创新教学方法在CAN教学中的应用

王铭 郭更生 王黎明

【摘要】CAN是控制器局域网络（Controller Area Network， CAN）的简称，是国际上应用最广泛的现场总线之一，在工业测控和工业自动化等领域的相关课程中多有涉及，同样也是在工业网络课程教学中的难点。按照传统的教学方法大多重理论而轻实践，实际效果并不理想。本文举例了CAN现场总线教学中较为突出的难点，进行了探究与总结，并根据CAN总线的实际将兴趣驱动与问题探索教学与研究型教学相结合，强化了实践内容，注重了学生应用能力的培养，取得了较好的教学效果。

【关键词】创新教学方法 CAN现场总线 工业自动化

【中图分类号】G424 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）08-0244-02

现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间，实现双向串行多节点数字通信的系统，是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，汇集了计算机技术、网络通信技术和自动控制技术的现场总线技术，而其中 CAN因为具有高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到关注，现已形成国际标准，被公认为几种最有前途的现场总线之一。但在教学的过程中有许多难点，学生无法很快地理解其中的内容，其中传输时间问题和传输冲突检测问题是较为突出的两个难点。为将难点有效地转化为学生的知识点，采用创新教学方法进行探索总结具有重要意义。

1.关于传输时间的理解

1.1通信时间概念

CAN总线属于异步串口通信的方式，这种通信方式是不传输时钟同步信号的，各个接收器按事先设置的节拍（波特率）来对总线上的电平信号进行分片，每一片的值就代表一个位，就像每个接收器都有一个秒表，时间一到就读总线电平状态。在这块内容的教学中宜采用兴趣驱动与问题探索的教学方法进行教学。培养学生兴趣驱动、发现问题、探索问题的能力。

异步串行通信的优点是减少了一根时钟线；缺点是各接收器的时钟不可能完全一致，总是会有一些偏差，有些偏快，有些偏慢，有些误差会累计直到通信出错。例如，一个节点的实际波特率比标注值大1%，那么这种误差在100个位以后会累计达到1个位，从而使通信出错。就像有的表快，有的表慢，短时间看不出来，过几天误差就显示出来了。这时可以将问题抛给学生，让学生自行提出解决的方案。

实际上，要解决这个问题，很容易的办法就是提高时钟精度。大家都带上极其精准的手表，就可以保证长时间没有误差。但是这样会使设备成本增加，同时这种办法也是减少了误差，并不能消除累计误差。这一内容讲授之后，对学生的方案进行点评，对于有问题的方案指出问题出在哪里或是进行实验自行探究方案的可行性；对于可行的方案，指出方案的优势在哪里，又有哪些地方有待优化，以此激发学生对内容的兴趣，提升参与度。

聪明的工程师想到了更经济、可靠的方法——同步。同步就像给钟表校时一样，隔一段时间所有的时钟就同步一次（例如归零）。这样尽管大家的时钟仍有误差，但是可以消除累计误差。CAN总线规定信号的跳变即为同步信号，所以只要有信号变化，节点时钟就会被同步。经过综合考虑，CAN总线同步的最大周期为5个位。但是因为传输的数据内容不可能都满足最长5個位就要变化一次，于是CAN总线进一步作了规范，如果传输的信号连续5个位是相同的，就要插入一个电瓶相反的位，这个额外的位称为“位填充”，接收方会自动过滤填充位。整个插入与过滤的过程都在CAN控制器中自动完成，用户程序无需干预。此时，让学生讨论这一方案的优势在哪里，以此来加深学生对于正确概念的印象与认知。

2.传输冲突检测理解

2.1传输冲突检测概念

CAN总线的MAC层在进行总线仲裁时，是基于CSMA/NDBA（载波监听多路访问/非破坏性的位元形式仲裁）技术的仲裁，是采用CSMA/CD（/冲突检测方法）与NDBA相结合的仲裁技术。CSMA/CD方式保证了所有节点都能够在总线空闲后立即发送信息。NDBA则利用NRZ（非零位复原）技术，当多个节点进行总线竞争时，保证优先级最高的节点仍然能够正常的传输数据。

在学习这部分内容时宜采用研究型教学法，是指教师以课程内容和学生的学识积累为基础，在教学过程中通过优化课程结构，将学习、实践、研究有机结合起来，充分发挥学生的主体作用，使学生能创造性地运用知识和能力，在主动探索、主动思考、主动实践的研究过程中，自主地发现问题、研究问题和解决问题，彰显创造性特色的一种教学模式。

