EV3 直接命令 - 第一课 无为的艺术
LEGO 的 EV3 是一個極好的游戲工具。它的標準編程方式是 LEGO 的圖形化編程工具。你可以編寫程序，把它們傳到你的 EV3 brick 上，然后啟動它們。但還有另外一種與你的 EV3 交互的方式。把它看作一個服務器并給它發送命令，命令將以數據和/或行為來應答。在這種情形下，你的程序所運行的機器是客戶端。這打開了迷人的新視角。如果程序運行在你的智能手機上，你將獲得很好的交互性和便利性。如果你的客戶端是一個 PC 或筆記本電腦，你將獲得舒服的鍵盤和顯示器。另一種新選項是在一個機器人中結合多個 EV3。一個客戶端與多個服務器通信，這允許機器人具有無限多個馬達和傳感器。或者把你的 EV3 當做一臺機器，生產數據的那種。客戶端可以持續地從 EV3 的傳感器接收數據，這也將打開新的機會之門。如果你想進入這個新世界，你不得不使用 EV3 的直接命令，這需要你的一些工作。如果你準備投資它，則繼續閱讀，否則，開心地玩你的 EV3 并等待其它人做出很酷的新應用吧。
在我們開始討論正式的內容之前，我們先瞥一眼 EV3 的通信協議和 LEGO 直接命令的特性。你的 EV3 提供了三種通信類型，藍牙，WiFI 和 USB。藍牙和 USB 無需其它額外的設備即可使用，通過 WiFi 通信需要一個適配器。所有三種都允許你開發應用程序，運行在任何計算機上與你的 EV3 brick 通信。也許你了解 EV3 的前身，NXT 及其通信協議。它提供了大約 20 個系統命令，類似于函數調用。LEGO 改變了它的理念，EV3 以機器碼提供命令語法。一方面，這意味著實現真正算法的自由，但另一方面，它變得更難入門。
我發現，官方文檔是純粹的技術文檔。他們缺乏動機和教育的方面。我希望這份文檔能成為你深入你的 EV3 的適當入口。如果你已經是一個程序員，或試圖成為一個程序員，你將沉浸在位和字節的世界。如果不是，那可能很困難，但唯一的選擇是，保持雙手分開。試一試，在與樂高 EV3 的有效溝通之下，你將學到很多關于機器代碼，即所有計算機的基礎的知識。
要知道的文檔
LEGO 已經發布了很好很詳細的文檔，你可以在這里下載：http://www.lego.com/en-gb/mindstorms/downloads。對于我們的目的，你絕對需要查看文檔，你可以在標題為 Advanced Users - Developer Kits（PC / MAC） 的標題下找到。EV3 Firmware Developer Kit 是 LEGO EV3 直接命令的參考書。我希望你能深入閱讀它。
有一個 C# 的通信庫，它使用直接命令與 LEGO EV3 通信。如果你喜歡使用開箱即用的軟件，并且喜歡 C#，這可能是你的選擇：http://www.monobrick.dk。
我最初的想法是不發布任何源碼。當功能逐步增長時，編程更有趣。Bugs 是游戲的一部分，查找 bugs 很難，但它是每個編程人員的日常生活。簡短的結論，代碼增長到一定的規模和復雜性時，最初的想法變得不現實。我已經在 Github 上發布了代碼，你可以在這里下載： ev3-python3。
第一課 無為的藝術
你做到了，你真的想介入，那很好！這一課是關于非常基本的通信的知識。我們將實現第一個發送-應答循環。通過 WiFi，藍牙或 USB 給你的 EV3 發送信息，你將獲得一個定義良好的應答。不要屏住呼吸，我們不會從一個令人驚奇的應用程序開始。相反，它什么都不做。這聽起來比實際要做的少，但如果你設法做到這一點，向后傾斜并感到快樂，你就在路上。
比特和字節命名的簡短介紹
也許你已經知道了如何編寫二進制和十六進制數字，大小尾端的含義等等。如果你真的可以把值 156 寫為一個小尾端的 4 字節整數表示格式，則你可以跳過這一節。如果不能，你需要閱讀它，因為你真的需要知道它。
讓我們從基礎開始！幾乎所有的現代計算機都將 8 位組為 1 個字節，并且在內存中按字節尋址（你的 EV3 是一臺現代計算機，因而也是這樣的）。在下文中我們使用如下表示法表示二進制數字：0b 1001 1100。
前導的 0b 告訴我們，后面是二進制的數字，每個字節的 8 個數字被分為 4 和 4 的兩個半個字節。它是數字 156 的二進制表示法，你可以把它看作是：156 = 1128 + 064 + 032 + 116 + 18 + 14 + 02 + 01。可以對相同字節進行另外的解釋。它可以被看作 8 個標記的序列，或可以是符號 ￡ 的 ASCII 碼。解釋依賴于上下文。目前我們專注于數字。
二進制表示法非常長，因此常見的習慣是把半個字節寫為 16 進制數，其中字母 A 到 F 表示數字 10 到 15。十六進制表示法比較緊湊，它與二進制表示法的轉換很容易。這是因為一個十六進制數表示半個字節。十六進制（這里的值是 156）表示是： 0x 9C。你可以把它看作是：156 = 916 + 121。前導的 0x 告訴我們，后面的是十六進制數。因為它的緊湊，我們可以編寫和閱讀更大的數字。作為一個 4 字節整數，值 156 被寫作：0x 00 00 00 9C。
我們將用冒號 “:” 或豎線 “|” 把字節分開。我們使用豎線表示高級分隔，使用冒號表示低級的。我們將把值為 156 的 2 字節整數寫作：0x|00:9C|。現在我們可以在一行中保存值列表。255（一個無符號 1 字節整數），156（2 字節整數）和 65536（4 字節整數）的序列可以寫為：0x|FF|00:9C|00:01:00:00|。
那負數呢？大多數計算機語言區分有符號和無符號整數。如果整數是有符號的，則它們的第一位是負號標志，整數是另一個范圍的。有符號 1 字節整數的范圍是 -128 到 127，有符號 2 字節整數的范圍是 -32,768 到 32,767 等等。負數值的計算方法是最小值（-128，-32,768 等）加上其余非符號標志的值。有符號 1 字節整數的最小值，-128 寫為 0b 1000 0000 或 0x|80|，有符號 2 字節整數值 -1 (-32,768 + 32,767) 為：0b 1111 1111 1111 1111 或 0x|FF:FF|
那什么是 小尾端 呢？OK，我不再保守這個秘密了。小尾端格式反轉字節的位置（你常常使用的，被稱作 大尾端）。2 字節整數值 156 的小尾端格式寫作：0x|9C:00|。
