用VB + Arduino開(kāi)展創(chuàng)客式教學(xué)

吳海忠

普通高中信息技術(shù)課程的總目標(biāo)是提升學(xué)生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)信息時(shí)代的合格公民。浙江省普通高中信息技術(shù)必修模塊《信息技術(shù)基礎(chǔ)》和選修模塊《算法與程序設(shè)計(jì)》都選用Visual Basic作為算法教學(xué)語(yǔ)言。在學(xué)習(xí)Visual Basic語(yǔ)言時(shí)，怎樣激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并使其長(zhǎng)久保持學(xué)習(xí)的熱情;開(kāi)發(fā)校本選修課時(shí)，能開(kāi)出一門(mén)既有深度又能吸引學(xué)生的Visual Basic課程;學(xué)習(xí)Visual Basic語(yǔ)言時(shí)還能培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力;學(xué)有余力的學(xué)生在學(xué)習(xí)完Visual Basic語(yǔ)言后能順利自學(xué)C語(yǔ)言。基于這些思考，筆者提出用Visual Basic 6 + Arduino開(kāi)展創(chuàng)客式教學(xué)。

所謂創(chuàng)客式教學(xué)是指用創(chuàng)客的理念和方式來(lái)改造日常的教學(xué)，形成新的教學(xué)模式。創(chuàng)客理念主要指：①將創(chuàng)意變成實(shí)物;②做中學(xué);③持續(xù)分享;④協(xié)作學(xué)習(xí);⑤跨學(xué)科;⑥運(yùn)用信息技術(shù)。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。Arduino硬件都非常便宜，購(gòu)買(mǎi)也非常方便，適合開(kāi)展低成本的教學(xué)。Arduino通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過(guò)控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。在A(yíng)rduino IDE中，通過(guò)Arduino語(yǔ)言編寫(xiě)程序，并將編譯后的二進(jìn)制文件燒錄進(jìn)微控制器，實(shí)現(xiàn)傳感器和執(zhí)行器的協(xié)同工作。在開(kāi)展Visual Basic教學(xué)時(shí)，Visual Basic程序可以扮演執(zhí)行器、控制器等角色。

下面以游戲搖桿操控VB窗體中圖像實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)為例，介紹如何實(shí)現(xiàn)VB和 Arduino協(xié)同工作，為開(kāi)展VB + Arduino教學(xué)拋磚引玉。

連接游戲搖桿和Arduino板

圖1為游戲搖桿和Arduino板連接實(shí)物圖，各針腳對(duì)應(yīng)連接如表1所示。搖桿由Arduino板的5V輸出電壓供電，原始狀態(tài)下S-X，S-Y讀出電壓約2.5V。當(dāng)沿板上X和Y箭頭方向按下，讀出電壓值隨著增加，最大到5V;當(dāng)沿X和Y箭頭反方向按下，讀出電壓值隨著減少，最小為0V。Arduino板上的A0和A1為模擬量輸入腳，讀取時(shí)0～5V電壓值已被轉(zhuǎn)換為數(shù)值0～1023。

安裝Arduino驅(qū)動(dòng)程序

將連接Arduino的USB口插入到計(jì)算機(jī)后，Windows會(huì)提示“發(fā)現(xiàn)新硬件”。Arduino板本身將作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)串口設(shè)備，由于計(jì)算機(jī)中沒(méi)有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，會(huì)顯示安裝失敗。進(jìn)入Windows設(shè)備管理器，在端口（COM和LPT）下找到帶黃色感嘆號(hào)的USB Device，通過(guò)手動(dòng)指定驅(qū)動(dòng)程序文件夾位置來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)程序（具體參考網(wǎng)上教程）。對(duì)于Windows 7以上操作系統(tǒng)可通過(guò)在線(xiàn)搜索安裝驅(qū)動(dòng)程序。安裝好驅(qū)動(dòng)程序后，Arduino板在設(shè)備管理器中顯示如圖2所示，在筆者計(jì)算機(jī)中Arduino作為串口6設(shè)備。

配置Arduino IDE

登錄網(wǎng)址https：//www.arduino.cc/en/Main/Software，下載最新的Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE。運(yùn)行Arduino IDE：①進(jìn)入工具菜單選擇開(kāi)發(fā)板型號(hào)，基礎(chǔ)版選擇“Arduino/Genuino Uno”;②選擇Arduino所在的串行端口號(hào)（參考設(shè)備管理器提示），這里選擇“COM6”，如圖3所示。

