实验题目：CAN 总线通信实验设计

1. 课程简要信息

课程名称：工业通信与网络技术
课程学时：48学时（其中实验12学时，本实验项目4学时）适用专业：电气工程及其自动化、测控技术与仪表、自动化学生年级：大三（春）

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

依托自制实验设备“CAN总线教学实验系统”硬件平台，完成 CAN 总线通信设计实验项目设计，系统的硬件、软件均采用模块化，资源完全向学生开放。实验任务分为基本任务和拓展任务两个层次，具体如下：

1）基本任务（设计验证性）

CAN总线基本通信原理，含三个实验项目：（1）CAN 控制器初始化；（2）CAN总线通信波特率计算及设置；（3）点对点、点对多点和广播通信报文接收过滤设计。在给定波特率和报文格式的前提下，通过计算和设置完成正确通信，给出详细计算、设计过程，记录实验数据，理解CAN总线基本通信原理。

2）拓展任务（综合实践性）

双 CAN 互联网关设计，要求：

（1）能够实现不同传输速率的CAN网络间信息交互(高速CAN（250K bit/s）与低速 CAN（125K bit/s）间相互通信)；

（2）能够实现不同数据帧格式的CAN网络间信息交互（标准帧和扩展帧之间相互转化）。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）在实验预习环节，要了解 CAN 的标准数据帧结构，认真阅读并理解 BasicCAN模式下 SJA1000 的地址分配，了解 BTR0 和 BTR1 各位的定义，理解如何利用 ACR 和AMR 进行报文的接收过滤，熟悉 CAN 的 MAC 机制，了解网关的基本实现原理；

2）熟悉CAN总线实验系统的功能和操作方法；

3）完成 CAN 控制器 SJA1000 初始化设置，使 SJA1000 进入复位模式，设置相应寄存器，完成后退出复位模式，进入工作模式，按指导书要求测试设置的正确性；

4）完成 CAN 总线通信波特率计算及设置，计算在给定晶振频率 16MHz 下，CAN总线波特率为125K bit/s时BTR0 和BTR1 的设置值，并分别测试节点在相同波特率和不同波特率时的数据传送结果，记录计算波特率的详细步骤、实验数据；

5）完成通信报文接收过滤设置，在250K的波特率下，按照指导书设置步骤，设置ACR和 AMR，设计实现点对点、点对多点和广播通信，记录报文过滤的设计过程、实验数据和结果；

6）设计双 CAN 互联网关的硬件实施方案；7）设计双CAN互联网关程序；8）完成网关软硬件调试和功能测试，详细记录设计过程和测试结果；9）撰写实验报告，依据原始记录，将实验过程、计算过程、设计方案、实验结果分析写入实验报告。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

本实验案例是一个依托自制实验设备促进实践教学的典型案例，系统资源全部向学生开放，软硬件均模块化设计，可进行多种类开放性设计，拓展学生工业通信与网络技术的应用知识与技能。双 CAN 互联网关在汽车、工业控制等领域均有广泛应用。在系统开发和实验教学设计过程中，产生国家发明专利 5 项和实验教学文章 2 篇。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

本实验案例引导学生充分利用实验教学系统，综合运用 CAN 总线基本理论技术、通信原理等知识，解决 CAN总线系统设计和应用过程中的实际问题，让学生理解 CAN总线的本质技术，充分发挥了学生在实验中的主动性和创新性，培养学生综合设计、原理分析、测试、数据分析、总结报告等实践与创新能力及工程思维与科学精神。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验过程是一个比较完整的教学实践工程，需要经历课前预习、课堂讲解、随堂指导、验收总结等过程。为使学生顺利完成实验，并提高设计能力和动手实践能力，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）本实验需要预备知识较多，学生应在课前做好预习工作，包括熟悉实验所需CAN总线基本理论知识、理解网关设计的基本原理，了解 CAN 总线实验系统的功能和操作方法、清楚实验任务、进行实验原理设计、撰写实验预习报告；