也許這聽起來像個糟糕的玩笑，但非常抱歉，EV3 直接命令讀和寫所有數字都是以小尾端進行的，那不是我的錯。但我可以給你一些安慰。首先，本課程使用數字。其次，存在管理小尾端數的好工具。在 Python 中，你可以使用 struct 模塊，在 Java 中，ByteBuffer 可能是你選擇的對象。
什么都不做的直接命令
第一個例子展示所有可能的直接命令中最簡單的那個。你將向你的 EV3 發送一條消息，并期待它有所回應。讓我們看一下要發送的消息，它由如下 8 個字節組成：
------------------------- \ len \ cnt \ty\ hd \op\ ------------------------- 0x|06:00|2A:00|00|00:00|01| ------------------------- \ 6 \ 42 \Re\ 0,0 \N \ \ \ \ \ \o \ \ \ \ \ \p \ -------------------------消息本身是以 0x 開頭的那一行。在消息的頂部，你會看到關于消息對應部分的類型的一些注釋。底部顯示關于其值的注釋。消息的 8 個字節由如下部分組成：
-
消息長度(字節 0，1)：開頭的兩個字節不是直接命令本身的組成部分。它們是通信協議的一部分，在 EV3 的情況下可以是 Wifi，藍牙或 USB。長度被編碼為小尾端格式的 2 字節無符號整數，因此 0x|06:00| 表示值 6。
-
消息計數器(字節 2，3)：接下來的兩個字節是這個直接命令的指紋。消息計數器將包含在應答中，并可以用來匹配直接命令和它的應答。這也是一個小尾端格式的 2 字節無符號整數。在我們的例子中把消息計數器設置為 0x|2A:00|，其值為 42。
-
消息類型(字節 4)：它可以是如下的兩個值之一：
- DIRECT_COMMAND_REPLY = 0x|00|
- DIRECT_COMMAND_NO_REPLY = 0x|80|
在我們的例子中我們希望 EV3 應答消息。
-
頭部(字節 5，6)：接下來的兩個字節，第一個操作之前最后的部分，是頭部。它包含了兩個數字，它們定義了直接命令的內存大小（是的，它是復數，我們有兩個內存，一個局部的和一個全局的）。我們將很快回到這個內存大小的具體細節。此時我們很幸運，我們的命令不需要任何內存，因而我們把頭部設置為 0x|00:00|。
-
操作(從字節 7 開始)：在我們的例子中是單個字節，它表示：opNOP = 0x|01|，什么也不做，EV3 的 idle 操作。
給 EV3 發送消息
我們的任務是，發送上面描述的消息給 EV3。如何做到呢？你可以在三種通信協議中選擇一種，藍牙，Wifi 和 USB，且你可以選擇支持至少一種通信協議的任何編程語言。下面我展示 Python 和 Java 的例子。如果沒有你喜愛的語言，將程序翻譯成你最喜愛的計算機語言并發送給我會很棒。它們將被發布在這里。
藍牙
你需要訪問開啟了藍牙的計算機，且你需要開啟你的 EV3 上的藍牙。接下來你需要為兩個設備做配對。這可以從 EV3 或你的計算機發起。EV3 的用戶指南對此過程有詳細描述。如需幫助，你可以在網上找到教程，這里有 LEGO 頁面的鏈接：http://www.lego.com/en-gb/mindstorms/support/。配對過程將向你展示你的 EV3 的 MAC 地址。你需要注意它。此外，你也可以在你的 EV3 的顯示器中，在 Brick Info / ID 下面讀取 MAC 地址，這里展示的是 EV3 MAC 地址的沒有冒號分割的十六進制形式，如 001653602591，其 MAC 地址為 00:16:53:60:25:91。
python
你需要完成如下的步驟：
- 把代碼復制到名為 EV3_do_nothing_bluetooth.py 的文件中。
- 把 MAC 地址從 00:16:53:42:2B:99 變為你的 EV3 的值。
- 打開一個終端并切換到你的程序的目錄。
- 通過鍵入 python3 EV3_do_nothing_bluetooth.py 運行它。
socket 的實現依賴于你計算機的操作系統。如果不支持 AF_BLUETOOTH (你將看到一條錯誤消息如 AttributeError: module ‘socket’ has no attribute ‘AF_BLUETOOTH’)，你可以使用 pybluez，那意味著你需要導入 bluetooth 而不是 socket。在我的情況下那是說：
- 用 pip3 安裝 pybluez：sudo pip3 install pybluez
安裝 pybluez 有兩個前提條件：一是系統中配置的當前默認 Python 是 Python 3，這這個配置可以通過 $ sudo update-alternatives --config python 完成；二是已經安裝了藍牙開發包 libbluetooth-dev，這可以通過執行命令 $ sudo apt-get install libbluetooth-dev 完成，否則在安裝 pybluez 時將報出如下錯誤：
- 修改程序：
-
運行程序
-
關于 struct.pack 的說明
struct 模塊的 pack() 函數的原型如下：
即第一個參數是格式串，后面的是需要打包的數值。
其中的格式串 format 由兩部分組成，分別是表示字節序/大小/對齊方式的字符和格式字符。表示字節序/大小/對齊方式的各字符含義如下表：
| @ | 本地的 | 本地的 | 本地的 |
| = | 本地的 | 標準的 | none |
| < | 小尾端 | 標準的 | none |
| > | 大尾端 | 標準的 | none |
| ! | 網絡（= 大尾端） | 標準的 | none |
格式字符的含義如下表：
| x | pad byte | no value | ||
| c | char | bytes of length 1 | 1 | |
| b | signed char | integer | 1 | (1),(3) |
| B | unsigned char | integer | 1 | (3) |
| ? | _Bool | bool | 1 | (1) |
| h | short | integer | 2 | (3) |
| H | unsigned short | integer | 2 | (3) |
| i | int | integer | 4 | (3) |
