USB设备驱动程序。没有该驱动程序，XXX控 制器USB设备将无法运行。
</welcomeIntro>
<eulaHeaderTitle>最终用户许可协议</eulaHeaderTitle>
<eulaYesButton>我同意此协议(&A)</eulaYesButton>
<eulaNoButton>我不同意此协议(&D)</eulaNoButton>
<installHeaderTitle>
正在为您的设备安装该驱动程序，请稍候...
</installHeaderTitle>
<finishTitle>祝贺您！该驱动程序已成功安装到了您的电脑上。</finishTitle>
<finishText>您现在可以使用XXX控制器USB设备了。</finishText>
<eula type="txt" path="CustomData/eula.txt" />
</language>
<legacyMode/>
4.4 用户程序的开发
完 成了驱动程序的开发，我们还需要完成更复杂的用户程序开发。开发用户应用程序同样需要使用到LibUSB，开发使用的编程语言可以使用任何常用的编程语 言，在Linux下一般是GCC、Kylix等；在Windows下选择就比较多一些，GCC、VC、VB、Delphi/CBC等都可以。
因 为我们平时使用Windows操作系统比较多，所以下面介绍在Windows操作系统下的LibUSB使用方法和编程，LibUSB在Win32平台下对 应的版本是LibUSB-Win32。
4.4.1 LibUSB-Win32简介
LibUSB- Win32是一个用于Windows操作系统（Win98SE、WinME、Win2k和WinXP）上的通用USB设备驱动程序。该驱动程序允许使用者 在不写任何一行核心驱动程序代码的情况下，可以访问Windows系统上的任意一个USB设备。该驱动程序具有以下特点：
l 能够与任意一个已安装的USB设备进行通信
l 可被用作自己开发的USB设备的驱动程序
l 支持批量和中断传输
l 支持USB规范中定义的所有标准设备请求
l 支持USB设备制造商的自定义请求
LibUsb-Win32是由 http://libusb-win32.sourceforge.net 发 布的，遵守GNU Lesser General Public License（LGPL）和GNU General Public License（GPL）许可协议。这些协议明确规定：允许LibUsb-Win32用于商业软件，而不只是开源软件。
4.4.2 使用LibUSB-Win32
LibUSB-Win32为C/C++程序员提供了用于开发的头文件和Lib文件，其中Lib文件还提供了 BCC、GCC和MSVC这三个版本。C/C++程序员在自己的程序中要使用LibUSB-Win32时，只需包含提供的头文件，并链接合适的Lib文件 即可。
对于Delphi程序员来说，LibUsb-Win32没有提供现成的Import Unit（导入单元文件），不过Internet上已经有程序员提供了对LibUSB-Win32的Delphi Pascal转换文件。Delphi程序员可以从 http://www.xs4all.nl/~ynlmns/ 上下载Delphi版的LibUsb-Win32文件。值得注意的是，该版LibUSB-Win32不仅提供了Import Unit（LibUSB.pas），还提供了一个DLL文件（USBLibExport.dll）。在对LibUSB-Win32编程时，这个DLL必须 作为程序的一部分，通过调用这个DLL中的函数来访问LibUSB-Win32，这样的效率比较低。本文的作者在LibUSB.pas文件的基础上进行了 分析和研究，对原LibUSB.pas做出了如下一些修改：
1) 在interface部分中，将所有导出函数声明中的调用约定“stdcall”改为了“cdecl”；
2) 在implementation部分中，将所有导出函数中external指示符后面所跟的字符串“USBLibExport.dll”改为了 “libusb0.dll”。
3) 进一步封装了LibUSB中的函数，使之和AVRUSB单片机底层函数相对应，简化了LibUSB函数的使用，方便了用户编程调用。
这 样可以不再需要使用USBLibExport.dll而直接访问LibUSB-Win32。Delphi程序员只需将修改后的LibUSB.pas包含到 自己的程序中，就可让自己的程序直接使用LibUsb-Win32了。这个修改后的LibUSB.pas文件可以在本文作者的博客上下载：
http://shaoziyang.bloger.com.cn/user2/88141/archives/2006/323777.shtml
4.4.3 常用的函数
LibUsb-Win32为开发人员提供了一套丰富的API函数，包括核心函数、设备操作、控制传输、批量传输和中断传输等几类。 下面就几个常用的函数进行一下简单介绍：
1) void usb_init(void);
该函数用于初始化 LibUSB-Win32，它必须第一个被调用。
2) int usb_find_busses(void);
查 找系统上所有的USB总线。
3) int usb_find_devices(void);
查找每 一根USB总线上的所有USB设备，该函数应该在usb_find_busses函数之后被调用。
4) struct usb_bus *usb_get_busses(void);
获取已找到的USB总线序列，返回值是一个指向USB总线 序列首地址的指针。
5) usb_dev_handle *usb_open(struct *usb_device dev);
