讓掌控板和Scratch無縫連接

謝作如 李敦勇 唐柳峰

Scratch是一款由美國麻省理工學院（MIT）設計開發的少兒編程工具。因為其采用了積木式的圖形化編程形式，只要會使用鼠標，就能編寫出各式各樣的作品，大大降低了編程的門檻。目前很多地區的小學生編程課，大都是基于Scratch進行教學的。Scratch不僅是一款利用積木式工具制作二維動畫的軟件，還是一個學習互動媒體技術的平臺。Scratch可結合PicoBoard、樂高WeDo、Arduino、micro：bit等相關硬件，與外部世界進行互動，如讀取傳感器值，驅動電機等，從而設計出各種有趣的互動作品。

PicoBoard是Scratch開發團隊設計的傳感器板，通常稱為“Scratch傳感器板”，其功能已經內置在Scratch的各個版本中。早在2011年，筆者就嘗試用Arduino自制了一款PicoBoard，但因為各種傳感器不好固定，外形也不看，就沒有真正在教學中使用。最近，筆者在拿到掌控板的時候，不禁萌發一種想法：能不能把掌控板模擬為PicoBoard，讓掌控板和Scratch無縫連接起來呢？

分析規劃

PicoBoard上有按鍵、光線、聲音、滑桿等傳感器，另外還有四個普通的電阻。這些信息可以從Scratch的擴展功能模塊中看出，以Scratch2.0為例，編程模塊的界面如圖1所示。

掌控板上集成了光線和聲音傳感器，同時有A、B兩個按鈕，分別對應了PicoBoard上的按鍵、光線、聲音這三種傳感器（如圖2）。而滑桿傳感器可以使用六個觸摸按鍵來模擬，這樣就基本上具備了模擬PicoBoard的條件。另外，掌控板的加速度傳感器數據，可以用阻力（電阻）A、B、C來輸出，這樣學生就能做出更加有趣的交互作品了。

考慮到使用習慣，筆者將掌控板的按鍵B，模擬為PicoBoard的按鈕。加速度傳感器Z軸信息，一般不太容易使用，于是舍棄，留出一個“阻力D”作為擴展接口。確定這些信息后，再對應PicoBoard的協議，分別進行了通道的編號（如下頁表1）。

代碼編寫

Scratch開發團隊定義了PicoBoard的協議。二者采用串口通信，波特率38400bps。當Scratch發送0x01時，PicoBoard就發送八路的傳感器數值。這些信息都是開源的，可以參考sparkfun分享在github的PicoBoard源碼（開源地址：https：//github.com/sparkfun/PicoBoard）。

其實有很多人基于各種硬件，編寫了模擬PicoBoard的代碼，如kos Vecsei的Scratchbit，能夠將micro：bit模擬為PicoBoard，用MicroPython編寫。研究這些代碼，很快就能弄明白PicoBoard的通信機制。（Scratchbit的開源地址：https：//github.com/vecsei/Scratchbit）

我們采用MicroPython來編寫PicoBoard的代碼，核心代碼如表2所示。

需要說明的是，為了讓交互更加友好，當掌控板和Scratch進行通信時，板子上的RGB燈將會點亮。限于篇幅，這些沒有在上述的核心代碼中體現出來。完整的代碼可以在掌控板的GitHub地址的examples中下載。（掌控板的開源地址：https：//github.com/labplus-cn/mPython/）

功能測試

打開mPython軟件，將上述代碼刷入，并設置為默認啟動。掌控板顯示如圖3所示的文字，表示啟動成功。

1.在Scratch1.4測試

打開Scratch1.4，在“偵測”中找到PicoBoard的編程模塊，編寫一個讀取傳感器值的程序，并單擊綠旗運行。等待10秒左右，當三個RGB燈都亮綠燈時，表示連接成功。這時，就能看到掌控板發來的各種傳感器信息了。

2.在Scratch2.0中測試

打開Scratch2.0，在 “更多積木”中添加擴展板PicoBoard。稍等片刻，軟件界面上出現“PicoBoard”指令模塊，當“PicoBoard”右邊的黃色圖標變成綠色時表示連接成功，同時掌控板上的三個RGB燈為綠色閃爍狀態[注：可直接使用網頁編程（https：//Scratch.mit.edu），也可以使用PicoBoard，但要安裝Web瀏覽器插件]。

應用拓展

下面以Scratch2.0為例，利用“滑桿”來做一個“黃山日出”的效果。

1.前期準備

（1）下載黃山圖片，并利用圖像編輯工具將圖片中的“山”摳出來。

（2）掌控板滑桿數值取值的測試。

掌控板對應的滑桿為6個觸摸按鍵（p、y、t、h、o、n六個字母），滑桿的初始值約為50.0。按p鍵是0，同時按住py是10，以此類推，剛好把100分為10檔（如表3）。

2.制作過程

（1）硬件連接。將掌控板設置為Scratch傳感器板模式，并與Scratch成功連接。

（2）角色。將黃山圖片設為背景，黃山摳圖為角色1，太陽為角色2。

（3）腳本。

背景：因滑桿的初始值約為50，所以將滑桿傳感器值進行四舍五入，如果其等于50的話一直等待。當觸摸其他按鍵時，返回值將發生變化，不等于50，進入下面的“重復執行”，然后亮度隨著滑桿傳感器值的變化而變化（如圖4）。

角色1（黃山摳圖）：開始移至最上層，這樣可以擋住太陽，讓日出效果更佳。同樣在滑桿傳感器值沒有發生變化時一直等待，然后亮度隨著滑桿傳感器值的變化而變化（如圖5）。

角色2（太陽）：開始先將太陽固定在（-20，-20）的坐標位置，同樣在滑桿傳感器值沒有發生變化時一直等待。為了實現太陽斜向上的效果，將X、Y坐標都隨滑桿傳感器值的變化而變化（如圖6）。這樣當單擊綠旗運行時，用手指從掌控板的p鍵劃向n鍵，這時太陽會慢慢從山的后面升起，天色也慢慢變亮。

當掌控板處在PicoBoard模式時是無法讀取文件和刷入程序的。如果想進入讀取文件或刷入程序的編程模式，得讓掌控板進入REPL模式，具體方法為按下按鍵B不放，然后按下REST鍵，直到OLED顯示屏上顯示“replMode”字樣才松開按鍵B。這時，掌控板又可以恢復到自由編程模式了。

掌控板的價格比市場上通用的Scratch傳感器板便宜不少，還可以隨時恢復到可編程模式，可謂一板多用，價美物廉。相信很快會有更多的教育創客開發出新的玩法，如利用掌控板的無線通信功能，做網絡版本的Scratch傳感器板等，從而讓更多的孩子愛上Scratch，愛上編程。