淺談汽車CAN總線通信系統的教與學

摘 要：隨著汽車電子化的發展，CAN總線通信系統在汽車維修專業中的重要性日益凸顯。本文探討了基于CAN的車窗控制系統，結合硬件電路和軟件程序設計以及示波器和CAN分析儀的使用，來加深學生對CAN總線通信系統原理和協議及數據收發過程的理解。這種實踐性學習方法能夠增強學生的學習興趣，提高學生的創新能力，為未來做好汽車維修等崗位工作打下堅實基礎。

關鍵詞：汽車維修專業；CAN總線通信系統；車窗控制系統；硬件電路設計；軟件程序設計

汽車CAN總線通信系統是現代汽車中廣泛應用的一種通信技術，它可以實現車輛各個系統之間的數據交換和共享。也就是說不論是汽車維修專業，還是汽車電器以及汽車設計專業，汽車CAN總線通信系統都是繞不過去的必須學習的系統，那么如何學習CAN總線通信系統才能高效掌握CAN總線通信系統的原理呢？

筆者認為帶學生設計一個CAN總線通信系統比單純講解CAN總線通信系統的組成、原理、檢測方法要有效，這也是“行勝于言”的教學思想的體現，同時在“設計—完成”中體現出教學的價值，學生有了學習成果，有了輸出，這樣的教學才是更高效的。

在CAN總線通信系統的教學中，筆者選取一個“基于CAN總線通信系統的車窗控制系統的設計”為課題，帶領學生完成了這一課題，并用于教學實踐中，這樣學生學得容易，教師教得輕松，學習達到事半功倍的效果。現就具體的設計方案與同行們分享一下，旨在拋磚引玉，供同行參考。

一、系統硬件電路設計

本系統的硬件設計主要包括STC32單片機、CAN總線收發器、車窗電機驅動電路和按鍵輸入電路等部分。最終實現與車上車窗控制功能一致的功能，能夠實現車窗的主控與分控、單觸上升與下降、鑰匙聯動等功能。

我們采用嘉立創EDA進行PCB設計，并與學生共同完成電子元件的焊接。

系統電路組成主要由電源電路、四個單片機最小系統、CAN總線收發器、各車窗的按鍵開關輸入電路、各個車窗電機的正反轉控制電路組成。

本系統選用STC3 2G1 2K1 2 8-LQFP32系列單片機作為主控制器，具有高性能、低功耗的特點。該單片機集成了CAN模塊和GPIO模塊，能夠滿足系統的需求。

本系統采用TJA1050作為CAN總線通信系統收發器，實現單片機與車窗電機之間的通信。TJA1050具有高速傳輸和抗干擾能力強的特點，能夠保證系統的可靠性和實時性。為了使教學不至于枯燥乏味，教師使用了連線操作，讓學生了解模塊的供電及通信線路連接，這也是一個必要的互動環節。

按鍵輸入電路，用于實現車窗的控制功能。按鍵輸入電路包括上升鍵、下降鍵、自動鍵和分控鎖止鍵、車門鑰匙聯動開關等。通過按鍵輸入電路，用戶可以實現對車窗的控制操作。

車窗電機的正反轉控制電路采用兩個五腳繼電器來切換，而繼電器的驅動采用ULN2003A芯片來驅動，電路簡單而穩定可靠。

整個電路板采用按功能進行分區設計，讓人一看就能明白這一塊電路的主要功能。如駕駛側車窗控制模塊下方的按鈕與開關區域，分別是鑰匙聯動開關、各車窗的上升、下降及自動按鈕，自動上升與下降需同時按下自動按鈕與上升或下降按鈕。

二、系統軟件設計

本系統的軟件設計主要包括主程序、 CAN總線接收中斷程序和按鍵處理程序等部分。

主程序主要負責系統的初始化和狀態檢測。在主程序中，首先進行系統初始化，包括CAN總線的初始化和GPIO模塊的初始化。然后進行狀態檢測，判斷是否有按鍵輸入和CAN總線接收到的數據。根據不同的狀態，執行相應的操作。

