清华大学CAN总线
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• CAN的通信(tōng xìn)参考模型
– CAN的通信模型的分层结构
• 数据链路层
– 包括逻辑链路控制子层LLC »LLC的主要功能是:为数据传送和远程数据请求提供服
务,确认由LLC子层接收的报文实际已被接收,并为恢复 管理和通知(tōngzhī)超载提供信息
– 媒体访问控制子层MAC »MAC子层主要规定传输规则,即控制帧结构、执行仲裁、
数据链路层的所有功能 • 应用层功能由微控制器完成
• 芯片工作的温度范围为:
– -40℃~+125℃,汽车及某些军用领域, – -40℃~+80℃,一般工业领域
第二十三页,共七十三页。
CAN通信(tōng xìn)控制器82C200的功能框图
82C200实现(shíxiàn)CAN2.0A协议
第二十四页,共七十三页。
错误检测、出错标定和故障界定
• 物理层
– 物理层规定了节点的全部电气特性
第六页,共七十三页。
数据(shùjù)链路层 逻辑链路子层 接收滤波 超载(chāozài)通知
恢复管理
媒体访问控制子层 数据封装/拆装
帧编码(填充/解除填充)
媒体访问管理 错误监测 出错标定 应答 串行化/解除串行化
物理层
位编码/解码;位定时;同步; 驱动器/接收器特性
节点同步,总线空闲才允许节点发送 – 中间有仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场
– 帧结束(7个隐位) – 数据场长度可为零
第十二页,共七十三页。
CAN数据(shùjù)帧的组成
第十三页,共七十三页。
仲裁 场 (zhòngcái)
• 标准帧的仲裁(zhòngcái)场由11位标识符和远程发送请
众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种
串行数据通信总线
• 现已被列入ISO国际标准ISO11898 • 最初为汽车测控数据通信而设计的CAN ,现已在
多领域被广泛采用
– 航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸、仓储等行业 – 火车、轮船、机器人、楼宇自控、医疗器械、数控机
床、智能传感器、过程自动化仪表等
-自身报文接收 - 工作温度-40℃到+125℃
第二十五页,共七十三页。
CAN通信(tōng xìn)控制器SJA1000
• SJA1000CAN通信(tōng xìn)控制器由以下几部分构成:
– 接口管理逻辑IML:它接收微处理器的命令,控制CAN
寄存器的地址,并为微处理器提供中断和状态信息。 – 发送缓冲器TXB: 它是CPU和位流处理器(BSP)
–扩展帧具有29位标识符
第十页,共七十三页。
CAN报文帧的类型(lèixíng)
• 4种不同类型的帧:
– 数据(shùjù)帧、远程帧、出错帧、超载帧
• 数据(shùjù)帧携带数据(shùjù),由发送器传送至接收器
• 远程帧用以请求总线上的相关节点发送具 有规定标识符的数据帧
• 出错帧由检测出总线错误的节点发送,向 总线通知出现了错误
远程 帧 (yuǎnchéng)
• 远程帧由6个场组成:帧起始、仲裁场、控制
场、CRC场、应答场和帧结束。远程帧不存在(cúnzài)
数据场。 • 远程(yuǎnchéng)帧的RTR位必须是隐位。
第十九页,共七十三页。
出错 帧 (chū cuò)
• 出错帧由两个(liǎnɡ ɡè)不同场组成,第一个场由来自各节点 的出错标志叠加得到(dé dào),第二个场是出错界定符
符
第十七页,共七十三页。
应答(yìngdá)场,帧结束
• 应答场2位:1位应答间隙(jiàn xì),1位应答界定符
– 发送器在应答(yìngdá)间隙发送1位隐位,接收器在正确 接收到报文后在应答间隙发送1位显位。
– 应答界定符为隐位
• 帧结束
– 每帧均以7个连续隐位作为结束标志
第十八页,共七十三页。
第七页,共七十三页。
CAN总线(zǒnɡ xiàn)信号的显位与隐位
• 显位(xiǎn wèi)(0)
– VCANH: 3.5v – VCANL 1 1.5v
• 隐位(1)
– VCANH 2.5v – VCANL 2.5v
• 显位(xiǎn wèi)可改
写隐位
第八页,共七十三页。
CAN节点(jié diǎn)的网络连接
之间的接口, 有13字节长。能存储一条将在CAN总
线上发送的完整报文。报文由CPU写入, 由位流处理