編寫(xiě)Arduino程序

根據(jù)當(dāng)前連接的感應(yīng)器和執(zhí)行器協(xié)同工作需要，為Arduino編寫(xiě)相應(yīng)的程序。Arduino程序主要的功能：設(shè)置連接外接設(shè)備針腳模式和參數(shù)，讀取外接設(shè)備數(shù)據(jù)，控制外接設(shè)備等。作為授課老師，這些程序是需要了解或會(huì)編寫(xiě)的，學(xué)有余力的學(xué)生可以自學(xué)和編寫(xiě)，普通學(xué)生只需能將程序編譯和上傳（燒錄進(jìn)微控制器）。Arduino編程語(yǔ)言是建立在C語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，有C語(yǔ)言基礎(chǔ)的能很快上手。圖4是進(jìn)入Arduino IDE后默認(rèn)建立的程序框架。

Arduino語(yǔ)言以setup函數(shù)作程序開(kāi)頭，loop函數(shù)作程序框架主體。setup函數(shù)用來(lái)初始化變量、管腳模式，調(diào)用庫(kù)函數(shù)等，只運(yùn)行一次。loop函數(shù)在setup函數(shù)運(yùn)行后，被周而復(fù)始的循環(huán)執(zhí)行。Arduino語(yǔ)言參考網(wǎng)址http：//www.arduino.cn/reference/。為搖桿編寫(xiě)的代碼如圖5所示。

Serial.begin（9600）：將串口通信速率設(shè)置為9600bps。通信的兩端要保持相同的傳輸速率，Arduino將通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)連接的接口定義為Serial對(duì)象。

Serial.flush（）：等待串口數(shù)據(jù)傳輸完成，并將緩沖區(qū)清空。

analogRead函數(shù)的功能是讀取指定模擬針腳的值，A0、A1是模擬針腳0和1的別名。模擬針腳上的電壓值（0～5V）經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)橐粋€(gè)整數(shù)值（0～1023）。Serial.print函數(shù)的功能為將數(shù)據(jù)以字符串方式輸出到串口。Serial.println函數(shù)在輸出時(shí)數(shù)據(jù)的同時(shí)在后面增加回車(chē)符（ASCII 13）和換行符（ASCII 10）。delay函數(shù)為讓程序等待多少毫秒，然后往下執(zhí)行。

由于loop函數(shù)是被循環(huán)執(zhí)行的，因此整個(gè)程序的功能為首先設(shè)置端口傳輸速率為9600位/秒，然后每隔0.1秒讀取模擬針腳0和1上的數(shù)值，并將這二個(gè)數(shù)值用分號(hào)分隔，再連接回車(chē)換行符，最后輸出到串口。當(dāng)然程序還可以更完善或更精煉。

單擊工具欄上第一個(gè)按鈕對(duì)程序進(jìn)行驗(yàn)證（編譯），如圖6。在程序通過(guò)驗(yàn)證后，單擊工具欄上的第二個(gè)按鈕，將程序重新編譯并上傳給Arduino板，如圖7所示。Arduino在有程序上傳后，首先進(jìn)行初始化，然后按上傳程序指令重新開(kāi)始工作。

為了驗(yàn)證程序是否有效，單擊工具菜單中“串口監(jiān)視器”，打開(kāi)監(jiān)視窗口。如圖8所示，監(jiān)視窗口中不斷收到Arduino發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。按動(dòng)游戲搖桿，數(shù)據(jù)會(huì)變化，如圖9所示。

編寫(xiě)VB程序

運(yùn)行VB6，新建一個(gè)工程文件。在工程中添加MSComm控件，如圖10所示。MSComm是一個(gè)串行通信控件，它提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)通信命令的接口，允許建立串口連接。MSComm采用事件驅(qū)動(dòng)通信，當(dāng)有字符到達(dá)或發(fā)生了改變，OnComm事件就被觸發(fā)。

在窗體中添加二個(gè)CommandButton控件，一個(gè)Image控件，一個(gè)MSComm控件。工程屬性、窗體屬性和窗體內(nèi)各控件屬性設(shè)置如表2所示，窗體界面設(shè)計(jì)如圖11所示。

MSComm控件的CommPort屬性值要設(shè)置為6，也就是Arduino板所在的串口號(hào)。RThreshold的屬性值設(shè)置為1，也就是每當(dāng)接收到一個(gè)字符時(shí)就觸發(fā)MSComm控件的OnComm事件。因?yàn)锳rduino的數(shù)據(jù)傳輸速率已設(shè)置為9600bps，所以Settings屬性值無(wú)需修改。

