突出專業(yè)特色和應(yīng)用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)方法思考

張華 唐瑩

[摘 要] 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在各領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，已成為電子大類專業(yè)學(xué)生的必修課。針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容大而全和電子大類專業(yè)學(xué)時(shí)緊張的問題，提出突出專業(yè)特色和應(yīng)用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)方法，既講授計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)和重點(diǎn)知識(shí)，也為電子大類學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 課程教學(xué);計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程;電子大類專業(yè)

[作者簡介] 張 華（1978—），男，重慶人，工學(xué)博士，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院通信信號(hào)系副教授，主要從事儲(chǔ)能系統(tǒng)及電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)、無線能量傳輸?shù)入娮幼詣?dòng)化系統(tǒng)研究;唐 瑩（1974—），女，江蘇南通人，工商碩士，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事城市軌道交通通信與信號(hào)控制研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）36-0261-02 ? ?[收稿日期] 2019-10-15

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在很多專業(yè)發(fā)揮了越來越重要的作用。對(duì)于軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在軌道交通領(lǐng)域有舉足輕重的作用?；谕ㄐ诺牧熊囘\(yùn)行自動(dòng)控制（CBTC）系統(tǒng)、列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)等系統(tǒng)中，信號(hào)和信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸、交換都是基于龐大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程不但是計(jì)算機(jī)大類專業(yè)的專業(yè)必修課，也成為電子大類專業(yè)的必修課。電子大類專業(yè)主要以電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、通信、自動(dòng)控制等為主，和計(jì)算機(jī)大類專業(yè)有明顯差別。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是針對(duì)計(jì)算機(jī)大類專業(yè)的一門專業(yè)課，對(duì)于電子大類專業(yè)的學(xué)生而言，不但學(xué)習(xí)內(nèi)容大而全，而且側(cè)重于計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)術(shù)語，理論性較強(qiáng)。特別是電子大類中一些行業(yè)性很強(qiáng)的專業(yè)，例如軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)，由于需要學(xué)習(xí)完整的行業(yè)知識(shí)體系，導(dǎo)致電子類課程學(xué)時(shí)被壓縮。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程僅僅作為一種應(yīng)用技能，學(xué)生只需掌握相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)理論。目前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教材作為非計(jì)算機(jī)專業(yè)，側(cè)重于軌道交通實(shí)踐應(yīng)用專業(yè)的教材，存在教材內(nèi)容過多、難度較大，而且教材內(nèi)容脫離軌道交通應(yīng)用等諸多問題。

二、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)方法改革

針對(duì)電子類專業(yè)和軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)的特點(diǎn)，本文提出突出專業(yè)特色和應(yīng)用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)方法改革建議。

（一）以CAN協(xié)議為重點(diǎn)，結(jié)合RS-232等電路常用協(xié)議，讓學(xué)生重點(diǎn)掌握物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

物理層確定與傳輸媒體的接口有關(guān)的一些特性，主要包括機(jī)械特性、電氣特性、功能特性、過程特性。以常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口（又稱EIA RS-232）為例，RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理層有詳細(xì)規(guī)范。

1.機(jī)械特性。RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)中是以一個(gè)25針的DB-25針狀連接頭定義，但實(shí)際中包含簡化版本共有DB-25、DB-15和DB-9等各種類型的連接器。在碼元畸變小于4%的情況下，最大傳輸距離為50英尺（約為50米）。

2.電氣特性。對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼），邏輯“1”的電平為-3V～-15V，邏輯“0”的電平為+3V～+15V。對(duì)于控制信號(hào)，接通狀態(tài)即信號(hào)有效的電平為+3V～+15V，斷開狀態(tài)即信號(hào)無效的電平為-3V～-15V。

3.功能特性。RS-232標(biāo)準(zhǔn)對(duì)主要引腳信號(hào)都進(jìn)行了定義，如DB-9接口中2、3引腳功能分別是發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)。

4.過程特性。RS-232協(xié)議規(guī)定了通信的接收過程，以計(jì)算機(jī)和調(diào)制解調(diào)器之間的通信流程為例，包括：等待振鈴指示（RI）發(fā)出ON信號(hào)、進(jìn)入摘機(jī)狀態(tài)、調(diào)制解調(diào)器就緒、監(jiān)測數(shù)據(jù)載波監(jiān)測（DCD）信號(hào)、全雙工通信、鏈路拆除等過程。