| I | unsigned int | integer | 4 | (3) |
| l | long | integer | 4 | (3) |
| L | unsigned long | integer | 4 | (3) |
| q | long long | integer | 8 | (2), (3) |
| Q | unsigned long long | integer | 8 | (2), (3) |
| n | ssize_t | integer | (4) | |
| N | size_t | integer | (4) | |
| e | (7) | float | 2 | (5) |
| f | float | float | 4 | (5) |
| d | double | float | 8 | (5) |
| s | char[] | bytes | ||
| p | char[] | bytes | ||
| P | void * | integer | (6) |
關于 struct 模塊更詳細的說明可以參考其官方文檔。
Java
與藍牙設備通信，我的選擇是 bluecove。下載 Java 包 bluecove-2.1.0.jar（在 Unix 上也可以是 bluecove-gpl-2.1.0.jar）之后，你可以把它們添加到你的 classpath 上。在我的 Unix 機器上，這通過以下命令完成：
export CLASSPATH=$CLASSPATH:./bluecove-2.1.0.jar:./bluecove-gpl-2.1.0.jarbluecove-2.1.0.jar 的下載地址為 https://mvnrepository.com/artifact/net.sf.bluecove/bluecove/2.1.0，bluecove-gpl-2.1.0.jar 的下載地址為 https://mvnrepository.com/artifact/net.sf.bluecove/bluecove-gpl/2.1.0。
然后，執行下面的步驟：
- 把下面的代碼拷貝到名為 EV3_do_nothing_bluetooth.java 的文件中。
- 把 MAC 地址由 001653422B99 修改為你的 EV3 的值。
- 打開一個終端并切換到你的程序的目錄。
- 鍵入 javac EV3_do_nothing_bluetooth.java 編譯它。
- 鍵入 java EV3_do_nothing_bluetooth 運行它。
這就是一個普通的 Java 應用，可以采用自己順手的構建工具和 IDE。引入 bluecove 和 bluecove-gpl 的 Maven 依賴如下：
<dependencies><dependency><groupId>net.sf.bluecove</groupId><artifactId>bluecove</artifactId><version>2.1.0</version></dependency><dependency><groupId>net.sf.bluecove</groupId><artifactId>bluecove-gpl</artifactId><version>2.1.0</version></dependency></dependencies>Wifi
你需要一個 Wifi 適配器將你的 EV3 連接到你的本地網絡。下面文檔的第一部分描述了這個過程：http://www.monobrick.dk/guides/how-to-establish-a-wifi-connection-with-the-ev3-brick/。現在你的 EV3 是本地網絡的一部分，且具有一個網絡地址了。從網絡中的所有機器上你都可以與之通信。如上面提到的文檔所描述的那樣，需要如下步驟與 EV3 建立 TCP/IP 連接：
- 在端口 3015 上監聽來自于 EV3 的 UDP 廣播。
- 向 EV3 發回一個 UDP 消息使它接受一個 TCP/IP 連接。
- 在端口 5555 上建立一個 TCP/IP 連接。
- 通過 TCP/IP 給 EV3 發送一條解鎖消息。
Python
你需要完成如下步驟：
- 把代碼復制到名為 EV3_do_nothing_wifi.py 的文件中。
- 打開一個終端，并切換到你的程序的目錄。
- 鍵入 python3 EV3_do_nothing_wifi.py 運行它。
Java
你需要完成如下的步驟：
- 把代碼復制到名為 EV3_do_nothing_wifi.java 的文件中。
- 打開一個終端，并切換到你的程序的目錄。
- 鍵入 javac EV3_do_nothing_wifi.java 編譯它。
- 鍵入 java EV3_do_nothing_wifi 運行它。
USB
通用串行總線是一個連接電子設備的工業標準。你的 EV3 具有一個 2.0 的Mini-B 接口（標有 PC 字樣）。這是性能最好的通信協議，但它需要一條線。在你運行你的程序的電腦上，你需要有與 LEGO EV3 通信的權限。在 Ubuntu Linux 上，通過 lsusb 查看當前已經連接的 USB 設備，以確認 EV3 被成功識別，如：
$ lsusb Bus 002 Device 002: ID 8087:8000 Intel Corp. Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub Bus 001 Device 002: ID 8087:8008 Intel Corp. Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub Bus 004 Device 001: ID 1d6b:0003 Linux Foundation 3.0 root hub Bus 003 Device 006: ID 5986:055c Acer, Inc Bus 003 Device 005: ID 8087:07dc Intel Corp. Bus 003 Device 004: ID 2717:ff48 Bus 003 Device 003: ID 046d:c52b Logitech, Inc. Unifying Receiver Bus 003 Device 007: ID 0694:0005 Lego Group Bus 003 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub由 Bus 003 Device 007: ID 0694:0005 Lego Group 這一行可以看出 EV3 已經被系統成功識別了，其中的 Bus 003 Device 007 部分描述了設備連接的位置，ID 0694:0005 描述生產商 ID 和產品 ID。默認情況下，新連接的新類型的 USB 設備只有 root 用戶有訪問權限，這一點可以根據 Bus 003 Device 007 這些信息，查看 /dev/bus/usb 下對應的設備文件看出來：