打开一个指定的USB设备。在对某个USB设备执行任何操作之前，首先要打开该USB设备，就像打开 一个文件、打开一个句柄一样。函数的返回值是一个设备句柄，该句柄在后面与设备进行通信时会被用到。
6) int usb_close(usb_dev_handle *dev);
关闭一个指定的USB设备。在使用完某个USB设备后，应该关闭该 USB设备，这和在使用完一个句柄后需要关闭句柄是一样的。
7) int usb_control_msg(usb_dev_handle *dev, int requesttype, int request, int value, int index, char *bytes, int size, int timeout);
向USB设备发送一个 请求。函数各参数的含义如下：
dev：USB设备句柄，该参数指定了向哪个USB设备发送请求；
requesttype： 请求的类型，说明了是读请求，还是写请求。可以是标准请求、类请求或自定义请求；
request：表示具体请求的值；
value： 与请求相关的参数；
index：与请求相关的参数；
bytes：表示在数据阶段时传输的数据；
size： 表示在数据阶段时传输的数据量，以字节为单位；
timeout：请求的超时设置，最大值为5000，以毫秒为单位。
通 过使用以上七个函数，就可以与USB设备进行简单通信了，通信的主要流程可分为以下四步：
1) 调用usb_init函数，进行初始化。
2) 打开要进行通信的USB设备的句柄。首先依次调用usb_find_busses、usb_find_devices和usb_get_busses这三 个函数，获得已找到的USB总线序列；然后通过链表遍历所有的USB设备，根据已知的要打开USB设备的ID（VID/PID），找到相应的USB设备； 最后调用usb_open函数打开该USB设备（在这里假设总线上没有相同VID和PID的USB设备。如果总线上存在着相同VID和PID的设备，还需 要进行其他条件判断，比如设备名称，以保证是打开的是期望的USB设备）。
3) 与USB设备进行通信。使用usb_control_msg函数，向USB设备读取数据或写入数据。
4) 关闭USB设备。完成所有操作后，调用usb_close函数关闭已经打开的USB设备。
5 其他要注意的问题
在使用AVRUSB时，需要注意以下问题：
1. 晶体一定要使用12MHz的，误差范围在±0.2%之内。如果晶体频率误差太大，对USB通信会有一定的影响，容易造成通信失败。
2. 一个型号的AVR单片机往往分为8M／10M／16M等多个频率等级，不同的电压也有不同的频率限制（参考数据手册上相应的说明）。很多8M／10M频率 等级的单片机在12M频率下也可以使用（超频），在一般情况下没有太大的问题。不过在可能情况下应当尽量使用16M频率等级的单片机，以提高系统的稳定 性。
3. 使用AVRUSB的CDC类做USB转串口时，因为只能使用12M的晶体，所以有很多波特率的误差比较大，超过了串口通信允许的±2%误差范围。一般最好 使用2400、9600、19200等误差较小的波特率。
4. AVRUSB定义的缓冲区最大是254。通信时，一次往缓冲区写入数据不要超过缓冲区的大小，否则很容易在通信时造成数据丢失。
5. AVRUSB中使用了大量的宏定义和条件编译进行系统配置，这样造成了程序的可读性比较差，特别是刚开始时很难弄明白。而且AVRUSB没有专门的说明文 档，只有通过研究源代码以及代码中的注释来学习。但是这也是一种编程技巧和编程风格，可以有效的提高程序的代码效率。
参 考资料：
1. ATMEL公司的应用笔记《AVR309 Software Universal Serial Bus (USB)》： http://www.atmel.com/
2. AVR309的中文翻译《AVR309 软件USB》: http://shaoziyang.bloger.com.cn/
3. AVRUSB的官方开源项目PowerSwitch： http://www.obdev.at/products/avrusb/
4. 使用AVRUSB的编程器USBasp： http://www.fischl.de/usbasp/
5. LibUSB： http://libusb.sourceforge.net
6. LibUSB-Win32： http://libusb-win32.sourceforge.net
（全 文完）
原文地址： http://lionwq.spaces.eepw.com.cn/articles/article/item/16692
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AVRUSB技术探讨
作者：邵子扬、王育强、吕益光
摘 要
本文介绍了一种独特的AVR单片机和计算机进行USB通信的方法：AVRUSB。介绍了AVRUSB技术的基本原理、特点、应用，同 时还详细的介绍了AVRUSB系统的单片机软件开发和计算机软件开发的方法。
关键字：
AVRUSB，LibUSB，LibUSB- Win32
正文
1 简介
1.1 AVRUSB是什么
AVRUSB 技术是利用高性能的8位RISC架构的AVR单片机，使用单片机的IO口来模拟USB的通信端口，由软件来实现USB通信协议，将普通的AVR单片机模拟 成一个USB低速设备，从而实现AVR单片机与计算机之间的通信和控制。
AVRUSB 技术的基本原理就是利用AVR单片机的普通IO端口来模拟USB的硬件端口进行通信。因为低速USB设备的速度是1.5M位/秒，而AVR单片机是单指令 周期的，在单片机使用12MHz的时钟频率时，正好是1.5MHz的8倍。也就是说，单片机每8条指令就精确完成一个数据位的采集。采用这种方法时，对单 片机的时序要求非常严格，所以软件的核心部分代码完全由汇编语言实现。
1.2 AVRUSB的历史