在窗體代碼窗口輸入以下代碼：

Private Sub CStart_Click（）

MSCom.PortOpen = True

End Sub

Private Sub CStop_Click（）

MSCom.PortOpen = False

End Sub

Private Sub MSCom_OnComm（）

Debug.PrintMSCom.Input

End Sub

運(yùn)行工程，單擊窗體中“開(kāi)始”按鈕。VB6立即窗口顯示如圖12所示。

雖然設(shè)置RThreshold為1，即每接收到一個(gè)字符時(shí)觸發(fā)OnComm事件，但讀取時(shí)緩沖區(qū)內(nèi)容可能已經(jīng)有好幾個(gè)字符了。因此，需要根據(jù)回車(chē)換行符進(jìn)行重組。窗口代碼如下：

Private SBuffer As String

'增加一個(gè)窗體變量，作為接收緩沖區(qū)

Private Sub MSCom_OnComm（）

Dim I As Byte

Dim STmpAs String， SLeft As String， SChar As String

STmp = MSCom.Input

SBuffer = SBuffer&STmp

SLeft = ""

For I = 1 To Len（SBuffer）

SChar = Mid（SBuffer， I， 1）

Select Case Asc（SChar）

Case 10

'檢測(cè)到換行符不做什么作丟棄

Case 13

'檢測(cè)到回車(chē)符時(shí)

Call OnComing（SLeft）

'調(diào)用過(guò)程

SLeft = ""

Case Else

'其他任何字符作加入輸出內(nèi)容

SLeft = SLeft&SChar

End Select

Next

SBuffer = SLeft

'剩余內(nèi)容保留給下一次

End Sub

Private Sub OnComing（ByValSStr As String）

Debug.PrintSStr

End Sub

CStart_Click和CStop_Click過(guò)程代碼保持不變。運(yùn)行工程，單擊窗體上“開(kāi)始”按鈕。此時(shí)立即窗口顯示如圖13所示。

在MSCom_OnComm事件處理過(guò)程中，每接收到一組正確的數(shù)據(jù)時(shí)OnComing過(guò)程就被調(diào)用一次。將OnComing過(guò)程修改為如下：

Private Sub OnComing（ByValSStr As String）

Dim L As Integer， T As Integer， Tmp（） As String

Tmp = Split（SStr， ";"）

L = Tmp（0）： ?T = Tmp（1）

If L < 411 Then ITurtle.Left = ITurtle.Left - （511 - L）

If L > 611 Then ITurtle.Left = ITurtle.Left + （L - 511）

If T < 411 Then ITurtle.Top = ITurtle.Top - （511 - T）

If T > 611 Then ITurtle.Top = ITurtle.Top + （T - 511）

End Sub

運(yùn)行工程，單擊窗體上“開(kāi)始”按鈕。上下、左右按下?lián)u桿，窗體中的小烏龜圖片將上下、左右移動(dòng)，按力越大移動(dòng)速度也越快。在搖桿初始狀態(tài)下，讀出數(shù)據(jù)約為513～516，而程序中411～611間的數(shù)據(jù)不作移動(dòng)處理，因此初始狀態(tài)下圖片不會(huì)自己移動(dòng)。

小 ?結(jié)

在小學(xué)階段，可以利用S4A（Scratch For Arduino）開(kāi)展創(chuàng)客式教學(xué)。對(duì)于浙江的中學(xué)生來(lái)說(shuō)，在學(xué)習(xí)完VB后，開(kāi)展VB + Arduino創(chuàng)客式教學(xué)是很有必要和很有前景的。由于篇幅關(guān)系，這里僅以一個(gè)小小的例子演示如何利用VB + Arduino編程實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。在實(shí)際教學(xué)時(shí)，根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力的不同，可以給學(xué)生提出不同的編程要求。比如在初學(xué)時(shí)，教師可以將MSCom控件和OnComm事件處理過(guò)程（含數(shù)據(jù)整理代碼）重新封裝為一個(gè)控件，學(xué)生只要在工程中添加這個(gè)控件并設(shè)置基本屬性就可。為Arduino編寫(xiě)的程序，教師可以事先發(fā)給學(xué)生，學(xué)生只需要在使用前上傳一下就可。而學(xué)有余力的學(xué)生，教師可以引導(dǎo)他們閱讀和模仿這些代碼。

（作者單位：浙江嘉興教育學(xué)院）