面向卓越計劃的基于CAN總線實時性分析混合教學(xué)模式研究

孫進(jìn)　丁靜　朱子洵　陶曄

摘 要 隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展，CAN總線以其效率高、兼容性強、成本低等特性受到許多企業(yè)的歡迎。為讓高校學(xué)生熟練掌握CAN總線技術(shù)，利用CANScope分析儀對CAN總線的實時性進(jìn)行分析，從而提出一種混合教學(xué)模式來充分發(fā)揮高校學(xué)生的主動參與性，提高學(xué)生運用CAN總線的操作能力。

關(guān)鍵詞 實時性分析；CAN總線；CANScope；混合教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）04-0072-03

Abstract With the development of automation control technology， CAN bus has been welcomed by many enterprises with its high effi-

ciency， strong compatibility， low cost and so on. In order to make college students to master the technology of CAN bus， and analyze real time CAN bus by CANScope analyzer， in this paper， a mixed initiative teaching mode was put forward to give full play to students，

and improve students ability to operate CAN bus.

Key words real time analysis； CAN bus； CANScope； hybrid tea-ching mode

1 引言

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)自動化智能化水平的提高，CAN總線技術(shù)起著不可或缺的作用。為適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展需求，我國一些高校也開設(shè)了CAN總線實驗教學(xué)課程，建立具有多層網(wǎng)絡(luò)的實驗軟硬件平臺，讓學(xué)生充分了解并初步掌握CAN總線技術(shù)。但目前大多數(shù)高校對于這門課程仍然采用傳統(tǒng)的傳授知識型教學(xué)模式，對實踐教學(xué)的認(rèn)知不夠，不能充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，導(dǎo)致學(xué)生缺乏實踐的機會，學(xué)習(xí)效率較低。

揚州大學(xué)將課堂教學(xué)和實踐教學(xué)進(jìn)行優(yōu)勢互補，從而形成一種增強學(xué)生認(rèn)知效果、提高動手能力的混合教學(xué)模式。在上課傳授知識的基礎(chǔ)上，利用CANScope分析儀對CAN總線教學(xué)實驗平臺上的實驗進(jìn)行實時性能分析并當(dāng)場對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，將傳授知識跟能力培養(yǎng)相結(jié)合，既能夠提高教師的引導(dǎo)作用，也能充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性與創(chuàng)造性[1]，

讓學(xué)生的認(rèn)知不僅僅停留在書面層次，更能夠熟練面對實驗中的各項突發(fā)情況，提高學(xué)生解決現(xiàn)實問題的能力。

2 CAN總線實驗教學(xué)平臺與CANScope分析儀概述

現(xiàn)場總線是利用一定的介質(zhì)使數(shù)據(jù)傳輸與交換能夠在現(xiàn)場總線的控制設(shè)備與遠(yuǎn)程計算機之間實現(xiàn)的新技術(shù)[2]。CAN總線因為其突出的實用性、可靠性成為目前最具發(fā)展前景的現(xiàn)場總線之一。CAN總線實驗平臺包含配套的iCAN模塊，涉及CAN-bus網(wǎng)絡(luò)通信、CAN協(xié)議輸入輸出控制、PC軟件編程等技術(shù)內(nèi)容，可以實現(xiàn)開關(guān)量控制、模擬量輸入輸出控制、光電檢測以及電機啟停、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的一系列控制，體現(xiàn)了分布式網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)越性[3]。而CANScope分析儀是對CAN總線進(jìn)行開發(fā)與測試的專業(yè)工具，它整合了存儲示波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、誤碼率分析儀、協(xié)議分析儀及可靠性測試等工具，可以對CAN網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行全方位評估與檢測[4]。

3 實時性分析

實時性是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能的重要體現(xiàn)。就CAN總線而言，當(dāng)消息響應(yīng)時間小于規(guī)定的截止期時，就認(rèn)為符合實時性要求[5]。如何解決延時問題，避免系統(tǒng)分析復(fù)雜化而影響信息傳輸，這是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵。如圖1（a）所示，發(fā)送器的兩個隱性位置中，應(yīng)答信號的顯性位為顯性，則說明有應(yīng)答；而根據(jù)圖2（b）所示，可判斷出信號發(fā)送失敗的原因是應(yīng)答信號的顯性位由于導(dǎo)線材質(zhì)的延時，造成應(yīng)答界定符被發(fā)送器判斷為顯性。

