突出專業特色和應用的計算機網絡課程教學方法思考

張華 唐瑩

[摘 要] 計算機網絡在各領域發揮著越來越重要的作用，已成為電子大類專業學生的必修課。針對計算機網絡課程內容大而全和電子大類專業學時緊張的問題，提出突出專業特色和應用的計算機網絡課程教學方法，既講授計算機網絡的基本知識和重點知識，也為電子大類學生后續專業課程的學習奠定網絡理論基礎。

[關鍵詞] 課程教學;計算機網絡課程;電子大類專業

[作者簡介] 張 華（1978—），男，重慶人，工學博士，上海工程技術大學城市軌道交通學院通信信號系副教授，主要從事儲能系統及電動汽車電池管理系統、無線能量傳輸等電子自動化系統研究;唐 瑩（1974—），女，江蘇南通人，工商碩士，上海工程技術大學城市軌道交通學院實驗師，主要從事城市軌道交通通信與信號控制研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）36-0261-02 ? ?[收稿日期] 2019-10-15

一、引言

隨著計算機網絡技術的發展及廣泛應用，計算機網絡在很多專業發揮了越來越重要的作用。對于軌道交通信號與控制專業，計算機網絡在軌道交通領域有舉足輕重的作用。基于通信的列車運行自動控制（CBTC）系統、列車自動監控（ATS）子系統等系統中，信號和信息數據的采集、存儲、傳輸、交換都是基于龐大的計算機網絡系統。

計算機網絡課程不但是計算機大類專業的專業必修課，也成為電子大類專業的必修課。電子大類專業主要以電路設計、信號處理、通信、自動控制等為主，和計算機大類專業有明顯差別。而計算機網絡課程是針對計算機大類專業的一門專業課，對于電子大類專業的學生而言，不但學習內容大而全，而且側重于計算機專業的專業術語，理論性較強。特別是電子大類中一些行業性很強的專業，例如軌道交通信號與控制專業，由于需要學習完整的行業知識體系，導致電子類課程學時被壓縮。計算機網絡課程僅僅作為一種應用技能，學生只需掌握相關的基礎知識和基礎理論。目前的計算機網絡課程教材作為非計算機專業，側重于軌道交通實踐應用專業的教材，存在教材內容過多、難度較大，而且教材內容脫離軌道交通應用等諸多問題。

二、計算機網絡課程教學方法改革

針對電子類專業和軌道交通信號與控制專業的特點，本文提出突出專業特色和應用的計算機網絡課程教學方法改革建議。

（一）以CAN協議為重點，結合RS-232等電路常用協議，讓學生重點掌握物理層和數據鏈路層協議

物理層確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性，主要包括機械特性、電氣特性、功能特性、過程特性。以常用的串行通信接口標準RS-232標準接口（又稱EIA RS-232）為例，RS-232接口標準對物理層有詳細規范。

1.機械特性。RS-232通信標準中是以一個25針的DB-25針狀連接頭定義，但實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。對于數據（信息碼），邏輯“1”的電平為-3V～-15V，邏輯“0”的電平為+3V～+15V。對于控制信號，接通狀態即信號有效的電平為+3V～+15V，斷開狀態即信號無效的電平為-3V～-15V。

3.功能特性。RS-232標準對主要引腳信號都進行了定義，如DB-9接口中2、3引腳功能分別是發送數據、接收數據。

4.過程特性。RS-232協議規定了通信的接收過程，以計算機和調制解調器之間的通信流程為例，包括：等待振鈴指示（RI）發出ON信號、進入摘機狀態、調制解調器就緒、監測數據載波監測（DCD）信號、全雙工通信、鏈路拆除等過程。