2）实验前审阅学生的预习报告，找到学生对实验任务理解和在实验设计中存在的共性问题，在课堂讲解中重点指出，并给出解决方案提示；

3）简要介绍CAN总线实验系统的组成、功能及操作方法，针对学生容易忽视和出错的细节给出提示；

4）讲解网关设计的基本原理、硬件资源的利用、软件程序设计要点；

5）及时的课堂指导，如有学生求助，应注意引导学生查找问题的方法，分析问题的思路，而不是直接指出如何解决问题；

6）对拓展性任务，如遇到多数学生进度偏慢，要及时的发现问题，给出问题式设计思路引导，有助于学生及时解决问题，也鼓励学生之间相互讨论；

7）要引导学生分析问题的系统性；

8）在学生完成实验后要做好设备检查和考核验收工作，包括设计验收、功能验收、原始记录等。

7. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

1）实验系统结构

CAN 总线实验系统包括 4个CAN总线节点，通过总线连接成CAN总线通信实验系统。系统结构图如图1所示。

图 1 CAN 总线实验系统结构图

每个节点都带有键盘和液晶，都可以二次开发，有指示灯指示总线运行状态。系统实物图如图 2 所示。

图 2 CAN 总线实验系统实物图

2）实验原理和建议方案

（1）网关基本原理

网络互联是指在不同的网络之间建立一条连接通路，从而实现不同网络用户间的数据交换。为了在不改变原有网络体系结构的情况下，实现两个网络系统间的互联，需要在互联的网络中间增加一个协议转换设备。网关相当于一个协议转换器，可以是双向的，也可以是单向的，用来连接不同协议的网络或需要在应用层完成一定数据转换的相同协议网络。如果应用层的协议不同，则只能采用网关进行互联，例如 CAN 网络与 Flex Ray网络，其数据链路层和应用层协议截然不同，要实现它们的互联，必须采用网关进行协议转换。如果网络协议相同，但要求在应用层完成一定的数据处理，此时也需要采用网关进行互联，例如 CAN 网络之间的联通，虽然网络协议相同，但由于需要在应用层对信息进行拆解组装，也应采用网关实现互联，本实验案例即为此类。

（2）硬件实施方案

双 CAN 互联网关的硬件结构如图 3 所示。在微控制器内设接收缓冲区用来存放接收的报文，经过处理后缓存至发送缓冲区，再发送给目的CAN网络。

图 3 双 CAN 互联网关的硬件结构图

方案实现时可通过 CAN 总线实验系统选择硬件模块进行组合，并正确接线。

（3）软件实施方案

程序的基本模块，可直接调用，如初始化、发送、接收、中断等程序模块，核心数据处理与调度模块、协议转换数据表需要学生自己编写。CAN 子网的报文经过接收中断接收，数据处理重新封装，存入发送缓冲区中，检测到总线空闲时发送到另一路子网，实现CAN 子网间数据的交互和共享。网关数据交换流程如图4所示。

图 4 网关数据交换流程

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

1）实验前

（1）实验前一周布置实验任务和预习要点，提醒学生做好预习工作，督促学生按时提交预习报告；

（2）教师提前一周完成实验设备检查和调试，确保设备功能完好；

（3）审阅检查预习报告，总结学生在预习中存在的共性问题。

2）实验中

（1）课堂讲解：简要介绍CAN 总线实验系统的组成、功能及操作方法，分析双CAN互联网关原理和设计方案，针对学生在预习中存在的问题给予解答和提示；

（2）随堂指导：指导学生按时间、按步骤完成基本任务和拓展任务，及时解决学生在实验过程中遇到的问题，鼓励学生之间互相讨论，共同解决问题；

（3）结果验收：验收实验结果，包括实验原始记录、实验设计方案、实验功能实现，判断完成质量、完整度和创新性。

3）实验后

（1）实验报告：实验完成后，学生要根据要求完成实验设计报告，按时提交。

（2）报告批改：批改实验报告，重点考核规范性、完整性和正确性，结合课堂表现，

给出实验综合成绩。

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

实验报告需要反映以下工作：

1）分任务、分项目简述实验内容和实验步骤；
2）拓展任务的详尽方案设计、论证；
3）基本任务中计算波特率的详细步骤和报文过滤的设计过程；
4）实验数据记录（附原始记录）；
5）实验数据分析；
6）实验结果总结；
7）实验心得。