AVRUSB 技术最早的文档可见于AVR的官方应用笔记《AVR309 Software Universal Serial Bus (USB)》（软件USB）一文中。在这篇应用笔记里，详细的介绍了如何使用AVR单片机的普通IO口来实现USB通信，同时介绍了计算机的驱动程序以及 计算机上用户程序的编程方法，并提供了全部源码。但是AVR309中介绍的单片机程序完全是使用汇编语言编写的，不利于将程序移植到其他应用环境中，也不 利于程序的维护（毕竟使用汇编语言的人相对比较少，使用C语言编程是大部分人的选择），这使得其应用受到了很多限制。
后 来，OBJECTIVE公司推出了AVRUSB。它以汇编语言实现USB通信的底层接口，用C语言实现用户层的程序接口。用户接口被简化为很简单的几个函 数（在最简化的情况下，只需要三个函数，一个初始化函数、一个轮询函数和一个数据处理函数）和一个配置文件，用户可以完全不会使用汇编语言编程。同时它还 提供了一个稳定而成熟的用户程序框架，用户可以在此框架的基础上，通过修改和扩展接口函数的功能来实现各种USB通信功能和控制功能，实现各种带USB接 口的应用系统。并且，AVRUSB支持目前最流行的AVR GCC编译器和IAR C编译器，因此具有很强的实用性。
1.3 AVRUSB的特点
1.3.1 低成本
传统的单片机与计算机进行USB通信，需要使用专用的接口芯片进行USB协议转换， 如CP2101、FT232、CH342、PDIUSBD12、 SL811等。象CP2101、FT232这样的芯片使用起来虽然简单，但是功能比较单一；而PDIUSBD12、SL811功能较强，但是使用复杂。并 且这些专用芯片的价格都相对较高，增加了系统的成本。而AVRUSB简单易用，成本低廉，只需要一个普通的低成本AVR单片机以及很少的几个外部元件，就 可以组成一个USB系统。
AVRUSB 的代码为AVR GCC编译器做了高度优化，同时也完全兼容于更专业的IAR C编译器。程序编译后在最小情况下还不到2KB，因此绝大部分的AVR单片机都可以使用AVRUSB（只要支持外部中断INT0，Flash容量不小于 2KB就可以实现AVRUSB的功能）。这样在很多低成本的小容量AVR单片机上也可以使用AVRUSB，如ATtiny2313、ATmega45、 ATmega48等，因此AVRUSB技术具有很高的实用价值。
1.3.2 资源丰富，容易开发
AVRUSB 提供了一个完整而又简单易用、成熟稳定的应用程序框架。这个框架包括了底层（单片机部分）和上层（PC部分），单片机可以使用gcc（或者IAR）编 程；PC上则可以使用各种通用编程软件，如Windows下使用VC、VB、Delphi、C++ Builder、BDS2006、GCC，Linux下使用GCC等等。用户可以在这个框架基础上添加和扩展各种功能，快速开发出适合于各种需求的单片机 控制系统，而且AVRUSB支持Windows、Linux、MacOS等多种操作系统，具有很好的跨平台特性。
1.4 AVRUSB的应用
AVR单片机低成本、高性能的特性，使得AVRUSB非常适合于应用到USB加密狗、USB接口的系统控制、低 速USB数据采集等，这样构成的具有USB通信功能的单片机系统比很多使用专用芯片的系统简单、成本低。
目前，AVRUSB已经 成功应用到了很多产品上，比较有名的有：USBasp(USB接口的AVR编程器)、AVRCDC(USB转RS232串口)、USB Bootlader（USB接口的Bootloader软件）等。在 http://www.obdev.at/products/avrusb/projects.html 中， 还专门列举了很多使用AVRUSB的开源项目，这些项目提供了完整的单片机程序和计算机程序的代码和原理图。我们在开发自己的AVRUSB应用时，可以参 考这些资源，在这些开源项目的基础上进行修改，快速开发出适合于自己需求的应用来。本文作者也成功的将AVRUSB用到公司的一个项目中，很好的实现了一 个USB接口的开关矩阵控制。
1.5 AVRUSB的限制
因为AVRUSB使用普通IO口模拟来 USB通信的过程，由软件实现了硬件完成的功能。而USB通信的速率是比较高的。因此，在进行USB通信时单片机的CPU占用率比较高的（大于90%）。
另 外，因为受到单片机的处理能力限制，所以通信的数据处理能力不是很强，最大数据处理速度约为20k/s，因此AVRUSB不适合用于大数据量通信的应用场 合。
2 硬件结构
构成一个AVRUSB系统的硬件结构非常简单，只需要一个普通的AVR单片 机（大部分型号都可以），再加上少量的外部元件（晶体、几个电阻以及可选的稳压二极管等），就组成了一个基本的AVRUSB系统，如图1。
图1. AVRUSB的基本硬件接口
图中的单片机以ATmega8为例。数据线D-上的上拉电 阻R4用来通知计算机这是一个低速USB设备（这是在USB规范中定义的，更多内容请参考 AVR309以及USB的官方文档）。12MHz晶体和两个22p的电容C2和C3组成单片机运行所必须的时钟。D+ 和D- 数据线可使用单片机的任意IO端口，但是必须使用相同的IO端口。在这里D+ 连接到PB1，D- 连接到PB0。此外数据线D+还需要连接到INT0上，这是为了在不同的AVR单片机中使用AVRUSB时有更好的适应性和兼容性，无需修改底层核心部分 程序的代码。如果D-连接到端口D上（就是和INT0同一端口中），同时D+只连接到INT0，还可以节省出一个端口来。
电阻 R2、R3起到限流和保护作用，防止在意外情况下损坏计算机的USB端口或单片机的端口。单片机所需的电源Vcc可由USB的5V输出电源直接提供，或者 由USB的5V电源转换得到（如LDO、稳压二极管等），或者通过电池等其他外部电源来供电。