$ ls -al /dev/bus/usb/003/ 總用量 0 drwxr-xr-x 2 root root 160 11月 1 09:51 . drwxr-xr-x 6 root root 120 11月 1 09:49 .. crw-rw-r-- 1 root root 189, 256 11月 1 09:49 001 crw-rw-r-- 1 root root 189, 258 11月 1 09:49 003 crw-rw----+ 1 root audio 189, 259 11月 1 09:50 004 crw-rw-r-- 1 root root 189, 260 11月 1 09:49 005 crw-rw-r-- 1 root root 189, 261 11月 1 09:49 006 crw-rw-r-- 1 root root 189, 262 11月 1 09:51 007可以看到對應于 LEGO EV3 的 USB 設備文件 /dev/bus/usb/003/007，其所有者和所有者組都為 root，且其它用戶只有讀權限。當我們在沒有權限的情況下，通過 pyusb 訪問 EV3 時，將報出如下的錯誤：
Traceback (most recent call last):File "/home/hanpfei0306/data/MyProjects/wolfcs-tools/EV3_do_nothing_usb.py", line 44, in <module>my_ev3 = EV3('00:16:53:42:2B:99')File "/home/hanpfei0306/data/MyProjects/wolfcs-tools/EV3_do_nothing_usb.py", line 11, in __init__serial_number = usb.util.get_string(self._device, self._device.iSerialNumber)File "/usr/local/lib/python3.5/dist-packages/usb/util.py", line 314, in get_stringraise ValueError("The device has no langid") ValueError: The device has no langid為了使得普通的非 root 用戶也能通過 USB 訪問 EV3，需要為它添加 udev 規則。在我的 Ubuntu Linux 16.04 上是，創建文件 /etc/udev/rules.d/51-legoev3-usb.rules，并添加如下內容：
SUBSYSTEM=="usb", ATTR{idVendor}=="0694", ATTR{idProduct}=="0005", MODE="0666", GROUP="<group>"把 <group> 修改為你所屬的那個。添加了 udev 規則之后，拔出 USB 接口重新插入即可使規則生效。此時即使在普通用戶下，通過 lsusb 也能查看到關于 EV3 的詳細信息：
$ lsusb -v -d 0694:0005 Bus 003 Device 013: ID 0694:0005 Lego Group Device Descriptor:bLength 18bDescriptorType 1bcdUSB 2.00bDeviceClass 0 (Defined at Interface level)bDeviceSubClass 0 bDeviceProtocol 0 bMaxPacketSize0 64idVendor 0x0694 Lego GroupidProduct 0x0005 bcdDevice 2.16iManufacturer 1 LEGO GroupiProduct 2 EV3iSerial 3 001653602591bNumConfigurations 1Configuration Descriptor:bLength 9bDescriptorType 2wTotalLength 41bNumInterfaces 1bConfigurationValue 1iConfiguration 1 LEGO GroupbmAttributes 0xc0Self PoweredMaxPower 2mAInterface Descriptor:bLength 9bDescriptorType 4bInterfaceNumber 0bAlternateSetting 0bNumEndpoints 2bInterfaceClass 3 Human Interface DevicebInterfaceSubClass 0 No SubclassbInterfaceProtocol 0 NoneiInterface 4 Xfer data to and from EV3 brickHID Device Descriptor:bLength 9bDescriptorType 33bcdHID 1.10bCountryCode 0 Not supportedbNumDescriptors 1bDescriptorType 34 ReportwDescriptorLength 29Report Descriptor: (length is 29)Item(Global): Usage Page, data= [ 0x00 0xff ] 65280(null)Item(Local ): Usage, data= [ 0x01 ] 1(null)Item(Main ): Collection, data= [ 0x01 ] 1ApplicationItem(Global): Logical