創(chuàng)新教學(xué)方法在CAN教學(xué)中的應(yīng)用

王銘+郭更生+王黎明

【摘要】CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network， CAN）的簡稱，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，在工業(yè)測控和工業(yè)自動化等領(lǐng)域的相關(guān)課程中多有涉及，同樣也是在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中的難點(diǎn)。按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法大多重理論而輕實(shí)踐，實(shí)際效果并不理想。本文舉例了CAN現(xiàn)場總線教學(xué)中較為突出的難點(diǎn)，進(jìn)行了探究與總結(jié)，并根據(jù)CAN總線的實(shí)際將興趣驅(qū)動與問題探索教學(xué)與研究型教學(xué)相結(jié)合，強(qiáng)化了實(shí)踐內(nèi)容，注重了學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，取得了較好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】創(chuàng)新教學(xué)方法 CAN現(xiàn)場總線 工業(yè)自動化

【中圖分類號】G424 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）08-0244-02

現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間，實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，是一種開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，匯集了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動控制技術(shù)的現(xiàn)場總線技術(shù)，而其中 CAN因?yàn)榫哂懈咝阅?、高可靠性以及?dú)特的設(shè)計(jì)而越來越受到關(guān)注，現(xiàn)已形成國際標(biāo)準(zhǔn)，被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。但在教學(xué)的過程中有許多難點(diǎn)，學(xué)生無法很快地理解其中的內(nèi)容，其中傳輸時間問題和傳輸沖突檢測問題是較為突出的兩個難點(diǎn)。為將難點(diǎn)有效地轉(zhuǎn)化為學(xué)生的知識點(diǎn)，采用創(chuàng)新教學(xué)方法進(jìn)行探索總結(jié)具有重要意義。

1.關(guān)于傳輸時間的理解

1.1通信時間概念

CAN總線屬于異步串口通信的方式，這種通信方式是不傳輸時鐘同步信號的，各個接收器按事先設(shè)置的節(jié)拍（波特率）來對總線上的電平信號進(jìn)行分片，每一片的值就代表一個位，就像每個接收器都有一個秒表，時間一到就讀總線電平狀態(tài)。在這塊內(nèi)容的教學(xué)中宜采用興趣驅(qū)動與問題探索的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。培養(yǎng)學(xué)生興趣驅(qū)動、發(fā)現(xiàn)問題、探索問題的能力。

異步串行通信的優(yōu)點(diǎn)是減少了一根時鐘線；缺點(diǎn)是各接收器的時鐘不可能完全一致，總是會有一些偏差，有些偏快，有些偏慢，有些誤差會累計(jì)直到通信出錯。例如，一個節(jié)點(diǎn)的實(shí)際波特率比標(biāo)注值大1%，那么這種誤差在100個位以后會累計(jì)達(dá)到1個位，從而使通信出錯。就像有的表快，有的表慢，短時間看不出來，過幾天誤差就顯示出來了。這時可以將問題拋給學(xué)生，讓學(xué)生自行提出解決的方案。

實(shí)際上，要解決這個問題，很容易的辦法就是提高時鐘精度。大家都帶上極其精準(zhǔn)的手表，就可以保證長時間沒有誤差。但是這樣會使設(shè)備成本增加，同時這種辦法也是減少了誤差，并不能消除累計(jì)誤差。這一內(nèi)容講授之后，對學(xué)生的方案進(jìn)行點(diǎn)評，對于有問題的方案指出問題出在哪里或是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)自行探究方案的可行性；對于可行的方案，指出方案的優(yōu)勢在哪里，又有哪些地方有待優(yōu)化，以此激發(fā)學(xué)生對內(nèi)容的興趣，提升參與度。