D+ 和D-上的3.6V稳压二极管D1和D2起到限制数据线上的电平的作用。因为在USB规范中规定数据线D+和D-上的电平范围是3.0V至3.6V，而 AVR单片机的输出电平是Vcc。如果单片机的Vcc是5V，在没有D1和D2的情况下将造成电平不匹配，会造成在很多计算机中无法正确识别出USB设 备。如果用户系统的Vcc在3.0V至3.6V之间，就可以省略这两个稳压二极管。从这里也可以看出用户系统的Vcc必须高于3V。
上 面硬件就组成了一个最小的AVRUSB系统，它能够和计算机进行USB通信。在上面最小系统的基础上，如果添加一个红外传感器，就可以接收发送红外信号， 就是一个USB红外控制器；如果添加一个MAX202，就是一个带缓冲的USB <-> RS232串口转换器；如果加入ADC转换功能，就是USB的数据采集器；如果加入ADC和电源控制，就能够实现一个简单实用的USB充电器……各种功能 的AVRUSB系统都是在这个最小系统的基础上，添加不同功能的外围模块或接口来实现的。
3 单片机程序的开发
要使用AVRUSB，就需要在单片机中开发合适的软件，实现特定的功能。下面将具体介绍开发需要使用的工具软件和开发的步骤。
3.1 开发环境
AVRUSB可使用AVR GCC编译器或IAR C编译器。因为AVRUSB特别为AVR GCC编译器做了优化，并且AVR GCC还是免费软件，使用非常广泛，是目前AVR单片机主要的开发工具软件之一，所以我们下面以AVR GCC为例来介绍。
在 Windows操作系统下开发时，使用WinAVR中带有的AVR GCC编译器；代码编辑、仿真和调试使用了Atmel公司的AVR Studio，这个IDE的好处是不需要用手工修改makefile配置文件，减少了初学者的使用难度。如果希望使用其他IDE或编辑软件作为开发工具也 可以，下面的使用步骤也是类似的。如果是在Linux操作系统下开发，可以使用Linux版本的AVR GCC，以及其他工具软件进行编辑和调试。
3.2 建立项目文件
要将AVRUSB加入到自己的程序中，首先需要在AVR Studio中建立一个新的项目（Project），然后将AVRUSB所需要的文件复制到项目文件的文件夹中（当然也可以不用复制文件，只添加已经存在 的AVRUSB的文件路径到项目中也可以，但是将项目的所有文件放在一个文件夹下更容易对整个项目进行维护）。一般来说，凡是使用AVRUSB的项目，在 项目文件夹下都会单独存放一个USBDRV的文件夹，里面存放着所有与AVRUSB相关的文件。AVRUSB包含了多个文件，但是我们只需要添加以下几个 文件到项目中：
usbconfig.h 用户配置文件
iarcompat.h 为兼容IAR编译器而定义的宏
usbdrv.h usb驱动接口文件的头文件
usbdrv.c usb驱动接口文件
usbdrvasm.asm 为兼容IAR编译器而使用的底层接口函数文件的别名
usbdrvasm.S 汇编语言编写的底层接口函数
oddebug.h 调试用函数的头文件（不使用调试功能时可以不添加）
oddebug.c 包含调试用的函数（不使用调试功能时可以不添加）
注意到上面的文件除了usbconfig.h外，都在USBDRV文件夹中。在 USBDRV文件夹中一般都有一个usbconfig- prototype.h文件，这个文件是用户配置文件usbconfig.h的原始模板，我们需要将这个文件复制到项目文件夹中并将它改名为 usbconfig.h。复制后，还需要再添加USBDRV文件夹的路径到项目的包含路径中，这样在编译时才可以正确找到上面的文件，如图二（因为 USBDRV文件夹在项目文件夹下，所以显示出的是相对路径）。如果不使用AVR Studio，也可以使用其他的IDE软件或编辑软件，但是可能会需要用户自行手工修改项目配置文件makefile，具体做法这里就不做介绍了。
图2. 添加USBDRV路径到项目中
3.3 参数配置
在编译项目之前，除了需 要对项目本身的参数进行配置外（如AVR单片机的型号、系统时钟频率、代码优化等级等），还需要对AVRUSB的参数进行配置，这样才能产生出正确的代 码。AVRUSB中包含的参数虽然看起来很多，其实配置起来很容易。在用户配置文件usbconfig.h中存放了所有与USB相关的配置参数，配置参数 都是以宏定义的方式给出，配置参数的过程就是修改相关的宏定义。只要修改这个文件中的参数就可以实现不同的功能，其它的文件不用修改。
为 了获得尽可能高的效率，AVRUSB中使用了大量的宏定义和条件编译，用以获得最小的代码大小和最快的运行速度。配置文件usbconfig.h中的参数 非常多，表1列出了主要需要修改的参数。一般的情况下只要修改这几个参数就可以了，其它的参数可以根据用户的实际需求做适当的修改。
表 1：usbconfig.h中的主要参数
USB_CFG_IOPORTNAME
定义USB数据线使用的端口。只要是通用的IO都可以，没有特殊的要求。
USB_CFG_DMINUS_BIT
USB数据线D-使用的引脚。
USB_CFG_DPLUS_BIT
USB数据线D+使用的引脚。因为D+要求同时连接到INT0上，所以一般情况下需要使用3个IO口。如果D+使用的引脚就是INT0，那么可以少使用一 个IO端口。
USB_CFG_VENDOR_ID
设备生产商的ID号
USB_CFG_DEVICE_ID
设备的产品ID号。这两个参数就是Windows识别USB设备的主要参数。需要注意的是，这两个参数都是低字节在前，高字节在后。
USB_CFG_DEVICE_VERSION
设备的版本号次版本号在前，主版本号在后。在Windows的设备管理中可以看到这个版本号
USB_CFG_VENDOR_NAME
设备生产商的名称，它在Windows的设备管理中可以看到。这里一般写入的是网址。
USB_CFG_VENDOR_NAME_LEN
设备生产商名称的长度。
USB_CFG_DEVICE_NAME