Minimum, data= [ 0x00 ] 0Item(Global): Logical Maximum, data= [ 0xff 0x00 ] 255Item(Global): Report Size, data= [ 0x08 ] 8Item(Global): Report Count, data= [ 0x00 0x04 ] 1024Item(Local ): Usage, data= [ 0x01 ] 1(null)Item(Main ): Input, data= [ 0x02 ] 2Data Variable Absolute No_Wrap LinearPreferred_State No_Null_Position Non_Volatile BitfieldItem(Global): Report Count, data= [ 0x00 0x04 ] 1024Item(Local ): Usage, data= [ 0x01 ] 1(null)Item(Main ): Output, data= [ 0x02 ] 2Data Variable Absolute No_Wrap LinearPreferred_State No_Null_Position Non_Volatile BitfieldItem(Main ): End Collection, data=noneEndpoint Descriptor:bLength 7bDescriptorType 5bEndpointAddress 0x81 EP 1 INbmAttributes 3Transfer Type InterruptSynch Type NoneUsage Type DatawMaxPacketSize 0x0400 1x 1024 bytesbInterval 4Endpoint Descriptor:bLength 7bDescriptorType 5bEndpointAddress 0x01 EP 1 OUTbmAttributes 3Transfer Type InterruptSynch Type NoneUsage Type DatawMaxPacketSize 0x0400 1x 1024 bytesbInterval 4 Device Qualifier (for other device speed):bLength 10bDescriptorType 6bcdUSB 2.00bDeviceClass 0 (Defined at Interface level)bDeviceSubClass 0 bDeviceProtocol 0 bMaxPacketSize0 64bNumConfigurations 1 Device Status: 0x0001Self Powered更多信息可參考如何在非root用戶下，訪問普通的usb設備。
通過它們的 vendor-id 0x0694 和 product-id 0x0005 標識 EV3 設備。模式 0666 允許屬于 <group> 的所有用戶具有讀和寫權限。EV3-USB 設備描述符顯示了一個具有一個接口和兩個端點的配置，0x01 用于給 EV3 發送數據，0x81 用于從 EV3 接收數據。數據以 1024 字節的包發送和接收。
Python
也許你需要安裝 pyusb。對于我的系統來說，這通過如下命令完成：
sudo pip3 install --pre pyusb如果已經安裝了 pyusb，你需要完成如下的步驟：
- 把代碼復制到名為 EV3_do_nothing_usb.py 的文件中。
- 打開一個終端，并切換到你的程序的目錄。
- 鍵入 python3 EV3_do_nothing_usb.py 運行它。
譯者注：
- 由上面通過 lsusb 扒出來的 EV3 設備信息可以看到，EV3 的串號是 iSerial 3 001653602591，即 00:16:53:60:25:91，而不是 00:16:53:42:2B:99'，因此上面代碼中串號判斷的幾行：
可以去掉。
- 在 LEGO EV3 設備初次連接之后，執行上述代碼，可以正常的向 EV3 發送消息并接收響應。但再次執行時，程序報出如下的錯誤：
StackOverflow 上對這個問題有所討論：https://stackoverflow.com/questions/38658907/trouble-using-pyusb-to-read-write-from-usb-device-timeouts。這個問題可以通過在 find() 方法調用之后，加入 self._device.reset() 來解決，如：
def __init__(self, host: str):self._device = usb.core.find(idVendor=ID_VENDOR_LEGO, idProduct=ID_PRODUCT_EV3)if self._device is None:raise RuntimeError("No Lego EV3 found")self._device.reset()serial_number = usb.util.get_string(self._device, self._device.iSerialNumber)# if serial_number.upper() != host.replace(':', '').upper():# raise ValueError('found ev3 but not ' + host)if self._device.is_kernel_driver_active(0) is True:self._device.detach_kernel_driver(0)self._device.set_configuration()self._device.read(EP_IN, 1024, 100)Java
我選擇的與 USB 設備通信的是 usb4java。下載了 Java 包之后，你可以把它們添加到你的 classpath 中。在我的 Unix 機器是，通過如下命令完成：
export CLASSPATH=$CLASSPATH:./usb4java-1.3.0.jar:./libusb4java-1.3.0-linux-x86_64.jar譯者注：
如果構建系統用的是 Maven，也可以通過在 pom.xml 文件中添加如下的依賴來使用 usb4java：