研究型教学由五个基本环节组成：引导、指导与自学、精讲与答疑、研讨与回顾和训练与总结。五个教学环节，相对独立、互相依存、分别作用，形成了一个有机整体，层层深入和环环紧扣，该方法将教学由传统的单向灌输式转变为了创新的启发互动式。

我们知道一个CAN现场总线上会挂很多CAN节点，只要总线空闲，它们都可以主动发送报文（CSMA/CD方式）。我们可以想象，如果在同一时刻有多个节点同时发送数据帧，则可能出现数据相互干扰的问题，就像一条铁轨不能在同一时刻跑多列火车一样。聪明的工程师想到了标识符逐位仲裁的方法（NDBA的非破坏性仲裁技术），仲裁的机制确保了报文和时间均不损失，该方法的基础就是“线与”原理。

2.2“线与”概念

什么是“线与”呢？在CAN总线的位中，逻辑“0”被称作显性位，逻辑“1”被称作隐性位。输出信号时节点内部的开关断开（输出隐性电平）时，因为上拉电阻的存在，输出为高电平。开关闭合（输出显性电平）时，输出则变为低电平。因为所有收发器的输出开关都是并联的，所以当有一个或多个开关闭合时，即使其他节点输出高电平（隐性电平），线路电平仍然为低。这种关系和逻辑“与”相同，所以被称为线“与”。CAN采用总线拓扑结构，各节点的发送电路的端口用集电极开路门实现，因此可以实现“线与”。关于“线与”的知识点相比之下理解起来较为容易，交由学生在课前自行学习。学生事先掌握了“线与”知识，对仲裁教学内容的展开有积极的推动作用。在实际的课堂中效果十分显著，学生十分轻松的对帧的“显”“隐”性有一个清晰的认识。

2.3CSMA/CD与NDBA仲裁

所有侦听到总线空闲的节点同时发送帧，且帧起始的上升沿同步。然后，各个帧的仲裁场中的标识符在总线同时相遇，各位标识符逐位进行“线与”，进行冲突仲裁。在一条CAN总线上，当“显性”位和“隐性”位进行线与时，“显性”位覆盖“隐性”位，即“隐性”位在竞争中退出。发送节点在发送数据的同时，也对总线上的数据进行检测。如果发送节点发送的数据与总线上的数据相同，则发送节点继续发送下一位数据。如果发送節点发送的数据与总线上的数据不相同，即发送的是“1”，但总线上的数据是“0”，则发送节点立即停止发送。标识符逐位仲裁结束后，最后剩余的仍然在发送数据的节点获得了信息优先发送权，继续发送帧后面的各个场域。中途停止发送数据的节点则采用CSMA/CD方式等待下一次发送。

CSMA/CD与NDBA仲裁方式也可以利用下面的例子进行说明。某采用标准帧格式的CAN总线处于空闲状态时，三个等待发送信息的节点A、B、C同时向总线发送了信息。在帧起始实现由“显性”位到“隐形”位上升跳变沿的同步。然后，三个节点的标识符从高位到低位逐位“线与”。在第二个标识符位，节点C发送的数据是“1”，而总线上的数据是“0”，节点C停止发送信息，节点A和B继续发送信息。在第8个标示符位，节点B发送的数据是“1”，而总线上的数据是“0”，节点B停止发送信息，节点A继续发送信息。最后，只剩下节点A，其继续发送控制场、数据场等数据。节点B和C则继续等待总线空闲后，再发送信息。

简而言之，CAN控制器在发送的同时，会监听总线的当前电平是否与自己发送的电平一致，如果不一致发生在仲裁域，就会迫使输出隐性电平的节点退出发送；如果发生在其他域，则会出现触发错误。利用CSMA/NDBA技术，使得当信号在CAN总线上发生冲突时，既不会破坏信号，又不会浪费带宽，保证优先级较高的信号的吞吐率。在这部分内容上可以采取事先告诉学生结论，让学生进行自主探讨研究这一结论的原因。在这之后组织进行验证性的实验，对学生提出的结论进行验证并进一步加深学生对知识的掌握。

3.结束语

对传输时间问题和传输冲突检测问题分别采取了兴趣驱动与问题探索的教学方法和研究型的教学方法，使学生理解CAN现场总线的特点与技术要点时效果较好，取得了一定成果，希望给当前的CAN现场总线教学以一定的启发。

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