设备的名称，它在Windows的设备管理中可以看到。设备名称和生产商的名称都是以字符的方式定义的，它们目前不支持中文。
USB_CFG_DEVICE_NAME_LEN
设备名称的长度。
3.4 主要接口函数
配置好参数，就可以开始编写用户程序了。用户程序和计算机之间 的USB通信是通过AVRUSB提供的接口函数完成的，接口函数有6个，下面将分别介绍。
3.4.1 初始化函数
在使 用AVRUSB前，需要进行必要的初始化，这通过调用初始化函数usbInit()完成。一般是在程序其他部分初始化完成后再调用函数 usbInit()，最后再调用sei()函数允许中断。
void main()
{
…
usbInit();
sei();
…
while(1) //主循环
{
…
}
}
3.4.2 USB事件处理函数
在 用户程序的主循环中需要定期调用USB事件处理函数usbPoll()。USB事件处理函数usbPoll()在没有USB事件需要处理时将直接返回，否 则将调用内部函数进行相应的事件处理，最后再将数据通过传递到后面介绍的用户接口函数中。通常的用法是：
while(1) //主循环
{
usbPoll(); //USB事件处理
…… //其他用户事件
}
一 次USB通信的超时时间是50ms。所以在编程时注意其他事件不要占用太长的时间，使得usbPoll()函数不能及时执行。
3.4.3 用户事件接口函数
在用户程序中需要编写USB用户事件接口函数，完成USB通信。AVRUSB将用户接口简化为以下3个函数，这三个函数需要 用户进行编程处理，它们将完成USB通信的数据处理。
usbFunctionWrite 主机向单片机写入数据
usbFnctionRead 主机从单片机中读取数据
usbFunctionSetup 一般功能设置
函数usbFunctionSetup 负责传递USB请求，参数存放在一个8字节的数组中(uchar data[8])，其的含义是：
uchar requestType; //[0] 请求类型
uchar request; //[1] 请求的内容
unsigned value; //[2], [3] 参数
unsigned index; //[4], [5] 序号
unsigned length; //[6], [7] 长度
在一般情况下，除了data[0]和data[1]用于存放USB事件的请求参 数外，data[2]至data[7]都可以传递用户参数。这样在数据量非常小的时候，通过usbFunctionSetup就可以完成全部参数传递了， 不需要使用函数usbFnctionRead和 usbFunctionWrite。这时可以在usbconfig.h中将宏USB_CFG_IMPLEMENT_FN_READ和 USB_CFG_IMPLEMENT_FN_WRITE设置为0，禁止使用函数usbFnctionRead和usbFunctionWrite，这样可 以节省出不少代码空间。
在传递的数据比较多时，就需要使用usbFunctionWrite和usbFnctionRead函数了。这两 个函数具有相同的参数(uchar *data, uchar len)，len表示参数的数量，*data指向数据缓冲区。在编程时，一般是先在usbFunctionSetup函数中根据计算机发送过来的请求类型 和参数来设置一个全局标志，然后在usbFunctionWrite和usbFnctionRead函数中根据相应全局标志进行不同的功能处理。
3.4.4 数据校验
为了保证USB数据通信的可靠，避免传输中出现误码，还应当对数据进行校验。USB通信使用了CRC校验来保证通信的可靠性，数据校 验的方法是调用usbCrc16()函数，函数的使用方法是：
crc = usbCrc16((uchar *)(unsigned)(usbAppBuf + 1), usbRxLen - 3);
USB数据缓冲区中存放的校验结果在
((uchar *)(unsigned)(usbAppBuf + 1))[usbRxLen - 3] 和
((uchar *)(unsigned)(usbAppBuf + 1))[usbRxLen - 2] 两个字节中。
将计算结果和缓冲区的数据进行比 较就可以知道通信缓冲区中的数据是否正确了。需要注意的是usbCrc16函数并不是在用户程序中调用的，而是在 usbdrv.c文件中的usbPoll函数中。在usbPoll函数的开始部分有一段注释，解释了可以在此调用usbCrc16函数。
在 很多 AVRUSB项目中（如USBasp）并没有处理CRC校验，这是因为在USB通信中对时间要求比较严格，AVRUSB在底层处理时来不及进行数据校验， 所以底层函数在接收到数据后就直接将ACK信号发送回去了。这样即使在数据校验中发现了错误，也不能由底层函数报告给计算机，只能在用户程序中向计算机发 出错误报告。在一般要求不高的应用中可以不进行数据校验，以简化程序结构。但是在要求比较高的控制系统中应当进行CRC校验，使得整个系统具有更高的可靠 性。当然，用户也可以不使用比较耗时的CRC校验而用其他方法建立起自己的数据错误处理机制。
4 计算机程序编程
计算机程序的编程主要包括了驱动程序的设计和用户程序的开发，每个部分又包含了很多内容。
4.1 PID和VID
每种USB设备都有一个PID和VID。VID是生产商的代号，PID是产品的代号，每个代号都是一个双字节的整数。PID和 VID不能随意设置，它是由 USB标准协会进行分配的，就像IP地址的分配一样。一个USB的PID/VID许可需要花费1500美元，在很多情况下，特别对小公司是一个很大的费 用。针对这种情况，AVRUSB提供了3个免费的PID/VID对，分别适用于HID类、CDC类和通用类设备，使用AVRUSB的用户可以免费使用它 们，这样对于大多数应用来说就不用再自己去申请PID/VID了。
