樂(lè)高M(jìn)INDSTORMSEV3軟件程序模塊開(kāi)發(fā)

李潤(rùn)成

摘要：樂(lè)高M(jìn)INDSTORMS EV3機(jī)器人產(chǎn)品被廣泛用于開(kāi)展STEAM和創(chuàng)客教育，然而該產(chǎn)品的電子模塊數(shù)量相對(duì)較少，目前雖有教育者制作新的電子模塊，但因?yàn)闆](méi)有對(duì)應(yīng)的程序模塊，難以用于教學(xué)。因此，本文首先介紹了EV3編程軟件和開(kāi)發(fā)軟件，然后剖析程序模塊的組成內(nèi)容，最后對(duì)每一要素給出具體實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：樂(lè)高；EV3；程序模塊；創(chuàng)客教育

中圖分類號(hào)：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 論文編號(hào)：1674-2117（2018）20-0073-04

前言

樂(lè)高的MINDSTORMS EV3機(jī)器人自2013年上市后大受歡迎，其采用官方提供的直觀的圖形化編程語(yǔ)言，大大降低了使用者的門檻。EV3機(jī)器人相對(duì)DFRobot、Makeblock等其他機(jī)器人教育產(chǎn)品而言，其成熟的積木搭建系統(tǒng)能輕松制作各種復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，然而它的傳感器等電子模塊種類少，不利于更全面的教學(xué)應(yīng)用。筆者通過(guò)剖析MINDSTORMS EV3編程軟件程序模塊研究其內(nèi)容，總結(jié)出該軟件程序模塊的開(kāi)發(fā)制作方法，希望能為廣大教育工作者針對(duì)EV3機(jī)器人定制的電子硬件模塊進(jìn)行程序模塊開(kāi)發(fā)提供借鑒。

MINDSTORMS EV3軟件簡(jiǎn)介

MINDSTORMS EV3軟件是圖形化的編程環(huán)境，包含EV3機(jī)器人程序需要的所有工具，該軟件基于National Instruments的WebUI Builder開(kāi)發(fā)，軟件界面如圖1所示。EV3軟件中含有多類程序模塊，這些模塊有的是控制電機(jī)的，有的是采集傳感器數(shù)據(jù)的，還有一些是有其他用途的。編程的過(guò)程就是在屏幕上拖拽模塊，把它們相互連接起來(lái)，再更改模塊的設(shè)置。[1]該軟件還具有很好的擴(kuò)展性，提供了程序模塊導(dǎo)入工具，通過(guò)該工具可以管理程序模塊和導(dǎo)入模塊。軟件中的每一個(gè)圖形模塊內(nèi)部有對(duì)應(yīng)的VIX文件，下載運(yùn)行程序時(shí)，程序模塊先轉(zhuǎn)化成內(nèi)部的VIX文件再運(yùn)行。

MINDSTORMS EV3 DEVELOPER軟件簡(jiǎn)介

MINDSTORMS EV3 DEVELOPER是樂(lè)高專門為MINDSTORMS EV3開(kāi)發(fā)者進(jìn)行軟件模塊開(kāi)發(fā)而提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境。MINDSTORMS EV3 DEVELOPER相對(duì)MINDSTORMS EV3具有更多高級(jí)功能，如程序模塊內(nèi)部的VIX文件編輯和制作。VIX文件采用圖形編程語(yǔ)言完成，把各個(gè)圖形塊按照邏輯連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算和功能。