聰明的工程師想到了更經(jīng)濟(jì)、可靠的方法——同步。同步就像給鐘表校時一樣，隔一段時間所有的時鐘就同步一次（例如歸零）。這樣盡管大家的時鐘仍有誤差，但是可以消除累計(jì)誤差。CAN總線規(guī)定信號的跳變即為同步信號，所以只要有信號變化，節(jié)點(diǎn)時鐘就會被同步。經(jīng)過綜合考慮，CAN總線同步的最大周期為5個位。但是因?yàn)閭鬏數(shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容不可能都滿足最長5個位就要變化一次，于是CAN總線進(jìn)一步作了規(guī)范，如果傳輸?shù)男盘栠B續(xù)5個位是相同的，就要插入一個電瓶相反的位，這個額外的位稱為“位填充”，接收方會自動過濾填充位。整個插入與過濾的過程都在CAN控制器中自動完成，用戶程序無需干預(yù)。此時，讓學(xué)生討論這一方案的優(yōu)勢在哪里，以此來加深學(xué)生對于正確概念的印象與認(rèn)知。

2.傳輸沖突檢測理解

2.1傳輸沖突檢測概念

CAN總線的MAC層在進(jìn)行總線仲裁時，是基于CSMA/NDBA（載波監(jiān)聽多路訪問/非破壞性的位元形式仲裁）技術(shù)的仲裁，是采用CSMA/CD（/沖突檢測方法）與NDBA相結(jié)合的仲裁技術(shù)。CSMA/CD方式保證了所有節(jié)點(diǎn)都能夠在總線空閑后立即發(fā)送信息。NDBA則利用NRZ（非零位復(fù)原）技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行總線競爭時，保證優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)仍然能夠正常的傳輸數(shù)據(jù)。

在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時宜采用研究型教學(xué)法，是指教師以課程內(nèi)容和學(xué)生的學(xué)識積累為基礎(chǔ)，在教學(xué)過程中通過優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，將學(xué)習(xí)、實(shí)踐、研究有機(jī)結(jié)合起來，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，使學(xué)生能創(chuàng)造性地運(yùn)用知識和能力，在主動探索、主動思考、主動實(shí)踐的研究過程中，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，彰顯創(chuàng)造性特色的一種教學(xué)模式。

研究型教學(xué)由五個基本環(huán)節(jié)組成：引導(dǎo)、指導(dǎo)與自學(xué)、精講與答疑、研討與回顧和訓(xùn)練與總結(jié)。五個教學(xué)環(huán)節(jié)，相對獨(dú)立、互相依存、分別作用，形成了一個有機(jī)整體，層層深入和環(huán)環(huán)緊扣，該方法將教學(xué)由傳統(tǒng)的單向灌輸式轉(zhuǎn)變?yōu)榱藙?chuàng)新的啟發(fā)互動式。

我們知道一個CAN現(xiàn)場總線上會掛很多CAN節(jié)點(diǎn)，只要總線空閑，它們都可以主動發(fā)送報文（CSMA/CD方式）。我們可以想象，如果在同一時刻有多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送數(shù)據(jù)幀，則可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)相互干擾的問題，就像一條鐵軌不能在同一時刻跑多列火車一樣。聰明的工程師想到了標(biāo)識符逐位仲裁的方法（NDBA的非破壞性仲裁技術(shù)），仲裁的機(jī)制確保了報文和時間均不損失，該方法的基礎(chǔ)就是“線與”原理。

2.2“線與”概念

什么是“線與”呢？在CAN總線的位中，邏輯“0”被稱作顯性位，邏輯“1”被稱作隱性位。輸出信號時節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的開關(guān)斷開（輸出隱性電平）時，因?yàn)樯侠娮璧拇嬖?，輸出為高電平。開關(guān)閉合（輸出顯性電平）時，輸出則變?yōu)榈碗娖健Ｒ驗(yàn)樗惺瞻l(fā)器的輸出開關(guān)都是并聯(lián)的，所以當(dāng)有一個或多個開關(guān)閉合時，即使其他節(jié)點(diǎn)輸出高電平（隱性電平），線路電平仍然為低。這種關(guān)系和邏輯“與”相同，所以被稱為線“與”。CAN采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送電路的端口用集電極開路門實(shí)現(xiàn)，因此可以實(shí)現(xiàn)“線與”。關(guān)于“線與”的知識點(diǎn)相比之下理解起來較為容易，交由學(xué)生在課前自行學(xué)習(xí)。學(xué)生事先掌握了“線與”知識，對仲裁教學(xué)內(nèi)容的展開有積極的推動作用。在實(shí)際的課堂中效果十分顯著，學(xué)生十分輕松的對幀的“顯”“隱”性有一個清晰的認(rèn)識。

