手把手一起完成 Python 上位机与下位机 USB 通信

USB 通信是嵌入式开发中常见的功能之一，上位机（通常是电脑）可以通过 USB 接口与下位机（通常是 MCU 开发板或其他硬件设备）进行数据交换。本文将带你一步步完成基于 Python 的上位机与下位机 USB 通信示例，包括代码实现、图解和详细说明。

一、USB 通信的基础概念

1.1 什么是 USB 通信？

USB（Universal Serial Bus）是计算机与外部设备之间通信的标准接口。通过 USB 通信，上位机和下位机可以交换指令和数据。

1.2 常见的 USB 通信模式

• HID（Human Interface Device）：用于鼠标、键盘等设备。
• CDC（Communications Device Class）：用于串口通信。
• Bulk（大容量传输）：用于文件传输。
• ISO（同步传输）：用于音频或视频设备。

1.3 本文通信模型

我们将采用 虚拟串口通信（CDC 模式） 的方式。即：

• 下位机通过 USB 转换为虚拟串口。
• 上位机通过 Python 访问该虚拟串口进行通信。

二、环境准备

2.1 硬件

• 一块支持 USB 串口通信的开发板（如 Arduino、ESP32、STM32）。
• USB 数据线。

2.2 软件

• Python（建议使用 Python 3.7+）。
• 必要的 Python 库：pyserial。

安装 pyserial：

pip install pyserial

三、下位机程序示例

以 Arduino 为例，实现一个简单的 USB 通信功能。

3.1 Arduino 下位机代码

void setup() {
  Serial.begin(9600);  // 初始化串口，波特率为 9600
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {  // 检测是否有数据从上位机发送过来
    String data = Serial.readString();  // 读取上位机发送的数据
    Serial.print("收到数据: ");        // 返回收到的数据
    Serial.println(data);
  }
}

• 说明：

  • 使用 Serial 类与上位机通信。
  • 上位机发送任意数据，下位机将其接收并回复。

3.2 上传代码到开发板

• 使用 Arduino IDE 或其他编程工具，将代码上传到开发板。

四、上位机 Python 程序

使用 pyserial 库与下位机通信。

4.1 代码示例

import serial
import time

# 配置串口
ser = serial.Serial(
    port="COM3",      # 替换为你的设备端口
    baudrate=9600,    # 波特率，与下位机一致
    timeout=1         # 超时时间（秒）
)

# 等待设备初始化
time.sleep(2)

print("开始通信...")

try:
    while True:
        # 发送数据到下位机
        data_to_send = input("输入要发送的数据：")
        ser.write(data_to_send.encode("utf-8"))  # 编码后发送

        # 接收下位机返回的数据
        response = ser.readline().decode("utf-8").strip()
        if response:
            print(f"下位机回复: {response}")
except KeyboardInterrupt:
    print("通信结束！")
    ser.close()

五、运行结果

1. 硬件连接

   • 使用 USB 数据线将开发板连接到电脑。
   • 在设备管理器中找到开发板的虚拟串口号（如 COM3）。

2. 运行程序

   • 启动上位机程序，输入需要发送的数据：

     输入要发送的数据：Hello
     下位机回复: 收到数据: Hello

3. 下位机输出

   • 通过串口监视器可以看到下位机的输出：

     收到数据: Hello

六、图解 USB 通信流程

上位机 (Python)                  下位机 (Arduino)
   输入数据：Hello  ------------------>
                              接收并解析数据
   <-- 回复数据：收到数据: Hello

七、常见问题及解决方法

7.1 端口占用

现象：运行程序时报错 Access is denied 或 Port is already in use。
解决：

• 检查是否有其他程序占用了该串口（如串口监视器）。
• 确保关闭其他占用串口的程序。

7.2 数据乱码

现象：收到的数据显示为乱码。
解决：

• 检查上下位机的波特率是否一致。
• 确保使用正确的字符编码（如 UTF-8）。

7.3 下位机未响应

现象：下位机无返回数据。
解决：

• 确保 USB 数据线支持数据传输。
• 检查下位机代码是否正常运行。

八、扩展功能

8.1 多线程实现异步通信

在实际应用中，可以使用多线程分别处理发送和接收数据，提高通信效率。

8.2 增加校验机制

为了保证通信的准确性，可以在传输的数据中添加校验位，例如 CRC 校验。

8.3 图形化界面

使用 Python 的 tkinter 或 PyQt 库开发一个图形化界面，提升用户体验。

九、总结

通过本文，我们实现了一个基于 Python 的上位机和 Arduino 下位机之间的 USB 通信功能。希望这篇教程能够帮助你轻松掌握 USB 通信的基础知识，并为你的项目开发提供参考！

动手试试吧，你会发现 USB 通信并没有想象中那么难！