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，由國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898）規(guī)定。在軌道交通領(lǐng)域，CAN總線主要應(yīng)用在短編組車輛（如低地板有軌電車車輛）上，在地鐵列車系統(tǒng)中一般應(yīng)用在無觸點(diǎn)邏輯控制單元（LCU）系統(tǒng)、車輛運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、地鐵車庫溫度控制、地鐵站智能照明控制系統(tǒng)、地鐵屏蔽門控制等輔助系統(tǒng)[1-5]。CAN總線包括應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層三層。

CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，可以在分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信。CAN總線編碼采用非歸零編碼，通過位填充方式保證有足夠的跳變沿用于同步。CAN總線訪問采用非破壞性仲裁的載波偵聽多路訪問/沖突避免CSMA/CA （Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）方法，有效避免了總線沖突。CAN的幀類型包括數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀3種，數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）通過幀間空間與前述的各幀分開。對(duì)于超載幀，CAN在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間附加一段延時(shí)。CAN總線數(shù)據(jù)幀分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。CAN總線有可靠的錯(cuò)誤檢測和錯(cuò)誤處理機(jī)制，可以檢測位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、ACK錯(cuò)誤等錯(cuò)誤，錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線功能。CAN總線的校驗(yàn)及檢錯(cuò)等措施保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用。

（二）結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)下位機(jī)編程，理解網(wǎng)絡(luò)層和運(yùn)輸層協(xié)議

電子大類學(xué)生在單片機(jī)等嵌入式系統(tǒng)搭建物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)用到以太網(wǎng)通信。以STM32F407單片機(jī)為例，在實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信時(shí)，該芯片內(nèi)置MAC層相當(dāng)于數(shù)據(jù)鏈路層，物理層采用PHY層芯片LAN8720，而輕型TCP/IP協(xié)議棧LWIP（Light Weight IP）提供網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層的功能。LWIP是輕量級(jí)IP協(xié)議，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運(yùn)行，LWIP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP/IP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，這使LWIP協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用。

（三）以行業(yè)實(shí)際應(yīng)用為例，掌握應(yīng)用層協(xié)議、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各層設(shè)備的功能

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要支撐軌道交通中信號(hào)的檢測、存儲(chǔ)、傳輸和交換，既包括有線通信信號(hào)的傳輸，也包括無線通信信號(hào)的傳輸，以及由此衍生的相應(yīng)檢測與維護(hù)、信息管理、信號(hào)控制等工程技術(shù)。這些計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是面向城市軌道交通的運(yùn)行和管理，必須滿足特殊需求并工作在特殊的環(huán)境之下。例如基于通信的列車運(yùn)行控制（Communication Based Train Control，簡稱CBTC）系統(tǒng)包括控制中心設(shè)備、車站設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備五大部分。網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備由有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，負(fù)責(zé)CBTC系統(tǒng)各部分設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)連接，其中控制中心設(shè)備、車站設(shè)備及軌旁設(shè)備通過有線骨干網(wǎng)進(jìn)行連接，而上述三部分設(shè)備與車載設(shè)備間的通信通過沿線布置的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。有線網(wǎng)絡(luò)一般由商業(yè)級(jí)骨干網(wǎng)絡(luò)（SDH、RPR等）或工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)主要采用WLAN方案及LTE方案。

三、結(jié)語

如前面所述，在對(duì)電子大類專業(yè)學(xué)生講授計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程時(shí)，應(yīng)該結(jié)合各專業(yè)自身特點(diǎn)，突出計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中對(duì)應(yīng)的重點(diǎn)內(nèi)容，這樣既能保證專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，又不增加專業(yè)學(xué)時(shí)。后續(xù)除了上述教學(xué)方法的改進(jìn)外，還將依托以上海城市軌道交通線路上所使用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及設(shè)備為原型進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，使其緊密契合以城市軌道交通信號(hào)與控制為背景的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用，覆蓋現(xiàn)有的大多數(shù)城市軌道交通中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和設(shè)備，以及軌道交通的最新計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

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