MINDSTORMS EV3程序模塊剖析

EV3程序模塊導(dǎo)入到軟件前是以文件形式存在的，文件后綴為.ev3b，把后綴改為.zip解壓后得到根目錄文件夾，文件夾內(nèi)包含help、images、VIs、strings四個(gè)子文件夾和blocks.xml文件。help文件夾存放各國(guó)語(yǔ)言命名的文件夾和對(duì)應(yīng)的HTML文件，用于在軟件查看幫助時(shí)顯示不同語(yǔ)言的幫助內(nèi)容。Images文件夾存放程序模塊各種模式和在不同區(qū)域顯示的圖像文件。strings文件夾內(nèi)有各國(guó)語(yǔ)言命名的文件夾和對(duì)應(yīng)的blocks.xml文件，該文件用于定義用戶操作程序模塊時(shí)查看模塊的上下文幫助及模塊上的文字說(shuō)明。VIs文件夾存放程序模塊不同模式下對(duì)應(yīng)的VIX文件，即模塊對(duì)應(yīng)的程序內(nèi)容。根目錄blocks.xml用于定義程序模塊的內(nèi)部名稱、程序模塊的參數(shù)屬性、模塊不同模式的顯示圖片內(nèi)容以及各模塊對(duì)應(yīng)的VIX文件。

MINDSTORMS EV3程序模塊制作

對(duì)于一個(gè)新的程序模塊，help文件夾內(nèi)的幫助內(nèi)容并不是必須的，它不影響程序模塊的正常使用功能，本文僅對(duì)根目錄blocks.xml文件，images、VIs、strings文件夾內(nèi)容進(jìn)行介紹。

1.根目錄blocks.xml

根目錄blocks.xml定義了模塊的類別（執(zhí)行器類、傳感器類等）、模塊的功能模式以及不同模式對(duì)應(yīng)的VIX程序文件。模塊根據(jù)功能不同分為測(cè)量模式、比較模式等，具體什么功能模式由開(kāi)發(fā)者自己定義。該文件還定義了不同模式下的顯示圖像和VIX中的參數(shù)的類型、范圍等。以一個(gè)新開(kāi)發(fā)的觸摸開(kāi)關(guān)程序模塊為例，該模塊的根目錄blocks.xml內(nèi)容如圖2所示。

（1）EditorDefinitions根元素。該元素是MINDSTORM EV3程序模塊根目錄blocks.xml文件的規(guī)范，文件必須含有該元素作為開(kāi)頭。

（2）PolyGroups和PolyGroup元素。PolyGroups元素定義程序模塊組的內(nèi)容。ModuleName屬性定義程序模塊組名稱，ModuleVersion屬性定義程序模塊組版本。PolyGroups元素內(nèi)可以包含多個(gè)PolyGroup元素，每個(gè)PolyGroup對(duì)應(yīng)一個(gè)程序模塊，若有多個(gè)新的程序模塊同時(shí)創(chuàng)建，可以把它們都放在一個(gè)PolyGroups定義。若block.xml文件內(nèi)容有嚴(yán)重錯(cuò)誤則在使用模塊導(dǎo)入向?qū)Чぞ邔?dǎo)入時(shí)無(wú)法顯示任何內(nèi)容。PolyGroup元素設(shè)定每個(gè)程序模塊的內(nèi)容。Name屬性用于定義程序模塊組下的單個(gè)程序模塊名稱，該名稱可以和PolyGroups的ModuleName屬性不一致。BlockFamily屬性定義模塊屬于傳感器類、執(zhí)行器類或其他類別。定義屬性時(shí)應(yīng)根據(jù)模塊的功能選擇不同的類別，程序模塊會(huì)出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)類別選擇面板中。

（3）Parameter元素。該元素用于設(shè)定程序模塊不同模式下VIX文件公共參數(shù)的屬性，屬性包含其數(shù)據(jù)類型、默認(rèn)值、數(shù)據(jù)范圍和方向等。本文例子中的觸摸開(kāi)關(guān)模塊有三個(gè)公共參數(shù)，分別為Port、State和Result。Port對(duì)應(yīng)的CompilerDirectives、Direction、DefaultValue屬性分別定義了端口是輸入口、方向?yàn)檩斎胍约澳J(rèn)值是1.3。State參數(shù)對(duì)應(yīng)的Identification、Direction、DataType屬性分別定義了該參數(shù)顯示的圖像、數(shù)據(jù)方向?yàn)檩敵鲆约邦愋蜑椴紶栃?，其設(shè)定效果如圖3所示。Result參數(shù)的定義方法和前兩個(gè)參數(shù)一樣。