表二：免费的PID/VID对
VID
PID
控制类
0x16C0
0x05DC
CDC类
0x16C0
0x05DF
HID类
0x16C0
0x05E1
PID和VID在驱动程序和 用户程序中都将用到，它是windows识别USB设备的关键参数，用户程序也需要通过PID和VID来查找相应的USB设备。
4.2 USB设备类型
AVRUSB 有多个版本，早期的版本只支持控制类的USB设备和最多两个节点，而最新的版本还可以支持CDC类（串口类）和HID类（人体工学设备）以及最多4个节 点。CDC类和HID类都无需自己编写Windows的驱动程序（Windows自带）。AVRUSB的作者不推荐使用CDC类的方式（据说是因为在有些 计算机上兼容性不好），而推荐使用HID类，但是使用HID类的应用目前还不是很多，支持的程序也比较少。本文将只介绍应用最广泛的控制类设备的编程方 法。
4.3 驱动程序
对于每种USB设备，都需要有相应的驱动程序。只有安装了驱动程序后，USB设备才 能被操作系统所识别，设备才能正常工作。每个驱动程序都包含了底层驱动程序、设备描述文件等几部分。
虽然现在已经有很多优秀的开 发底层驱动程序的工具，但是对于一般用户来说开发驱动程序还是一件比较复杂的事情。AVRUSB的底层驱动程序使用了 LibUSB，这是一个很有名的开源USB驱动程序，支持多种操作系统平台，在Windows操作系统下对应的版本是LibUSB-Win32。也就是 说，计算机上的USB底层驱动程序不需要用户自己再编写了，直接使用LibUSB就行了，用户只需要编写设备描述文件。设备描述文件是一个文本文件，用于 说明设备的参数，主要就是设备的PID、VID、设备名称、使用的底层驱动程序名称等。
4.3.1 定制自己的USB设备驱动程序
要想让LibUsb-Win32成为自己开发的USB设备的驱动程序，只需对LibUsb-Win32提供的 libusb.inf设备信息文件（INF）的内容按照其中的注释给出的说明进行适当的修改即可。其中最重要的修改是对VID/PID的修改，将文件中的 VID/PID值替换为自己开发的USB设备的 VID/PID值（也就是上面表二给出的值）。其它可以修改的内容还有设备制造商名称，设备描述字符串等等。
以 LibUSB-Win32的0.1.10.1版本为例，一个使用LibUSB的USB设备驱动程序包至少要包含以下的3个文件：libusb0.sys、 libusb0.dll和libusb.inf。在LibUsb-Win32的0.1.10.1版本中，还提供了一个用于自动生成INF文件的向导工具。 该工具位于libusb-win32-device-bin-0.1.10.1/bin目录下，文件名为inf-wizard.exe。通过使用该向导工 具，可以方便地生成与自己开发的USB设备相关的INF文件。需要注意的是，该向导工具不仅生成了一个INF文件，同时也生成了一个安全目录文件 （*.cat），该文件包含的由Microsoft提供的对将要安装到Windows系统上的驱动程序文件的数字签名。如果没有这样的安全目录文件，需要 从生成的INF文件中删除掉“Version“部分中的“CatalogFile“内容。
4.3.2 预安装USB设备的驱动程序
通过“找到新硬件向导“的方式来安装设备的驱动程序作为Windows系统的一种标准方式已经使用很多年了，每当我 们加入一个新的设备到计算机上时，Windows会提示我们发现一个新的设备，然后进一步提示我们去查找并安装相应的驱动程序。这个步骤对于终端用户来说 还是不太方便，对他们而言，希望只要将新的硬件装（插）到Windows系统上就可以使用了，而无需再做其它额外的工作。
Microsoft 已经认识到了这个问题，并已制作了一套能够在Win2000及更高版本的操作系统上使用的驱动程序安装工具——Driver Install Frameworks (DIFx)。这些工具能够进行驱动程序的预安装，即新硬件在系统上可用之前安装驱动程序。这允许当一个匹配的设备首次被连接到电脑上时，相应的驱动程序 能够被自动装载。
Driver Package Installer（DPInst）是DIFx工具集中的工具之一，该工具提供了进行驱动程序预安装的最简单也是最常用的方法。DPInst由 DPInst.exe和DPInst.xml这两个文件组成，其中DPInst.xml是一个可以对安装过程进行配置的文件。将驱动程序包放在与 DPInst.exe和DPInst.xml一样的目录下（或者将驱动程序包放在DPInst.exe所在目录的子目录下），然后运行 DPInst.exe，就可以将驱动程序包进行安装。以下是DPInst.xml的一个例子：
<?xml version="1.0"?>
<dpInst>
<search>
<subDirectory>DriverPackage</subDirectory>
</search>
<language code="0x804">
<dpinstTitle>XXX控制器USB设备驱动程序安装向导</dpinstTitle>
<welcomeTitle>
欢迎使用XXX控制器USB设备驱动程序安装向导！
</welcomeTitle>
<welcomeIntro>
此向导将帮助您安装XXX控制器USB设备驱动程序。没有该驱动程序，XXX控 制器USB设备将无法运行。
</welcomeIntro>
<eulaHeaderTitle>最终用户许可协议</eulaHeaderTitle>
<eulaYesButton>我同意此协议(&A)</eulaYesButton>
<eulaNoButton>我不同意此协议(&D)</eulaNoButton>
<installHeaderTitle>
正在为您的设备安装该驱动程序，请稍候...