然后，執行下面的步驟：
- 把下面的代碼拷貝到名為 EV3_do_nothing_usb.java 的文件中。
- 打開一個終端并切換到你的程序的目錄。
- 鍵入 javac EV3_do_nothing_usb.java 編譯它。
- 鍵入 java EV3_do_nothing_usb 運行它。
應答消息
如果你使用上面方案中的一個成功實現了與 EV3 的通信，則會獲得以下輸出，即直接命令的回復消息：
---------------- \ len \ cnt \rs\ –--------------- 0x|03:00|2A:00|02| –--------------- \ 3 \ 42 \ok\ ----------------前兩個字節是眾所周知的，它是回復消息消息長度的小尾端表示。在我們的情況中，回復消息是 3 字節長的。接下來的兩個字節是消息計數器，也是廣為人知的，即你發送的消息的指紋，是 42。
最后一個字節是返回狀態，其有 2 個可能值是：
- DIRECT_REPLY = 0x|02|：直接命令操作成功
- DIRECT_REPLY_ERROR = 0x|04|：直接命令以失敗結束
如果你真的收到了這條回復消息，那么你入門了。恭喜！
頭部的細節
上面我們跳過了頭部細節的描述。提到了它，頭部包含兩個數，它們定義內存的大小。
第一個數是局部內存的大小，它是你可以在其中保存中間信息的地址空間。第二個數描述了全局內存的大小，它是輸出的地址空間。在 DIRECT_COMMAND_REPLY 的情形中，全局內存將作為回復消息的一部分發回。
局部內存具有最大 63 個字節，全局內存具有最大 1019 字節。那意味著，局部內存大小需要 6 位，全局內存大小需要 10 位。如果一個字節共用的話，所有的組合在一起可以包含在兩個字節中。確實這樣做了。如果以相反的順序寫入頭字節，這是熟悉的大尾端，并且以二進制表示法寫為半字節組，則得到：0b LLLL LLGG GGGG GGGG。開頭的 6 位是局部內存大小，其范圍為 0-63。尾部的 10 位是全局內存大小，其范圍為 0-1020。小尾端下是：0b GGGG GGGG LLLL LLGG。比如如果你的全局內存具有 6 個字節，你的局部內存需要 16 字節，則你的頭部是 0b 0000 0110 0100 0000 或以十六進制表示是 0x 06 40。
這是描述性版本，現在是聲明式方式的第二種方法。如果 local_mem 是本地內存大小，global_mem 是全局內存大小，則計算：header = local_mem * 1024 + global_mem。把頭部以小尾端 2 字節整數格式寫入，你將得到兩個頭部字節。如果你還有疑問，請等待接下來的課程，你將看到大量的頭部并從例子中學習，這將有望解答你的疑問。
什么都不做的變體
在離開我們的第一個例子并關閉第一章之前，我們將測試兩個頭部的變體。第一個嘗試是直接命令具有 6 字節的全局內存空間：
\ len \ cnt \ty\ hd \op\ ------------------------- 0x|06:00|2A:00|00|06:00|01| ------------------------- \ 6 \ 42 \Re\ 0,6 \N \ \ \ \ \ \o \ \ \ \ \ \p \ -------------------------我們期望獲得 6 字節低值輸出的回復。 因此，你必須將答案的長度從 5 增加到 11。如果這樣做，你將得到：
---------------------------------- \ len \ cnt \rs\ Output \ –--------------------------------- 0x|09:00|2A:00|02|00:00:00:00:00:00| –--------------------------------- \ 9 \ 42 \ok\ \ ----------------------------------我們添加 16 字節的局部內存空間，并將直接命令更改為以下內容：
------------------------- \ len \ cnt \ty\ hd \op\ ------------------------- 0x|06:00|2A:00|00|06:40|01| ------------------------- \ 6 \ 42 \Re\16,6 \N \ \ \ \ \ \o \ \ \ \ \ \p \ -------------------------我們希望得到與上述相同的回復，實際上是：
---------------------------------- \ len \ cnt \rs\ Output \ –--------------------------------- 0x|09:00|2A:00|02|00:00:00:00:00:00| –--------------------------------- \ 9 \ 42 \ok\ \ ----------------------------------你的家庭作業
在進行第 2 課之前，你應該完成如下的家庭作業：
- 把一個小程序轉換為你喜歡的編程語言并把它集成進你喜歡的開發環境。
- 準備一些工具，因為一遍又一遍的從頭開始可不是一件讓人愉快的事情。我想到了以下設計：
- EV3 是一個類。
- BLUETOOTH，USB，WIFI，STD，ASYNC，SYNC 和 opNop 是公共常量。
- 連接 EV3 是 EV3 對象初始化的一部分，即協議的選擇通過以特定的參數調用 EV3 對象的構造函數完成。EV3 對象需要記住它的協議類型。socket 和 device 是 EV3 對象的 private 或 protected 變量。
- 給 EV3 發送數據通過 EV3 類的方法 send_direct_cmd 完成。你可以把示例的函數當作藍圖，但在內部你一定要區分協議。
- 為了從 EV3 接收數據，我們使用方法 wait_for_reply。你必須把函數 send_direct_cmd 的代碼拆分為兩個新的方法 send_direct_cmd 和 wait_for_reply。
- 添加一個屬性 verbosity，它控制是否打印已發送的直接命令和收到的回復。
- 添加一個屬性 sync_mode，它通過如下值控制通信的行為：