CAN總線接收中斷程序主要用于處理CAN總線接收到的數據。當CAN總線接收到數據時，觸發中斷并進入中斷程序。在中斷程序中，首先判斷接收到的數據是否有效，然后根據數據的內容進行相應的操作。例如，如果接收到的是上升指令，則控制車窗電機上升；如果接收到的是下降指令，則控制車窗電機下降。

按鍵處理程序主要用于處理按鍵輸入的操作。當有按鍵輸入時，觸發中斷并進入中斷程序。在中斷程序中，首先判斷按鍵的類型，然后根據按鍵的類型進行相應的操作。例如，如果按下的是上升鍵，則控制車窗電機上升；如果按下的是下降鍵，則控制車窗電機下降。

三、系統測試與分析

為了驗證系統的性能和穩定性，進行了一系列的測試和分析。測試結果表明，該系統能夠實現車窗的主控與分控、單觸上升與下降、鑰匙聯動等功能。同時，系統具有較高的可靠性和實時性，能夠滿足車窗控制的需求。

四、CAN總線通信系統的教與學

在教學過程中，有條件的學校教師可先把原理圖分享給學生，并要求學生按原理圖畫出PCB，并自行定制電路板，焊接元件。對時間與條件不允許的學校，可直接發電路板給學生，讓學生按要求焊接電子元件，接著準備編程。

筆者推薦使用“天問BLOCKER”進行編程，因為它能采用圖形化編程，簡單易學易用。

首先，學生需要了解CAN總線通信系統的基本原理和通信協議。可以學習CAN總線通信系統的數據傳輸方式、錯誤檢測和糾正等基本概念。然后，可以學習如何使用CAN總線控制器和CAN總線收發器來實現數據的發送和接收。如先發送ID為01數據為00的標準幀，再依次改變數據，同時用示波器測量其波形，可把多個波形及標準幀的組成格式合成一個圖片，這樣便于觀察，學生按這樣的圖來理解CAN的報文就容易多了。

對于汽車上真實的數據長度可能不止一個字節，示波器在同一屏幕上不太好完整顯示同一幀數據，除了通過波圖理解CAN報文格式，還使用CAN分析儀進行數據的讀取。可同時使用CAN分析儀與示波器進行車窗控制系統調試。

通過硬件電路設計和軟件程序設計來學習CAN總線通信系統。同時，結合示波器測量波形和CAN分析儀的使用，學生可以更好地理解CAN總線通信系統的協議和數據收發過程。

學生需要設計車窗控制系統的硬件部分。可以選擇適合的微控制器和傳感器來實現車窗的控制功能，也可直接參考我們的電路進行PCB設計，做出自己的電路板，焊接電子元件后，進行軟件編程。使用“天問BLOCKER”進行編程，CAN發送函數的核心代碼可由教師講授，弄懂一個車窗控制模塊的編程，其他車窗控制模塊的編程基本類似，只是ID號與數據不同。教師會給出關鍵的代碼，供學生參考。然后，學生需要編寫程序來實現車窗控制系統的功能。學生可以使用“天問BLOCKER”進行編程或C語言來編寫程序，通過CAN總線通信系統進行數據的發送和接收，來實現車窗的開關控制等功能。

學生需要進行系統的測試和調試。可以使用示波器和邏輯分析儀等工具來監測CAN總線通信系統上的數據信號，檢查系統的工作情況。還可以進行故障排除和性能優化，確保系統的穩定性和可靠性。接好車窗馬達，進行實物測試，觀察是否實現車窗控制功能。這樣，就完成了一個基于CAN總線通信系統的車窗控制系統的設計任務，同時也完成了CAN總線通信系統的學習。

通過設計一個基于CAN總線通信系統的車窗控制系統，學生能夠更加深入地理解和學習CAN總線通信系統的原理與檢修方法。這種實踐性的學習方法不僅能夠提高學生的學習興趣和動力，還能夠培養學生的問題解決能力和團隊合作精神，能夠有效地提升學生對CAN總線通信系統的掌握程度。希望本文能夠對汽車維修專業、汽車電器以及汽車設計專業的教師與學生在講授與學習CAN總線通信系統知識方面提供一定的借鑒和幫助。

（作者：李清明、梁業慶，深圳技師學院教師）