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开源硬件算法设计中时间控制的策略与教育价值

摘要：新课标背景下的开源硬件算法设计教学中，要考虑时间控制问题，注重算法编程与硬件的连接执行、软硬件的衔接和协调、硬件的响应速度和执行效率问题，特别是时间编程模块的有效应用和控制。教学中要加强对学生时序控制的计算思维的锻炼，让学生理解抽象概念，提高逻辑思维和时间管理能力，引导学生将编程应用于实际问题的解决和创新，提升适应未来发展需要的必备素养。

关键词：信息科技；开源硬件；编程；时间控制；计算思维

0引言

开源硬件在信息科技教育中发挥着重要的作用，为教与学开辟了相对简单的途径，为完成《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）中的“过程与控制”“身边的算法”提供了合适的工具选择，有助于提升学生计算思维能力品质。在开源硬件教学实践过程中，要注重算法编程、机器语言编译与硬件的连接执行，也不能忽略软硬件的衔接和协调以及硬件的响应速度与执行效率问题，尤其要重视时间编程模块的有效应用和控制，加强对学生时序控制的计算思维的锻炼，注重培养学生在真实情境中解决问题的能力，提升以学生发展为中心的核心素养。

1开源硬件在编程过程中的时间控制设计

应用

在基于硬件的图形化编程中有“等待1秒”的命令模块，类似还有“等待直到”和时钟控制等模块语句，都能实现时间控制的功能。从表象上看，时间控制反映在硬件的整体响应速度和执行效率上。动作速度和效率对于不同类型的开源硬件开发有不同的重要性，例如：生产线上的工业机器人需要快速、准确地执行重复任务，提高生产效率，对动作速度和准确性要求非常高；服务型机器人需要在与人类互动时保持安全和平稳的动作，对动作的平稳和精准要求超过对速度的要求。因此，开源硬件的时间控制非常重要，合适的时间控制，让程序编写逻辑性更强，与硬件匹配度更高，无差错输出到硬件的机器语言更高效；合适的时间控制，让硬件动作更加流畅，避免运行报错、硬件运行不平稳或是无响应动作的情况，符合人类设计和审美需求。

1.1主动设计应激时间

受限于硬件的应激反应灵敏性，开源硬件的应激时间的程序编写要充分考虑硬件极限参数和传输反应。如舵机的控制与时间模块的关系，舵机的控制涉及确定舵机应该停留在特定位置的时间长度，使用时间模块确定舵机何时应该开始移动、移动到特定位置后停留多长时间再移动到下一个位置。在开源硬件中，常规使用的舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5～2.5ms范围内的角度控制脉冲部分[1]，一般为0.22/60°或0.18/60°，当更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。因此，时间模块在舵机控制系统中起着重要作用，确保舵机按照预期的方式进行移动和停留。应激时间的实践测算，包括从传感器受激，到承担动作反馈的硬件反应的时间延时，再到完成预计划动作的时间间隔。再如DHT11温湿度传感器供电电压为3～5.5V，传感器上电后，要等待1s越过不稳定状态，在此期间无须发送任何指令。微处理器与DHT11之间的通信和同步，采用单总线数据格式，一次通信时间是4ms左右，温湿度传感器的初始响应时间是6～30s。在图形化编程过程中，单纯的信息显示采用间隔1s采集信息一次，通过循环语句的执行时让主控板与传感器之间有频率匹配的间歇，符合人性化的信息采集需求，也防止无时间控制干预下的硬件发热现象。

1.2有效预留等待时间

根据具体的应用场景和需求，选择合适的时间库函数并结合硬件控制的需求进行编程，在程序中有时需要进行一些延时操作，如等待传感器稳定、执行某项功能后需要等待一段时间等。如掌控板在Mind+编程环境下，扩展导入网络模块连接到Wi-Fi网络，需要“等待直到”网络连接成功。在实践中，程序需要等待网络连接建立、传感器读数稳定后才能执行下一步操作。设置等待时间后，要确保程序正确地执行后续操作、访问所需网络资源。

再如扩展导入物联网模块时，会出现需要“等待直到”的设置。在连接物联网设备时，要确保有足够的等待时间应对网络延迟或网络不稳定的情况，保障连接的顺利进行。一些物联网设备需要一定时间响应连接请求，因此，设置等待时间非常重要，不仅可以为建立连接提供额外的时间，确保在尝试连接之后给设备充分的响应时间，而且超时后，通过重试机制，可以多次持续尝试连接，直至成功建立连接。这样可以提高物联网应用程序的稳定性和可靠性，避免连接过程中的各种异常情况。此外，基于MQTT协议的物联网双向信息交流，发送消息也需要预留等待时间，否则会出现数据丢失或卡顿。

在考虑硬件反应时间和真实环境中的不确定因素后，加入适当的时间等待控制，需要进行状态监测，掌握当前运行阶段。如基于ESP32和ESP8266的掌控板，在连接Wi-Fi网络或是物联网过程中，需要在屏幕上监督连接状态并跟踪动作运行