4 問題解決方案

打開CANScope分析儀，在記錄好的CAN報文界面中的工具欄中點擊“傳輸延時”按鈕，進(jìn)行延時分析，如圖2（a）所示。

圖2（b）為延時統(tǒng)計表，可以通過對應(yīng)序號尋找到對應(yīng)幀。統(tǒng)計表中給出延時等效的導(dǎo)線長度，可以與標(biāo)準(zhǔn)極限長度對照。為了保證穩(wěn)定運行狀態(tài)，若傳輸延時達(dá)到0.5倍的位時間，理論上可以稱為最大傳輸距離，理論傳輸距離需要控制在70%。因為每一個節(jié)點都有隔離，所以發(fā)送節(jié)點發(fā)出的報文就已自帶延時，并且傳輸是雙向的，所以得到結(jié)果：0.5×0.7×0.7=0.245。在測量點測到的最大延時節(jié)點的傳輸延時，要采取措施控制小于0.245倍位時間，比如2 M波特率，要控制最大值小于490 ns，不然有可能應(yīng)答錯誤?？紤]到不同節(jié)點測試點引起的延時也可能不同，測試點通常放在邊緣兩端來檢測邊緣的兩個節(jié)點發(fā)出的報文，從而算出總線的最大延時。

圖2（c）所示用于測量到總線最大延時。為了讓學(xué)生更容易理解，假設(shè)測量延時的幀是最右邊的節(jié)點發(fā)出來的，測量點如果在最左端，則最大應(yīng)答延時只包含最左端節(jié)點的電路延時；測量點如果在發(fā)送節(jié)點這端，則最大應(yīng)答延時為整體導(dǎo)線延時加最遠(yuǎn)端節(jié)點（即最左端）的電路延時。

5 混合教學(xué)模式探究

混合教學(xué)模式的必備條件 教師應(yīng)提供給學(xué)生多種機會將所學(xué)CAN總線知識進(jìn)行實踐性的訓(xùn)練。雖然學(xué)習(xí)的主體是學(xué)生，但實踐環(huán)境中教師的指導(dǎo)作用也尤為關(guān)鍵，學(xué)生在學(xué)習(xí)環(huán)境中必須要有高度的自覺性。另外對于CAN總線知識的掌握也是重要前提。實踐過程中主觀能動性必不可少，對于實時性分析的結(jié)果要知道解決問題的方案甚至能夠舉一反三。

在混合教學(xué)模式中，師生是一個共同體，教師通過課堂教學(xué)、組織實踐活動、設(shè)定教學(xué)目標(biāo)、避免學(xué)生錯誤的討論方向、引導(dǎo)學(xué)生正確使用CAN總線設(shè)備等起到關(guān)鍵的主導(dǎo)作用，學(xué)生通過解決CAN總線實時性分析的實驗進(jìn)行自主探究，充分發(fā)揮主體性。

混合教學(xué)模式的益處 考慮到傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生處于被動接受狀態(tài)，主動性、創(chuàng)造性難以得到發(fā)揮，利用CAN總線實驗平臺、CANScope分析儀等設(shè)備來進(jìn)行實踐性教學(xué)，可以起到不錯的效果。學(xué)生親自做CAN總線的實時性分析實驗過程中出現(xiàn)問題，教師可以從旁進(jìn)行指導(dǎo)，有利于發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。實踐性教學(xué)強調(diào)的是以學(xué)生為中心，促進(jìn)教師跟學(xué)生之間的交流，避免教師單方面講授知識，學(xué)生通過手腦并用來促進(jìn)知識的吸收消化。

在CAN總線實時性分析的實踐教學(xué)環(huán)境中，學(xué)習(xí)環(huán)境的支持會促進(jìn)學(xué)生對上課所學(xué)知識的理解、個人認(rèn)識的建立與學(xué)生間的交流，從而解決真實問題，提高自身創(chuàng)造能力。提供這樣一種教學(xué)環(huán)境，學(xué)生之間的合作是必然的，這對于人際交流的培養(yǎng)，測試、掌握對所學(xué)知識產(chǎn)生的認(rèn)知與理解是有益的。

6 結(jié)束語

隨著工業(yè)自動化繁榮發(fā)展，CAN總線作為最具發(fā)展前景的技術(shù)之一，培養(yǎng)這方面的人才也成為高校的必修課，如何有效地讓學(xué)生掌握這方面的知識是教學(xué)中的重點。基于CAN總線實時性分析的混合教學(xué)模式，將知識傳授型教學(xué)與實踐性教學(xué)相結(jié)合，無疑是有成效的。CAN總線實時性分析教學(xué)能夠讓學(xué)生學(xué)以致用，深化學(xué)生對CAN總線的了解，強化學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維與操作能力，也在一定程度上滿足了實際工作上的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]余勝泉，路秋麗，陳聲健.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的混合式教學(xué)：一種新的教學(xué)模式[J].中國大學(xué)教學(xué)，2005（10）：50-56.

[2]方曉柯.現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2005.

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[5]陳曦.CAN總線實時性和可靠性若干問題的研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.