器BSP读出。
– 接收缓冲器(RXB,RXFIFO): 是CPU和接 收滤波器之间的接口, 用来存储从CAN总线收到并接
收的报文。接收缓冲器FIFO共64字节长。其中有13
字节的窗口可供CPU访问(fǎngwèn)。在CPU处理一个报文的 同时,由这个FIFO继续接收其它正在到来的报文
位保留位, • 在标准格式中控制场包括4位数据长度码DLC、1
位保留位、1位标识扩展位IDE
第十六页,共七十三页。
数据(shùjù)场,CRC场
• 数据场包含(bāohán)被传送的数据,可包括0-8个8位 的字节(zì jié),先发送最高有效位。
• CRC场:15位的CRC序列,1个隐位的CRC界定
• CAN为短帧结构,传输时间短,受干扰概率低
第四页,共七十三页。
• CAN节点具有(jùyǒu)良好的检错功能,出错率低 – 节点中均有错误检测、标定和自检能力。
• 具有发送自检、循环(xúnhuán)冗余校验、位填充、报文格式检查等。
• CAN节点在错误严重的情况下具有(jùyǒu)自动关闭输出功
• 超载帧由出现超载的节点发出,用于提供 当前的和后续的数据帧的附加延迟
第十一页,共七十三页。
CAN的帧结构( jiégòu)
• 数据(shùjù)帧由7个不同的位场(域)组成:
– 帧起始、仲裁(zhòngcái)场、控制场、数据场、CRC场、应答
场、帧结束 – 帧起始位(1个显位),表示标志帧的开始,用于
第九页,共七十三页。
CAN技术规范
• CAN2.0A与CAN2.0B是1991年颁布(bānbù)的CAN技术规 范的两个部分
– CAN2.0A只有标准帧一种(yī zhǒnɡ)帧格式 – CAN2.0B包括标准帧与扩展帧两种
• 标准帧与扩展帧的区别主要在仲裁(zhòngcái)场与控制
场 –标准帧具有11位标识符
• CAN通信控制器SJA1000:实现CAN2.0B的两种格式通信帧的通信
控制
• 带CAN通信控制器与8位微控制器的P8XC592 • 带CAN通信控制器与16位微控制器的87C196CA/CB • 带32位ARM7 处理器内核、可编程逻辑、存储子系统、CAN接口、
以太网接口、I/O接口等的片上系统TA7V • 带CAN通信控制器的CAN总线I/O器件82C150 • CAN总线收发接口器件82C250
求位RTR 组成 (Remote Transmission Request)
– 仲裁场的11位标识符从高位到低位顺序发送,最
低位为ID.0,最高位为ID.10,其中的高7位
(ID.10-ID.3)不能全为隐位。
– 远程发送请求位(RTR)用于区分数据(shùjù)帧与远程帧
• 在数据帧中RTR位必须是显位 • 在远程帧中RTR位必须为隐位。
工业数据通信与控制(kòngzhì)网络
第4讲
CAN通信(tōng 技术 xìn)
阳宪惠
清华大学自动化系
第一页,共七十三页。
CAN简介(jiǎn jiè)
• CAN[Controller Area Network]是控制器局域网
的简称( jiǎnchēng) • 它是德国Bosch公司(ɡōnɡ sī)在1986年为解决现代汽车中
第十四页,共七十三页。
仲裁场
• 扩展(kuòzhǎn)帧仲裁场的组成
– 29位标识符位:ID.28至ID.0
远程 请求替代位SRR : –
(yuǎnchéng)
(SubRsetimtutoete Request)
• 设置SRR为保持扩展帧与标准(biāozhǔn)帧的格式兼容 • 扩展帧中的SRR为隐位
– 标识扩展位IDE (Identifier Extension):
• 标识扩展位IDE在标准帧中为显位,在扩展帧中为隐位
– 远程发送请求位RTR组成
第十五页,共七十三页。
控制 场 (kòngzhì)
• 控制(kòngzhì)场由6位组成
• 在扩展格式中控制(kòngzhì)场包括4位数据长度码DLC和2
• 错误标志具有两种形式:
– 活动出错标志(Active error flag),由6个连续的显位组
成
– 认可出错标志(Passive error flag),由6个连续的隐位 组成
• 出错界定符包括8个隐位
第二十页,共七十三页。
超载 帧 (chāozài)
• 超载帧包括两个位场:超载标志和超载界定(jiè 符 dìnɡ)
会主动地退出发送,而最高优先级的节点可不受影响地继续
传输数据,从而节省了总线冲突的仲裁时间。
CAN网络上的节具有不同的优先级
– 可满足对实时性的不同要求
– 高优先级的数据可在134微秒内得到传输
第三页,共七十三页。