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1）预习情况：实验前要求学生及时提交预习报告，检查学生对预备知识掌握程度、实验原理设计的合理性，占比 $1 0 %$ 。
2）基本任务验收：检查学生实验操作、实验原始记录，检查波特率和报文过滤的计算方法的正确性，占比 $2 0 %$ 。
3）拓展任务验收：检查学生实现原理、设计方案、软件实施、操作方法、实验结果等正确性、合理性、完整性，占比 $3 0 %$ 。
4）创新性：考察学生在完成拓展任务时设计的创新性，自主思考与独立实践能力，占比 $1 0 %$ 。
5）实验报告：实验报告的规范性与完整性，实验结果分析的全面性，占比 $3 0 %$ 。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

1）依托自制实验设备，可根据教学要求和技术的更新，及时进行实验项目的扩展、实验内容的不断创新。
2）实验任务具有层次性和开放性、实验结果具有不确定性，在满足不同层次学生需求的同时，充分鼓励学生的自主思考和创新精神。
3）拓展任务具有较强工程应用背景，有助于提高学生工程实践素质。

参赛信息表

附录 佐证材料

1）教学大纲

《工业通信与网络技术》实验教学大纲

课程中文名称：工业通信与网络技术

课程编码：T1060260

课程英文名称：INDUSTRIAL COMMUNICATION AND NETWORK TECHNIQUE

课程总学时：44

实验学时：12

上机学时：

实验类别：技术基础课

面向专业：电气工程及其自动化

开课实验室：电气工程及其自动化实验中心

开课学期： 3 春

一、实验教学目的

通过实验，使学生加深对数字数据通信基本技术的理解，加深对典型现场总线/工业以太网、无线网络技术的理解；提高工业通信节点的设计、研发能力；拓展工业通信与网络技术的应用知识。

二、实验教学基本要求

实验项目共 6 个，其中关于数字数据通信基本技术的实验项目 1 个，典型现场总线验证、设计的实验项目 3 个，工业和智能家居中普遍应用的无线通信网络的应用技术的实验项目 1 个，工业以太网通信技术的实验项目 1 个。

对于每个实验项目，均应事先做好预习、预先提出问题；在实验过程中精力集中，遵守操作步骤，同时注意发现问题、解决问题、及时记录；实验后，要对实验结果/实验中发现的问题进行分析、总结,提高对所学知识的综合运用能力以及相关技术的设计、研发水平。

三、实验项目表

四、实验考核

综合评价，实验成绩占 20 分。

2）教学照片

3）实验报告

4）实验原始记录

证书号第428790号

发明专利证书

发明名称：不同优先级CAN报文发送和接收显示系统及检测方法

发明人：佟为明：李中伟；金显吉：高洪伟：林景波；刘勇

专利号：ZL200610010424.1

专利申请日：2006年8月22日

专利权人：哈尔滨工业大学

授权公告日：2008年9月17日

本发明经过本局依照中华人民共和国专利法进行审查，决定授予专利权，颁发本证书并在专利登记簿上予以登记。专利权自授权公告之日起生效。

本专利的专利权期限为二十年，自申请日起算。专利权人应当依照专利法及其实施细则规定缴纳年费。缴纳本专利年费的期限是每年08月22日前一个月内。未按照规定缴纳年费的，专利权自应当缴纳年费期满之日起终止。

专利证书记载专利权登记时的法律状况。专利权的转移、质押、无效、终止、恢复和专利权人的姓名或名称、国籍、地址变更等事项记载在专利登记簿上。