</installHeaderTitle>
<finishTitle>祝贺您！该驱动程序已成功安装到了您的电脑上。</finishTitle>
<finishText>您现在可以使用XXX控制器USB设备了。</finishText>
<eula type="txt" path="CustomData/eula.txt" />
</language>
<legacyMode/>
4.4 用户程序的开发
完 成了驱动程序的开发，我们还需要完成更复杂的用户程序开发。开发用户应用程序同样需要使用到LibUSB，开发使用的编程语言可以使用任何常用的编程语 言，在Linux下一般是GCC、Kylix等；在Windows下选择就比较多一些，GCC、VC、VB、Delphi/CBC等都可以。
因 为我们平时使用Windows操作系统比较多，所以下面介绍在Windows操作系统下的LibUSB使用方法和编程，LibUSB在Win32平台下对 应的版本是LibUSB-Win32。
4.4.1 LibUSB-Win32简介
LibUSB- Win32是一个用于Windows操作系统（Win98SE、WinME、Win2k和WinXP）上的通用USB设备驱动程序。该驱动程序允许使用者 在不写任何一行核心驱动程序代码的情况下，可以访问Windows系统上的任意一个USB设备。该驱动程序具有以下特点：
l 能够与任意一个已安装的USB设备进行通信
l 可被用作自己开发的USB设备的驱动程序
l 支持批量和中断传输
l 支持USB规范中定义的所有标准设备请求
l 支持USB设备制造商的自定义请求
LibUsb-Win32是由 http://libusb-win32.sourceforge.net 发 布的，遵守GNU Lesser General Public License（LGPL）和GNU General Public License（GPL）许可协议。这些协议明确规定：允许LibUsb-Win32用于商业软件，而不只是开源软件。
4.4.2 使用LibUSB-Win32
LibUSB-Win32为C/C++程序员提供了用于开发的头文件和Lib文件，其中Lib文件还提供了 BCC、GCC和MSVC这三个版本。C/C++程序员在自己的程序中要使用LibUSB-Win32时，只需包含提供的头文件，并链接合适的Lib文件 即可。
对于Delphi程序员来说，LibUsb-Win32没有提供现成的Import Unit（导入单元文件），不过Internet上已经有程序员提供了对LibUSB-Win32的Delphi Pascal转换文件。Delphi程序员可以从 http://www.xs4all.nl/~ynlmns/ 上下载Delphi版的LibUsb-Win32文件。值得注意的是，该版LibUSB-Win32不仅提供了Import Unit（LibUSB.pas），还提供了一个DLL文件（USBLibExport.dll）。在对LibUSB-Win32编程时，这个DLL必须 作为程序的一部分，通过调用这个DLL中的函数来访问LibUSB-Win32，这样的效率比较低。本文的作者在LibUSB.pas文件的基础上进行了 分析和研究，对原LibUSB.pas做出了如下一些修改：
1) 在interface部分中，将所有导出函数声明中的调用约定“stdcall”改为了“cdecl”；
2) 在implementation部分中，将所有导出函数中external指示符后面所跟的字符串“USBLibExport.dll”改为了 “libusb0.dll”。
3) 进一步封装了LibUSB中的函数，使之和AVRUSB单片机底层函数相对应，简化了LibUSB函数的使用，方便了用户编程调用。
这 样可以不再需要使用USBLibExport.dll而直接访问LibUSB-Win32。Delphi程序员只需将修改后的LibUSB.pas包含到 自己的程序中，就可让自己的程序直接使用LibUsb-Win32了。这个修改后的LibUSB.pas文件可以在本文作者的博客上下载：
http://shaoziyang.bloger.com.cn/user2/88141/archives/2006/323777.shtml
4.4.3 常用的函数
LibUsb-Win32为开发人员提供了一套丰富的API函数，包括核心函数、设备操作、控制传输、批量传输和中断传输等几类。 下面就几个常用的函数进行一下简单介绍：
1) void usb_init(void);
该函数用于初始化 LibUSB-Win32，它必须第一个被调用。
2) int usb_find_busses(void);
查 找系统上所有的USB总线。
3) int usb_find_devices(void);
查找每 一根USB总线上的所有USB设备，该函数应该在usb_find_busses函数之后被调用。
4) struct usb_bus *usb_get_busses(void);
获取已找到的USB总线序列，返回值是一个指向USB总线 序列首地址的指针。
5) usb_dev_handle *usb_open(struct *usb_device dev);
打开一个指定的USB设备。在对某个USB设备执行任何操作之前，首先要打开该USB设备，就像打开 一个文件、打开一个句柄一样。函数的返回值是一个设备句柄，该句柄在后面与设备进行通信时会被用到。
6) int usb_close(usb_dev_handle *dev);
关闭一个指定的USB设备。在使用完某个USB设备后，应该关闭该 USB设备，这和在使用完一个句柄后需要关闭句柄是一样的。
7) int usb_control_msg(usb_dev_handle *dev, int requesttype, int request, int value, int index, char *bytes, int size, int timeout);
向USB设备发送一个 请求。函数各参数的含义如下：
dev：USB设备句柄，该参数指定了向哪个USB设备发送请求；
requesttype： 请求的类型，说明了是读请求，还是写请求。可以是标准请求、类请求或自定义请求；
request：表示具体请求的值；
value： 与请求相关的参数；
index：与请求相关的参数；
bytes：表示在数据阶段时传输的数据；
size： 表示在数据阶段时传输的数据量，以字节为单位；
