CAN總線故障分析儀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究*

◆孫進(jìn) 丁靜 徐晶

CAN總線故障分析儀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究*

◆孫進(jìn) 丁靜 徐晶

近年來(lái)CAN總線在各領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣，為適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展需求，針對(duì)學(xué)生在CAN總線學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的一系列故障問(wèn)題，將CANScope總線分析儀與PLC教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相結(jié)合，提出一種新的教學(xué)方案，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決現(xiàn)場(chǎng)總線故障問(wèn)題的分析和處理能力。

CAN總線；CANScope總線分析儀；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

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

1　前言

利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)組態(tài)軟件技術(shù)，建立具有多層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)軟硬件平臺(tái)，可以讓學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中充分感受PLC技術(shù)的特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)總線及網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的優(yōu)越性。高校也開設(shè)各種教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)來(lái)使學(xué)生熟悉現(xiàn)場(chǎng)總線各種功能，但是學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力依然得不到鍛煉，面對(duì)CAN總線實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的各種故障總是束手無(wú)策。

本課題利用CANScope總線分析儀展開基于物理層的分析、基于數(shù)據(jù)鏈路層的分析、基于傳輸層的分析、基于協(xié)議層的分析等系列測(cè)試來(lái)開展教學(xué)研究，以達(dá)到以下目的：

1）利用CANScope總線分析儀提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力；

2）接近工程實(shí)踐，利用控制系統(tǒng)綜合訓(xùn)練平臺(tái)接口，提升學(xué)生二次研發(fā)能力。

2　CAN總線故障分析儀概述

CANScope分析儀是CAN總線實(shí)驗(yàn)測(cè)試專業(yè)工具，能夠?qū)崿F(xiàn)將海量存儲(chǔ)示波器、網(wǎng)絡(luò)分析、誤碼率分析、協(xié)議分析及可靠性測(cè)試工具以及各種儀器有機(jī)結(jié)合；對(duì)CAN總線開發(fā)測(cè)試方法進(jìn)行重新編輯定義，從而對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行全方位評(píng)估與檢測(cè)。

利用CANScope不僅可以分析造成CAN總線故障的原因，還可以通過(guò)觀察總線的CAN-H、CAN-L以及壓差電壓的波形并且記載下來(lái)，結(jié)合觀察CAN信號(hào)的瞬變情況，從而確定噪聲的特性是否發(fā)生變化。對(duì)具體模塊進(jìn)行調(diào)試，全程的示波器顯示、超長(zhǎng)的波形存儲(chǔ)、詳細(xì)的報(bào)文記錄、精準(zhǔn)的出錯(cuò)定位，可以幫助學(xué)生快速定位故障節(jié)點(diǎn)，解決CAN總線應(yīng)用的各種問(wèn)題。軟件主界面如圖1所示，4個(gè)窗口分別為報(bào)文窗口、示波器窗口、CAN波形窗口、眼圖窗口。所以CANScope是將CAN接口卡、示波器、邏輯分析儀三者結(jié)合在一起的綜合分析儀器，能解決CAN總線的大部分故障。

3　故障分析方法實(shí)例介紹

波特率是學(xué)生首要了解的CAN總線實(shí)驗(yàn)中的基本要素，若波特率有所偏差或者不匹配，識(shí)別信號(hào)就會(huì)錯(cuò)誤，造成無(wú)法通信或者通信異常。波特率出錯(cuò)的情形一般有儀器受到極端溫度的影響從而出現(xiàn)晶振偏差、CAN控制器內(nèi)部產(chǎn)生錯(cuò)誤的波特率、晶振頻率選用不當(dāng)。CANScope具備自動(dòng)匹配與統(tǒng)計(jì)波特率的功能，可以直接看出總線上的波特率狀況。下面講述根據(jù)測(cè)量波特率來(lái)排查位定時(shí)異常節(jié)點(diǎn)的步驟。

圖1　軟件主窗口

*項(xiàng)目來(lái)源：2015年揚(yáng)州大學(xué)教改課題“面向卓越計(jì)劃的PLC教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的教學(xué)改革研究”（基金編號(hào)：YZUJX2014—50C）；“基于創(chuàng)新項(xiàng)目的‘汽車設(shè)計(jì)’研究性教學(xué)改革”（基金編號(hào)：YZUJX2015—4A）。作者：孫進(jìn)，揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化工程；丁靜、徐晶，揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（225127）。

首先將CANScope的CANH、CANL接入總線，打開軟件，在CAN報(bào)文界面，使能偵測(cè)波特率，等CANScope自動(dòng)匹配到波特率結(jié)果后點(diǎn)擊開啟，然后點(diǎn)擊自動(dòng)量程，CANScope自動(dòng)匹配測(cè)量；打開眼圖菜單，點(diǎn)擊開啟眼圖，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)生成眼圖，接下來(lái)可以通過(guò)點(diǎn)擊電壓測(cè)量和時(shí)間測(cè)量，來(lái)對(duì)眼圖的位寬和位高進(jìn)行測(cè)量，波特率的倒數(shù)就是位寬，這樣便可以獲得精確的波特率；若無(wú)眼圖出現(xiàn)，可能是因?yàn)椴ㄐ芜^(guò)少，可以等待一段時(shí)間，讓波形疊加次數(shù)增加或者可以在報(bào)文界面多點(diǎn)擊幾次自動(dòng)量程（如圖2～5所示）。

