USB 外设使用

外设介绍

USB（通用串行总线）是为了统一电脑外设接口而生的高速串行通信标准，最大特点是即插即用和热插拔，同时能供电。

核心特征

拓扑结构：严格的主从模式，主机（Host）管理一切，支持树状扩展（最多 127 个设备）。

差分信号：用 D+、D- 两根数据线差分传输，抗干扰强。

速度代际：USB 2.0 达 480 Mbps，USB 3.x/4 更高达数十 Gbps。

供电能力：默认 5V，最大从 500mA (2.0) 提升到最高 240W (PD 协议)，可边传数据边充电。

接口多样：Type-A（主机常见）、Type-B（设备端）、Type-C（正反插，功能更全）等。

使用方法

由于 USB 是一类通用接口，对于不同类型、不同协议的 USB 设备，Python 提供了不同接口，下面介绍 3 种常见的 Python-USB 接口：USB 串口、USB 摄像头和 USB 语音设备。

USB 串口

串口通信最常见就是通过 USB 转串口模块（如 CH340、CP2102）连接设备，在电脑上映射成一个 COM 口（Linux 下是 /dev/ttyUSB0 等）。Python 里推荐用 pyserial，可以使用 pip 安装。

pip install pyserial

一般调用流程：列出可用的串口设备 --> 打开串口 --> 发送/接收数据 --> 关闭串口

# 必要的引用
import serial
import serial.tools.list_ports

# 列出可用串口
ports = serial.tools.list_ports.comports()
for p in ports:
    print(p.device, p.description)
    
# 打开串口
ser = serial.Serial(
    port='/dev/ttyUSB0',          # 根据实际选择
    baudrate=115200,              # 波特率
    timeout=1                     # 读超时（秒），设为 None 则阻塞
)

# 发送数据
ser.write(b'Hello UART\r\n')

# 读取数据
data = ser.read(10) # 读 10 个字节，超时返回少于 10 字节

ser.close()

USB 摄像头

USB 摄像头一般是免驱 UVC 协议，在系统里被识别为视频设备，用 OpenCV 调用非常方便，可以使用 pip 安装。

pip install opencv-python

一般调用流程：打开摄像头 --> 设置摄像头属性 --> 读取视频帧 --> 关闭摄像头

# 必要的引用
import cv2

# 打开摄像头
cap = cv2.VideoCapture(0)

# 可选：设置分辨率和帧率，要根据实际设备支持的分辨率来设定
cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 640)
cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 480)
cap.set(cv2.CAP_PROP_FPS, 30)

# 循环读取视频帧
while True:    
    ret, frame = cap.read()   # ret 为布尔值，frame 是图像矩阵 
        
    # 处理图像（如显示、分析） 
    # ...
    
cap.release()

USB 音频设备

对于 USB 音频设备，绝大多数情况下也不需要直接操作 USB 协议。这些设备遵循标准的 USB Audio Class（UAC）规范，操作系统会直接识别成常规音频设备。Python 推荐使用 sounddevice 库进行录音和播放，配合 soundfile 轻松读写 WAV 文件。

安装依赖：

pip install sounddevice soundfile numpy

一般录音流程：

import sounddevice as sd
import soundfile as sf

duration = 5  # 录音秒数
# 使用默认输入设备，也可通过 sd.query_devices() 查看设备列表后指定 device=索引
samplerate = int(sd.query_devices(kind='input')['default_samplerate'])  # 使用设备默认采样率
print(f"录音中，采样率 {samplerate} Hz ...")
recording = sd.rec(int(duration * samplerate), samplerate=samplerate, channels=1, dtype='int16')
sd.wait()  # 等待录音结束

sf.write('default_mic.wav', recording, samplerate)
print("已保存 default_mic.wav")

一般播放流程为：

import sounddevice as sd
import soundfile as sf

data, samplerate = sf.read('default_mic.wav')
print(f"播放中，采样率 {samplerate} Hz ...")
sd.play(data, samplerate)
sd.wait()  # 等待播放结束
print("播放完毕")

示例应用

USB 摄像头使用

硬件连接

将 USB 摄像头接入 RDK S600 开发板的 USB 接口。

软件调用

以 Python 为例，下面展示如何使用 OpenCV 调用 Camera，

import cv2

cap = cv2.VideoCapture(0)
if not cap.isOpened():
    print("无法打开摄像头")
    exit()

cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 640)
cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 480)

ret, frame = cap.read()
if not ret:
    exit()

cv2.imwrite('capture.jpg', frame)
print("截图已保存为 capture.jpg")

cap.release()

将程序保存为文件，例如 test_usb_camera.py。

保证 USB 摄像头接入了设备，然后使用 python3 test_usb_camera.py 运行，如果正常就可以看到目录下保存了图片文件。

USB 音频设备使用

硬件连接

将 USB 麦克风（或带麦克风的 USB 摄像头等）设备接入 RDK S600 开发板的 USB 接口。

软件调用

以 Python 为例，下面展示如何录制一段音频，播放并保存为 WAV 文件。

import sounddevice as sd
import soundfile as sf
import numpy as np

devices = sd.query_devices()

# 输入设备
in_idx = sd.default.device[0]
for i, d in enumerate(devices):
    if d['max_input_channels'] > 0 and 'USB' in d['name']:
        in_idx = i
        break

rates = [96000, 48000, 44100, 32000, 22050, 16000, 11025, 8000]
sr = 48000
for r in rates:
    try:
        sd.check_input_settings(device=in_idx, samplerate=r, channels=1, dtype='int16')
        sr = r
        break
    except:
        pass

print(f"录音中... 设备索引 {in_idx}，采样率 {sr} Hz")
rec = sd.rec(int(3 * sr), samplerate=sr, channels=1, dtype='int16', device=in_idx)
sd.wait()
sf.write('usb_mic.wav', rec, sr)
print("已保存 usb_mic.wav")

# 输出设备
out_idx = sd.default.device[1]
for i, d in enumerate(devices):
    if d['max_output_channels'] > 0 and 'USB' in d['name']:
        out_idx = i
        break

dev_sr = int(devices[out_idx]['default_samplerate'])

if sr != dev_sr:
    dur = len(rec) / sr
    n = int(dur * dev_sr)
    if rec.ndim == 1:
        rec = np.interp(np.linspace(0, len(rec) - 1, n), np.arange(len(rec)), rec)
    else:
        out = np.zeros((n, rec.shape[1]))
        for c in range(rec.shape[1]):
            out[:, c] = np.interp(np.linspace(0, len(rec) - 1, n), np.arange(len(rec)), rec[:, c])
        rec = out.astype(rec.dtype)

print(f"播放中... 设备索引 {out_idx}，采样率 {dev_sr} Hz")
sd.play(rec, dev_sr, device=out_idx)
sd.wait()
print("播放完毕")

将程序保存为文件，例如 test_usb_audio.py。

保证 USB 麦克风（或带麦克风的 USB 摄像头等）已接入设备，然后使用 python3 test_usb_audio.py 运行，根据输出提示，录音中... 时说话，播放中... 时将录音内容播放，录音内容保存为 usb_mic.wav 。