2.3CSMA/CD與NDBA仲裁

所有偵聽到總線空閑的節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送幀，且?guī)鹗嫉纳仙赝?。然后，各個幀的仲裁場中的標(biāo)識符在總線同時相遇，各位標(biāo)識符逐位進(jìn)行“線與”，進(jìn)行沖突仲裁。在一條CAN總線上，當(dāng)“顯性”位和“隱性”位進(jìn)行線與時，“顯性”位覆蓋“隱性”位，即“隱性”位在競爭中退出。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，也對總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)與總線上的數(shù)據(jù)相同，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送下一位數(shù)據(jù)。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)與總線上的數(shù)據(jù)不相同，即發(fā)送的是“1”，但總線上的數(shù)據(jù)是“0”，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送。標(biāo)識符逐位仲裁結(jié)束后，最后剩余的仍然在發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)獲得了信息優(yōu)先發(fā)送權(quán)，繼續(xù)發(fā)送幀后面的各個場域。中途停止發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)則采用CSMA/CD方式等待下一次發(fā)送。

CSMA/CD與NDBA仲裁方式也可以利用下面的例子進(jìn)行說明。某采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式的CAN總線處于空閑狀態(tài)時，三個等待發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)A、B、C同時向總線發(fā)送了信息。在幀起始實(shí)現(xiàn)由“顯性”位到“隱形”位上升跳變沿的同步。然后，三個節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識符從高位到低位逐位“線與”。在第二個標(biāo)識符位，節(jié)點(diǎn)C發(fā)送的數(shù)據(jù)是“1”，而總線上的數(shù)據(jù)是“0”，節(jié)點(diǎn)C停止發(fā)送信息，節(jié)點(diǎn)A和B繼續(xù)發(fā)送信息。在第8個標(biāo)示符位，節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的數(shù)據(jù)是“1”，而總線上的數(shù)據(jù)是“0”，節(jié)點(diǎn)B停止發(fā)送信息，節(jié)點(diǎn)A繼續(xù)發(fā)送信息。最后，只剩下節(jié)點(diǎn)A，其繼續(xù)發(fā)送控制場、數(shù)據(jù)場等數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)B和C則繼續(xù)等待總線空閑后，再發(fā)送信息。

簡而言之，CAN控制器在發(fā)送的同時，會監(jiān)聽總線的當(dāng)前電平是否與自己發(fā)送的電平一致，如果不一致發(fā)生在仲裁域，就會迫使輸出隱性電平的節(jié)點(diǎn)退出發(fā)送；如果發(fā)生在其他域，則會出現(xiàn)觸發(fā)錯誤。利用CSMA/NDBA技術(shù)，使得當(dāng)信號在CAN總線上發(fā)生沖突時，既不會破壞信號，又不會浪費(fèi)帶寬，保證優(yōu)先級較高的信號的吞吐率。在這部分內(nèi)容上可以采取事先告訴學(xué)生結(jié)論，讓學(xué)生進(jìn)行自主探討研究這一結(jié)論的原因。在這之后組織進(jìn)行驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生提出的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)一步加深學(xué)生對知識的掌握。

3.結(jié)束語

對傳輸時間問題和傳輸沖突檢測問題分別采取了興趣驅(qū)動與問題探索的教學(xué)方法和研究型的教學(xué)方法，使學(xué)生理解CAN現(xiàn)場總線的特點(diǎn)與技術(shù)要點(diǎn)時效果較好，取得了一定成果，希望給當(dāng)前的CAN現(xiàn)場總線教學(xué)以一定的啟發(fā)。

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