timeout：请求的超时设置，最大值为5000，以毫秒为单位。
通 过使用以上七个函数，就可以与USB设备进行简单通信了，通信的主要流程可分为以下四步：
1) 调用usb_init函数，进行初始化。
2) 打开要进行通信的USB设备的句柄。首先依次调用usb_find_busses、usb_find_devices和usb_get_busses这三 个函数，获得已找到的USB总线序列；然后通过链表遍历所有的USB设备，根据已知的要打开USB设备的ID（VID/PID），找到相应的USB设备； 最后调用usb_open函数打开该USB设备（在这里假设总线上没有相同VID和PID的USB设备。如果总线上存在着相同VID和PID的设备，还需 要进行其他条件判断，比如设备名称，以保证是打开的是期望的USB设备）。
3) 与USB设备进行通信。使用usb_control_msg函数，向USB设备读取数据或写入数据。
4) 关闭USB设备。完成所有操作后，调用usb_close函数关闭已经打开的USB设备。
5 其他要注意的问题
在使用AVRUSB时，需要注意以下问题：
1. 晶体一定要使用12MHz的，误差范围在±0.2%之内。如果晶体频率误差太大，对USB通信会有一定的影响，容易造成通信失败。
2. 一个型号的AVR单片机往往分为8M／10M／16M等多个频率等级，不同的电压也有不同的频率限制（参考数据手册上相应的说明）。很多8M／10M频率 等级的单片机在12M频率下也可以使用（超频），在一般情况下没有太大的问题。不过在可能情况下应当尽量使用16M频率等级的单片机，以提高系统的稳定 性。
3. 使用AVRUSB的CDC类做USB转串口时，因为只能使用12M的晶体，所以有很多波特率的误差比较大，超过了串口通信允许的±2%误差范围。一般最好 使用2400、9600、19200等误差较小的波特率。
4. AVRUSB定义的缓冲区最大是254。通信时，一次往缓冲区写入数据不要超过缓冲区的大小，否则很容易在通信时造成数据丢失。
5. AVRUSB中使用了大量的宏定义和条件编译进行系统配置，这样造成了程序的可读性比较差，特别是刚开始时很难弄明白。而且AVRUSB没有专门的说明文 档，只有通过研究源代码以及代码中的注释来学习。但是这也是一种编程技巧和编程风格，可以有效的提高程序的代码效率。
参 考资料：
1. ATMEL公司的应用笔记《AVR309 Software Universal Serial Bus (USB)》： http://www.atmel.com/
2. AVR309的中文翻译《AVR309 软件USB》: http://shaoziyang.bloger.com.cn/
3. AVRUSB的官方开源项目PowerSwitch： http://www.obdev.at/products/avrusb/
4. 使用AVRUSB的编程器USBasp： http://www.fischl.de/usbasp/
5. LibUSB： http://libusb.sourceforge.net
6. LibUSB-Win32： http://libusb-win32.sourceforge.net
（全 文完）
原文地址： http://lionwq.spaces.eepw.com.cn/articles/article/item/16692
有空了上传我做的一个基于USBASP+mega8的红外解码作品。
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Posted: 2008-08-15 10:44 |
[楼 主]
power
  胖子  级别: 工程师 精华: 1 发帖: 367 威望: 66 点 电子币: 421 元 贡献值: 1050 点 在线时间:140(小时) 注册时间:2007-06-19 最后登录:2010-01-22 |
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Posted: 2008-08-16 12:39 |
1 楼
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alico
  々飘一族∮ 级别: 工程师 精华: 2 发帖: 140 威望: 27 点 电子币: 245 元 贡献值: 331 点 在线时间:76(小时) 注册时间:2008-08-13 最后登录:2008-11-27 |
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Posted: 2008-08-16 14:34 |
2 楼
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tjdp
 级别: 新手上路 精华: 0 发帖: 16 威望: 1 点 电子币: 16 元 贡献值: 0 点 在线时间:6(小时) 注册时间:2008-09-03 最后登录:2009-04-28 |
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Posted: 2008-09-05 15:45 |
3 楼
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skyxjh
 级别: 初级技术员 精华: 0 发帖: 119 威望: 38 点 电子币: 133 元 贡献值: 10 点 在线时间:106(小时) 注册时间:2009-11-12 最后登录:2010-03-07 |
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Posted: 2009-12-06 18:45 |
4 楼
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| chenrongde
级别: 新手上路 精华: 0 发帖: 40 威望: 1 点 电子币: 40 元 贡献值: 0 点 在线时间:6(小时) 注册时间:2009-12-05 最后登录:2010-02-11 |
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Posted: 2009-12-07 08:28 |
5 楼
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