（4）Hardware元素。該部分內(nèi)容只適用于傳感器功能的程序模塊，其他類別的程序模塊不需要該部分內(nèi)容。EV3PlotColor元素為軟件數(shù)據(jù)記錄模式下線條的顯示顏色。EV3AutoID元素用于軟件對(duì)傳感器種類的識(shí)別，第三方開(kāi)發(fā)的傳感器模塊可以使用-1和官方的傳感器進(jìn)行區(qū)分，由于舉例的觸摸開(kāi)關(guān)模塊為傳感器，因此Direction元素指定方向?yàn)檩斎?。DefaultPort元素確定模塊拖拽到編程界面時(shí)的默認(rèn)端口，1.3表示為3號(hào)端口。

（5）Block元素。該元素用于定義程序模塊每個(gè)模式對(duì)應(yīng)的VIX文件、模式特有的參數(shù)和在一些參數(shù)改變時(shí)顯示的圖像。對(duì)于一個(gè)傳感器模塊，通?？梢栽O(shè)定為三種模式，即測(cè)量模式、比較模式和更改模式，對(duì)于每個(gè)模式最重要的內(nèi)容就是內(nèi)部的VIX文件。

（6）Mode元素。該元素定義程序塊模式，注意該模式名稱與images文件夾中對(duì)應(yīng)的模式顯示圖像關(guān)聯(lián)，否則對(duì)應(yīng)模式的圖像以及模塊的上下文幫助不顯示。Reference Type屬性定義VIX使用的函數(shù)庫(kù)，對(duì)于第三方程序模塊函數(shù)庫(kù)為“VIlib”，Name屬性選擇對(duì)應(yīng)模式的VIX。ParameterReference元素列出VIX使用的實(shí)際參數(shù)名稱，這些參數(shù)必須已經(jīng)在PolyGroup中進(jìn)行了定義。PalttteInfo元素設(shè)定默認(rèn)模式和模塊在選擇面板中的位置，含有該內(nèi)容的模式會(huì)成為默認(rèn)模式，即程序模塊拖拽到界面時(shí)顯示的模式。Weight屬性確定模塊出現(xiàn)在選擇面板從左到右的位置。BlockInterface元素內(nèi)容可設(shè)為Measure、Compare、Change三者之一，設(shè)定值與模塊的模式對(duì)應(yīng)一致。HardwareModeInfo元素定義傳感器在數(shù)據(jù)記錄模式下的內(nèi)容。Name屬性設(shè)定為所需名稱，ID屬性標(biāo)記傳感器的類型，如果傳感器模塊為數(shù)字型的，可設(shè)為0，Range為數(shù)據(jù)范圍，數(shù)字型傳感器設(shè)為0，1。Unit為單位，數(shù)字型傳感器無(wú)單位，設(shè)為空。上述為測(cè)量模式的Block元素內(nèi)容介紹，另外的比較和更改模式的定義方法和測(cè)量模式一樣，只是它們不需定義HardwareModeInfo元素的相關(guān)內(nèi)容。

2.images文件夾

Images文件夾存放程序模塊的圖像文件，以新建的觸摸開(kāi)關(guān)模塊為例，其圖像文件如圖4所示。對(duì)于新程序模塊，需要設(shè)定其在選擇面板、編程面板和在端口查看硬件列表的顯示圖像。圖像的名稱要根據(jù)程序模塊的模式，以及所在面板按照一定命名方式設(shè)置，否則圖像不能顯示。

（1）選擇面板圖像。命名方式為PolyGroup__Palette.png，圖像大小為20×20。

（2）編程面板圖像。命名方式為PolyGroup__Diagram.png，圖像大小為34×34。

（3）程序模塊模式圖像。命名方式為PolyGroup__Mode__Diagram.png，圖像大小為38×22。如果需要鼠標(biāo)移動(dòng)到模塊模式的圖像上方產(chǎn)生新的圖像，其命名方式為PolyGroup__Mode__Diagram_MouseOver.png。