下面結(jié)合典型案例可以讓故障分析簡(jiǎn)單明了，避免學(xué)生難以理解。如圖6所示，在這個(gè)波特率為250 K的總線上，CANScope測(cè)出250.6 K的波特率。首先可以排除由于測(cè)量誤差造成的誤差，因?yàn)椴ㄌ芈适欠治鰞x通過(guò)大量的位寬平均計(jì)算出來(lái)的，所以可確定總線上的某些節(jié)點(diǎn)的波特率出現(xiàn)錯(cuò)誤，波特率有一點(diǎn)兒的偏差都會(huì)增大誤差的概率，降低CAN重同步糾錯(cuò)能力，出現(xiàn)重發(fā)的無(wú)效數(shù)據(jù)次數(shù)增多，數(shù)據(jù)傳輸延遲等現(xiàn)象。因此，保證準(zhǔn)確的波特率是CAN通信中最基本的要求。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)波特率出現(xiàn)故障后，需要找到波特率不匹配的節(jié)點(diǎn)，具體方法為：通過(guò)CANScope眼圖反溯功能找到節(jié)點(diǎn)，將其程序中的位定時(shí)寄存器或者晶振修改為正確位時(shí)間；或?qū)⒖偩€上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)上電，用眼圖功能逐一測(cè)試其波特率，找到故障節(jié)點(diǎn)。如果按照上述做法仍然無(wú)法解決問(wèn)題，或者無(wú)法修改故障節(jié)點(diǎn)的程序，這時(shí)需要考慮采樣點(diǎn)是否一致，修改正常節(jié)點(diǎn)波特率寄存器中的同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW值來(lái)加大位寬度和采樣點(diǎn)的容忍度。若出現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)都無(wú)法修改的情況，則需采用CAN網(wǎng)橋串聯(lián)在故障節(jié)點(diǎn)上的方式，用CAN網(wǎng)橋來(lái)調(diào)整兩端的波特率寄存器匹配值，確保儀器正常通信。

4　理論與教學(xué)的結(jié)合

圖2　偵測(cè)波特率

圖3　自動(dòng)量程

圖4　開啟眼圖

按照以往的CAN總線教學(xué)模式，可以根據(jù)遇到的問(wèn)題來(lái)確定一節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)生明白自己的學(xué)習(xí)要求?？梢韵冉o學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，由學(xué)生自己試著解決遇到的故障，如果遇到非常困難的，可以由教師先行示范并分析解決。學(xué)生在深入學(xué)習(xí)的過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生各種想法并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行嘗試，而且有可能鉆研出新的故障分析方法。教師在教學(xué)中應(yīng)鼓勵(lì)這種自主學(xué)習(xí)，這樣才能鍛煉和提高學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)。教師應(yīng)盡可能提供CAN總線教學(xué)平臺(tái)環(huán)境，使得學(xué)生能夠舉一反三，在學(xué)習(xí)中進(jìn)步。

5　結(jié)語(yǔ)

PLC教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)是機(jī)電傳動(dòng)控制課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上展開現(xiàn)場(chǎng)總線知識(shí)、CAN總線的故障分析以及CAN總線簡(jiǎn)易系統(tǒng)搭建的教學(xué)方案，不僅有利于學(xué)生盡可能接近工業(yè)實(shí)際掌握現(xiàn)場(chǎng)總線以及基于CAN總線的群控和通信知識(shí)，而且針對(duì)培養(yǎng)學(xué)生作為未來(lái)機(jī)電工程師所具備的素養(yǎng)，使學(xué)生盡快適應(yīng)實(shí)際工作需要，面向卓越工程

圖5　眼圖

圖6　波特率出錯(cuò)圖

師教育培養(yǎng)計(jì)劃的需求，都具有重要的實(shí)踐意義。■

［1］孫進(jìn)，等.基于Capstone-CDIO的機(jī)電一體化課程體系實(shí)踐與評(píng)價(jià)研究［J］.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2013（30）：76-77.

［2］王紅霞，等.基于CANoe和CANScope的CAN總線故障診斷及分析應(yīng)用［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：專業(yè)版，2015（31）：61-65.

［3］張焱.基于校園網(wǎng)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)［J］.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2012（30）：48-49.

［4］高彩云.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下國(guó)際貿(mào)易實(shí)務(wù)課程教學(xué)設(shè)計(jì)初探［J］.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2012（30）：52-53.

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1671-489X（2016）12-0138-03