CAN总线故障分析仪的实验教学研究
CAN总线故障分析仪的实验教学研究 摘 要 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。中图分类号：G642.0 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2016）12-0138-03 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 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。
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 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，面向卓越工程师教育培养计划的 需求，都具有重要的实践意义。
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