CAN总线故障分析仪的实验教学研究*

◆孙进 丁静 徐晶

CAN总线故障分析仪的实验教学研究*

◆孙进 丁静 徐晶

近年来CAN总线在各领域应用越来越广，为适应现代企业发展需求，针对学生在CAN总线学习过程中遇到的一系列故障问题，将CANScope总线分析仪与PLC教学实训平台网络控制系统相结合，提出一种新的教学方案，旨在培养学生解决现场总线故障问题的分析和处理能力。

CAN总线；CANScope总线分析仪；实验教学

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.138

1　前言

利用现场总线技术、工业组态软件技术，建立具有多层网络的实验软硬件平台，可以让学生在整个实验过程中充分感受PLC技术的特点和现场总线及网络化技术的优越性。高校也开设各种教学实践环节来使学生熟悉现场总线各种功能，但是学生解决实际问题的能力依然得不到锻炼，面对CAN总线实训过程中的各种故障总是束手无策。

本课题利用CANScope总线分析仪展开基于物理层的分析、基于数据链路层的分析、基于传输层的分析、基于协议层的分析等系列测试来开展教学研究，以达到以下目的：

1）利用CANScope总线分析仪提高学生解决实际问题的能力；

2）接近工程实践，利用控制系统综合训练平台接口，提升学生二次研发能力。

2　CAN总线故障分析仪概述

CANScope分析仪是CAN总线实验测试专业工具，能够实现将海量存储示波器、网络分析、误码率分析、协议分析及可靠性测试工具以及各种仪器有机结合；对CAN总线开发测试方法进行重新编辑定义，从而对CAN网络通信进行全方位评估与检测。

利用CANScope不仅可以分析造成CAN总线故障的原因，还可以通过观察总线的CAN-H、CAN-L以及压差电压的波形并且记载下来，结合观察CAN信号的瞬变情况，从而确定噪声的特性是否发生变化。对具体模块进行调试，全程的示波器显示、超长的波形存储、详细的报文记录、精准的出错定位，可以帮助学生快速定位故障节点，解决CAN总线应用的各种问题。软件主界面如图1所示，4个窗口分别为报文窗口、示波器窗口、CAN波形窗口、眼图窗口。所以CANScope是将CAN接口卡、示波器、逻辑分析仪三者结合在一起的综合分析仪器，能解决CAN总线的大部分故障。

3　故障分析方法实例介绍

波特率是学生首要了解的CAN总线实验中的基本要素，若波特率有所偏差或者不匹配，识别信号就会错误，造成无法通信或者通信异常。波特率出错的情形一般有仪器受到极端温度的影响从而出现晶振偏差、CAN控制器内部产生错误的波特率、晶振频率选用不当。CANScope具备自动匹配与统计波特率的功能，可以直接看出总线上的波特率状况。下面讲述根据测量波特率来排查位定时异常节点的步骤。

图1　软件主窗口

*项目来源：2015年扬州大学教改课题“面向卓越计划的PLC教学实训平台网络控制系统的教学改革研究”（基金编号：YZUJX2014—50C）；“基于创新项目的‘汽车设计’研究性教学改革”（基金编号：YZUJX2015—4A）。作者：孙进，扬州大学机械工程学院，博士，研究方向为机电一体化工程；丁静、徐晶，扬州大学机械工程学院（225127）。

首先将CANScope的CANH、CANL接入总线，打开软件，在CAN报文界面，使能侦测波特率，等CANScope自动匹配到波特率结果后点击开启，然后点击自动量程，CANScope自动匹配测量；打开眼图菜单，点击开启眼图，系统便会自动生成眼图，接下来可以通过点击电压测量和时间测量，来对眼图的位宽和位高进行测量，波特率的倒数就是位宽，这样便可以获得精确的波特率；若无眼图出现，可能是因为波形过少，可以等待一段时间，让波形叠加次数增加或者可以在报文界面多点击几次自动量程（如图2～5所示）。

下面结合典型案例可以让故障分析简单明了，避免学生难以理解。如图6所示，在这个波特率为250 K的总线上，CANScope测出250.6 K的波特率。首先可以排除由于测量误差造成的误差，因为波特率是分析仪通过大量的位宽平均计算出来的，所以可确定总线上的某些节点的波特率出现错误，波特率有一点儿的偏差都会增大误差的概率，降低CAN重同步纠错能力，出现重发的无效数据次数增多，数据传输延迟等现象。因此，保证准确的波特率是CAN通信中最基本的要求。

当发现波特率出现故障后，需要找到波特率不匹配的节点，具体方法为：通过CANScope眼图反溯功能找到节点，将其程序中的位定时寄存器或者晶振修改为正确位时间；或将总线上的每个节点单独上电，用眼图功能逐一测试其波特率，找到故障节点。如果按照上述做法仍然无法解决问题，或者无法修改故障节点的程序，这时需要考虑采样点是否一致，修改正常节点波特率寄存器中的同步跳转宽度SJW值来加大位宽度和采样点的容忍度。若出现所有节点都无法修改的情况，则需采用CAN网桥串联在故障节点上的方式，用CAN网桥来调整两端的波特率寄存器匹配值，确保仪器正常通信。

4　理论与教学的结合

图2　侦测波特率

图3　自动量程

图4　开启眼图

按照以往的CAN总线教学模式，可以根据遇到的问题来确定一节课的学习目标，让学生明白自己的学习要求。可以先给学生创造一个实验环境，由学生自己试着解决遇到的故障，如果遇到非常困难的，可以由教师先行示范并分析解决。学生在深入学习的过程中，往往会产生各种想法并通过实验进行尝试，而且有可能钻研出新的故障分析方法。教师在教学中应鼓励这种自主学习，这样才能锻炼和提高学生的自主创新意识。教师应尽可能提供CAN总线教学平台环境，使得学生能够举一反三，在学习中进步。

5　结语

PLC教学实践环节是机电传动控制课程的重要教学环节，在此基础上展开现场总线知识、CAN总线的故障分析以及CAN总线简易系统搭建的教学方案，不仅有利于学生尽可能接近工业实际掌握现场总线以及基于CAN总线的群控和通信知识，而且针对培养学生作为未来机电工程师所具备的素养，使学生尽快适应实际工作需要，面向卓越工程

图5　眼图

图6　波特率出错图

师教育培养计划的需求，都具有重要的实践意义。■

［1］孙进，等.基于Capstone-CDIO的机电一体化课程体系实践与评价研究［J］.中国教育技术装备，2013（30）：76-77.

［2］王红霞，等.基于CANoe和CANScope的CAN总线故障诊断及分析应用［J］.现代计算机：专业版，2015（31）：61-65.

［3］张焱.基于校园网的材料力学实验教学平台建设［J］.中国教育技术装备，2012（30）：48-49.

［4］高彩云.网络环境下国际贸易实务课程教学设计初探［J］.中国教育技术装备，2012（30）：52-53.

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