（4）端口查看硬件圖像。命名方式為PolyGroup__Category.png。

3.VIs文件夾

VIs文件夾存放程序模塊不同模式下的VIX文件。VIs目錄中有PBR和NXT兩個(gè)文件夾，一般只需在PBR文件夾中放入VIX文件即可，NXT文件夾可為空。觸摸開(kāi)關(guān)程序模塊測(cè)量模式、比較模式和更改模式三種模式的VIX文件分別為TouchSValue.vix、TouchSCompare.vix和TouchSChange.vix。雙擊程序模塊便進(jìn)入程序模塊的VIX編輯界面。VIX文件的制作通過(guò)圖形編程語(yǔ)言完成，該語(yǔ)言和LabVIEW使用的圖形化編程語(yǔ)言一樣。測(cè)量模式TouchSValue.vix內(nèi)容如圖5所示。PBrickConvertInput和PBrickInputRead為軟件內(nèi)部庫(kù)函數(shù)，直接調(diào)用即可，軟件自帶的庫(kù)函數(shù)都會(huì)以帶問(wèn)號(hào)的圖形塊顯示。

4.strings文件夾

Strings文件夾中放有不同國(guó)家語(yǔ)言文件夾，其中有對(duì)應(yīng)的blocks.xml文件，該blocks.xml與根目錄的blocks.xml非同一文件，該文件主要提供程序模塊的可見(jiàn)名稱、上下文幫助和幫助URL，簡(jiǎn)體中文的blocks.xml應(yīng)放在命名為zh-Hans的文件夾。以新創(chuàng)建的觸摸開(kāi)關(guān)程序模塊為例，其內(nèi)容如圖6所示。該文件內(nèi)容主要對(duì)PolyGroups、PolyGroup、Parameter和Block這四元素進(jìn)行設(shè)定。注意此處Parameter和Block的內(nèi)容是分別對(duì)多個(gè)程序模塊的參數(shù)和多個(gè)模式進(jìn)行定義，它們的設(shè)定方法都相同，因此僅對(duì)其中一個(gè)Parameter元素和Block元素進(jìn)行介紹。

（1）EditorStrings根元素。與根目錄blocks.xml文件相似，該元素是MINDSTORM EV3程序模塊strings中block.xml開(kāi)發(fā)的規(guī)范格式，文件必須含有該元素作為開(kāi)頭。

（2）PolyGroups元素。ModuleName屬性要與根目錄的blocks.xml中的PolyGroups ModuleName屬性一致，否則兩個(gè)block.xml文件內(nèi)容無(wú)法關(guān)聯(lián)，程序模塊文字內(nèi)容無(wú)法顯示。

（3）PolyGroup元素。Name屬性也需與根目錄的blocks.xml中的PolyGroup元素Name屬性一致，DisplayName和DisplayNamePrefix均設(shè)為顯示的名稱。

（4）Parameter元素。該部分定義參數(shù)的顯示名稱和描述，Name屬性設(shè)為參數(shù)名，DisplayName為參數(shù)顯示的文字，Description為參數(shù)的描述內(nèi)容，設(shè)定不同參數(shù)時(shí)只需修改對(duì)應(yīng)的文字內(nèi)容。

（5）Block元素。該元素的Mode屬性要和根目錄的blocks.xml中的Mode屬性一致，DisplayName為模式顯示的文字，Description為模式的描述，對(duì)于不同模式，只需修改對(duì)應(yīng)的文字描述內(nèi)容。

結(jié)語(yǔ)

MINDSTORMS EV3機(jī)器人是一款優(yōu)秀的教育產(chǎn)品，其直觀易用的編程軟件界面和成熟的積木結(jié)構(gòu)搭建體系深受大家喜愛(ài)，但是它的局限性在于電子模塊數(shù)量不足和對(duì)應(yīng)程序模塊缺乏。廣大教育工作者可弘揚(yáng)創(chuàng)客精神，開(kāi)發(fā)新的電子硬件模塊以及相應(yīng)的程序模塊，進(jìn)一步發(fā)掘它的潛力和豐富它的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生創(chuàng)作出具有更多新功能的EV3機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)：

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