CAN（Controller Area Network，控制器局域網絡）總線是國際上應用最廣泛的現場總線之一，由國際標準（ISO 11898）規定。在軌道交通領域，CAN總線主要應用在短編組車輛（如低地板有軌電車車輛）上，在地鐵列車系統中一般應用在無觸點邏輯控制單元（LCU）系統、車輛運行監控系統、地鐵車庫溫度控制、地鐵站智能照明控制系統、地鐵屏蔽門控制等輔助系統[1-5]。CAN總線包括應用層、數據鏈路層和物理層三層。

CAN的高性能和可靠性已被認同，可以在分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信。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的幀類型包括數據幀、遠程幀、錯誤幀3種，數據幀（或遠程幀）通過幀間空間與前述的各幀分開。對于超載幀，CAN在先行的和后續的數據幀（或遠程幀）之間附加一段延時。CAN總線數據幀分為標準幀和擴展幀。CAN總線有可靠的錯誤檢測和錯誤處理機制，可以檢測位錯誤、填充錯誤、CRC錯誤、格式錯誤、ACK錯誤等錯誤，錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線功能。CAN總線的校驗及檢錯等措施保證了數據傳輸的高可靠性，適于在高干擾環境下使用。

（二）結合物聯網下位機編程，理解網絡層和運輸層協議

電子大類學生在單片機等嵌入式系統搭建物聯網時，經常會用到以太網通信。以STM32F407單片機為例，在實現以太網通信時，該芯片內置MAC層相當于數據鏈路層，物理層采用PHY層芯片LAN8720，而輕型TCP/IP協議棧LWIP（Light Weight IP）提供網絡層、運輸層的功能。LWIP是輕量級IP協議，有無操作系統的支持都可以運行，LWIP實現的重點是在保持TCP/IP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，這使LWIP協議棧適合在低端的嵌入式系統中使用。

（三）以行業實際應用為例，掌握應用層協議、計算機網絡結構設計、各層設備的功能

計算機網絡技術主要支撐軌道交通中信號的檢測、存儲、傳輸和交換，既包括有線通信信號的傳輸，也包括無線通信信號的傳輸，以及由此衍生的相應檢測與維護、信息管理、信號控制等工程技術。這些計算機網絡系統有別于傳統的互聯網計算機網絡系統，是面向城市軌道交通的運行和管理，必須滿足特殊需求并工作在特殊的環境之下。例如基于通信的列車運行控制（Communication Based Train Control，簡稱CBTC）系統包括控制中心設備、車站設備、軌旁設備、車載設備及網絡通信設備五大部分。網絡通信設備由有線網絡設備與車地無線通信網絡設備組成，負責CBTC系統各部分設備間的網絡連接，其中控制中心設備、車站設備及軌旁設備通過有線骨干網進行連接，而上述三部分設備與車載設備間的通信通過沿線布置的車地無線通信網絡設備實現。有線網絡一般由商業級骨干網絡（SDH、RPR等）或工業以太網交換機組成，采用環形網絡結構。車地無線通信網絡主要采用WLAN方案及LTE方案。

三、結語

如前面所述，在對電子大類專業學生講授計算機網絡課程時，應該結合各專業自身特點，突出計算機網絡課程中對應的重點內容，這樣既能保證專業知識的學習，又不增加專業學時。后續除了上述教學方法的改進外，還將依托以上海城市軌道交通線路上所使用的計算機網絡系統及設備為原型進行實踐教學，使其緊密契合以城市軌道交通信號與控制為背景的計算機網絡系統設計和應用，覆蓋現有的大多數城市軌道交通中的計算機網絡系統和設備，以及軌道交通的最新計算機網絡技術，同時提高學生的動手操作能力。

參考文獻

[1]何昫.地鐵車庫溫度控制系統設計[D].齊齊哈爾：齊齊哈爾大學，2016.

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[4]王爽.基于CAN總線與以太網的地鐵車輛運行監控系統研究[J].鐵道機車車輛，2018，38（1）.

[5]胡濤.基于LCU的CAN總線技術在地鐵車輛上的應用[J].電力機車與城規車輛，2018，（4）.