- SYNC：總是使用類型 DIRECT_COMMAND_REPLY 并等待響應。
- ASYNC：從不等待響應，當不使用全局內存時設置 DIRECT_COMMAND_NO_REPLY，其它情況設置 DIRECT_COMMAND_REPLY。
- STD：像 ASYNC 那樣設置 DIRECT_COMMAND_NO_REPLY 或 DIRECT_COMMAND_REPLY，但在 DIRECT_COMMAND_REPLY 的情況下等待響應。
- msg_cnt 是 EV3 對象的私有變量，每次調用 send_direct_cmd 這個值都會增加。使用它來設置消息計數器。
- 如例子中那樣，消息長度，消息計數器，消息類型和頭部都是在 send_direct_cmd 內部自動添加的。因此 send_direct_cmd 方法的參數 ops 真正地保存操作有關的信息而沒有其它東西。
- 做一些性能測試，并比較三種通信協議（你將看到，USB 最快，藍牙最慢，Wifi 居于中間，但你可能會賭三個協議之間的絕對值和因素）。
- 以 DIRECT_COMMAND_REPLY 重復發送 opNop 并計算一個發送接收循環的平均時間。
- 把連接的時間從發送和接收的時間中分離出來。你將只連接一次，但發送和接收循環的性能將限制你的應用程序。
譯者注：
以我本人手邊的設備，比較方便測試 USB 和藍牙的性能。我測試得到的，noop 操作的連接建立和消息發送性能如下：
| 藍牙 | 3.849 | 0.0872 |
| USB | 0.3204 | 0.004 |
結論
你開始編寫一個類 EV3，用于使用直接命令與 LEGO EV3 通信。這個類允許自由地選擇通信協議，并提供藍牙，USB 和 Wifi。我選擇的編程語言是 Python3。我使用 pydoc3 來展示我們的工程的實際狀態。我希望，你可以簡單地把它轉為你喜歡的語言。此刻，我們的類 EV3 具有如下的 API：
Help on module ev3:NAMEev3 - LEGO EV3 direct commandsCLASSESbuiltins.objectEV3class EV3(builtins.object)| object to communicate with a LEGO EV3 using direct commands| | Methods defined here:| | __del__(self)| closes the connection to the LEGO EV3| | __init__(self, protocol:str, host:str)| Establish a connection to a LEGO EV3 device| | Arguments:| protocol: 'Bluetooth', 'Usb' or 'Wifi'| host: mac-address of the LEGO EV3 (f.i. '00:16:53:42:2B:99')| | send_direct_cmd(self, ops:bytes, local_mem:int=0, global_mem:int=0) -> bytes| Send a direct command to the LEGO EV3| | Arguments:| ops: holds netto data only (operations), the following fields are added:| length: 2 bytes, little endian| counter: 2 bytes, little endian| type: 1 byte, DIRECT_COMMAND_REPLY or DIRECT_COMMAND_NO_REPLY| header: 2 bytes, holds sizes of local and global memory| | Keyword Arguments:| local_mem: size of the local memory| global_mem: size of the global memory| | Returns: | sync_mode is STD: reply (if global_mem > 0) or message counter| sync_mode is ASYNC: message counter| sync_mode is SYNC: reply of the LEGO EV3| | wait_for_reply(self, counter:bytes) -> bytes| Ask the LEGO EV3 for a reply and wait until it is received| | Arguments:| counter: is the message counter of the corresponding send_direct_cmd| | Returns:| reply to the direct command| | ----------------------------------------------------------------------| Data descriptors defined here:| | __dict__| dictionary for instance variables (if defined)| | __weakref__| list of weak references to the object (if defined)| | sync_mode| sync mode (standard, asynchronous, synchronous)| | STD: Use DIRECT_COMMAND_REPLY if global_mem > 0,| wait for reply if there is one.| ASYNC: Use DIRECT_COMMAND_REPLY if global_mem > 0,| never wait for reply (it's the task of the calling program).| SYNC: Always use DIRECT_COMMAND_REPLY and wait for reply.| | The general idea is:| ASYNC: Interruption or EV3 device queues direct commands,| control directly comes back.| SYNC: EV3 device is blocked until direct command is finished,| control comes back, when direct command is finished. | STD: NO_REPLY like ASYNC with interruption or EV3 queuing,| REPLY like SYNC, synchronicity of program and EV3 device.| | verbosity| level of verbosity (prints on stdout).DATABLUETOOTH = 'Bluetooth'USB = 'Usb'WIFI = 'Wifi'STD = 'STD'ASYNC = 'ASYSNC'SYNC = 'SYNC'opNop = b'\x01'我的 EV3 類是模塊 ev3 的一部分，文件名是 ev3.py。我使用如下程序測試我的 EV3 類：
#!/usr/bin/env python3import ev3my_ev3 = ev3.EV3(protocol=ev3.BLUETOOTH, host='00:16:53:42:2B:99') my_ev3.verbosity = 1ops = ev3.opNopprint("*** SYNC ***") my_ev3.sync_mode = ev3.SYNC my_ev3.send_direct_cmd(ops)print("*** ASYNC (no reply) ***") my_ev3.sync_mode = ev3.ASYNC my_ev3.send_direct_cmd(ops)print("*** ASYNC (reply) ***") counter_1 = my_ev3.send_direct_cmd(ops, global_mem=1) counter_2 = my_ev3.send_direct_cmd(ops, global_mem=1) my_ev3.wait_for_reply(counter_1) my_ev3.wait_for_reply(counter_2)print("*** STD (no reply) ***") my_ev3.sync_mode = ev3.STD my_ev3.send_direct_cmd(ops)print("*** STD (reply) ***") my_ev3.send_direct_cmd(ops, global_mem=5) my_ev3.send_direct_cmd(ops, global_mem=5)得到輸出：
*** SYNC *** 15:15:05.084275 Sent 0x|06:00|2A:00|00|00:00|01| 15:15:05.168023 Recv 0x|03:00|2A:00|02| *** ASYNC (no reply) *** 15:15:05.168548 Sent 0x|06:00|2B:00|80|00:00|01| *** ASYNC (reply) *** 15:15:05.168976 Sent 0x|06:00|2C:00|00|01:00|01| 15:15:05.169315 Sent 0x|06:00|2D:00|00|01:00|01| 15:15:05.212077 Recv 0x|04:00|2C:00|02|00| 15:15:05.212708 Recv 0x|04:00|2D:00|02|00| *** STD (no reply) *** 15:15:05.213034 Sent 0x|06:00|2E:00|80|00:00|01| *** STD (reply) *** 15:15:05.213411 Sent 0x|06:00|2F:00|00|05:00|01| 15:15:05.254032 Recv 0x|08:00|2F:00|02|00:00:00:00:00| 15:15:05.254633 Sent 0x|06:00|30:00|00|05:00|01| 15:15:05.313027 Recv 0x|08:00|30:00|02|00:00:00:00:00|一些備注：
- sync_mode = SYNC 設置 type = DIRECT_COMMAND_REPLY 并自動地等待響應，ok。
- sync_mode = ASYNC 設置 type = DIRECT_COMMAND_NO_REPLY，不等待，ok。
- 全局內存設置 type = DIRECT_COMMAND_REPLY 時 sync_mode = ASYNC，不等待。顯式地調用 wait_for_reply 方法獲得響應。
- 請特別尊重此變體。我們發送兩個直接命令，它們都被執行，且 EV3 設備保存響應。
- 當我們稍后詢問響應時，我們首先讀取第一條命令的響應。它似乎就像 EV3 是一個 FIFO（先進先出）。
- 但它也可以并行執行，但它也可以按照完成執行的順序執行并行和重復。我們將回到這一點。
- 模式 ASYNC 需要一些規律。如果你忘記了讀取響應，當你等待另一件事時，它會來。 我們使用消息計數器來揭示這種情況！
- 請小心 USB 協議！協議USB請小心！ 如果像我一樣直接發送異步命令，這可能會太快。
- sync_mode = STD，沒有全局內存設置 type = DIRECT_COMMAND_NO_REPLY，并且不等待回復，ok。
- sync_mode = STD，全局內存設置 type = DIRECT_COMMAND_REPLY，每個直接命令等待響應，ok。
- 消息計數器隨直接命令遞增，ok。
- 頭部正確保存全局內存的大小，ok。
如果你完成了作業，那么你已經為新的冒險做好了充分的準備。 我希望在下一課中再次見到你。
原文
總結
以上是生活随笔為你收集整理的EV3 直接命令 - 第一课 无为的艺术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： LEGO EV3 中执行 VSCode
- 下一篇： EV3 直接命令 - 第 2 课 让你的