• 通过报文滤波(lǜbō)可实现点对点、一点对多点及全局 广播等几种方式收发数据,无需专门的“调度”
第二十六页,共七十三页。
CAN通信(tōng xìn)控制器SJA1000(续)
• 接收(jiēshōu)滤波器ACF: 接收滤波器把收到的报文标识符和接收滤 波寄存器中的内容进行比较,以判断该报文是否被接收。如
果判断结果(jiē guǒ)是肯定的, 则报文被存入RXFIFO。
• 位流处理器BSP: 位流处理器控制发送缓冲器FIFO和C
• CAN的直接通信(tōng xìn)距离
– 最远可达10km(速率(sùlǜ)5kbps以下);
– 通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。
• CAN总线上的节点数决定于总线驱动电路,一般为
– 可达110个;
• 报文标识符:
– CAN2.0A为2032种 – CAN2.0B扩展帧的报文标识符几乎不受限制
第二页,共七十三页。
CAN的主要技术( 特点 jìshù)
• CAN网络(wǎngluò)上的节点不分主从
– 任一节点均可在任意时刻(shíkè)主动地向网络上其他节点发送 信息,通信方式灵活
• CAN采用非破坏性的总线仲裁技术
- 载波监听多路访问、逐位仲裁
- 先听再讲
- 当多个节点同时向总线发送信息时,优先级较低的节点
• 超载标志由6个显位组成 • 超载界定符由8个隐位组成 • 发送超载帧的超载条件:
– 接收器要求延迟下一个数据帧或远程帧 – 在间歇场检测到显位
第二十一页,共七十三页。
实现CAN通信控制(kòngzhì)的几种ASIC芯片
• CAN通信控制器82C200:实现(shíxiàn)CAN2.0A的标准格式通信帧的通信 控制(kòngzhì)
AN总线之间数据序列,同时它也执行错误检测、仲裁、位
填充和CAN总线错误处理功能。 • 位定时逻辑BTL: BTL监视总线上的串行序列,处理与CAN总
线相关的位时间,按收到的报文头与CAN总线上的位流同 步。BTL还为补偿传输迟延时间和相位跳变提供可编程的时
间段。
• 错误管理逻辑EML:它按照CAN协议完成错误界定。它接受
来自BSP的出错通知,并向BSP和IML提供出错统计
第二十七页,共七十三页。
SJA1000功能(gōngnéng)框图
CAN通信(tōng xìn)控制器SJA1000
• SJA1000 实现(shíxiàn)CAN2.0B协议
• 特点 : (tèdiǎn)
- 引脚、电气特性、软件与PCA 82C200兼容
- 64字节FIFO扩展接收缓冲器
- 通信速率1Mb/s - 24MHz时钟 - 多种微处理器接口
- 具有只听模式 - 支持热插拔
第二十二页,共七十三页。
CAN通信(tōng xìn)控制器
• CAN通信(tōng xìn)控制器要实现CAN总线协议并具备与微控制 器的接口
– 不同型号的CAN总线通信(tōng xìn)控制器,其结构和功能大体相
同; – 与微控制器接口部分的结构及方式存在一些差异
• 由CAN通信控制器芯片完成CAN总线协议中物理层和
能,以使总线上其他节点的操作不受影响。 • CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择
灵活。
• CAN器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式
– 相当于未连接到总线驱动器 – 可降低系统功耗 – 其睡眠状态可借助总线激活或者系统的内部条件被唤醒。
第五页,共七十三页。
CAN通信(tōng 技术 xìn)
– CAN的通信模型的分层结构
• 数据链路层
– 包括逻辑链路控制子层LLC »LLC的主要功能是:为数据传送和远程数据请求提供服
务,确认由LLC子层接收的报文实际已被接收,并为恢复 管理和通知(tōngzhī)超载提供信息
– 媒体访问控制子层MAC »MAC子层主要规定传输规则,即控制帧结构、执行仲裁、
数据链路层的所有功能 • 应用层功能由微控制器完成
• 芯片工作的温度范围为:
– -40℃~+125℃,汽车及某些军用领域, – -40℃~+80℃,一般工业领域
第二十三页,共七十三页。
CAN通信(tōng xìn)控制器82C200的功能框图
82C200实现(shíxiàn)CAN2.0A协议
第二十四页,共七十三页。
错误检测、出错标定和故障界定
• 物理层
– 物理层规定了节点的全部电气特性
第六页,共七十三页。
数据(shùjù)链路层 逻辑链路子层 接收滤波 超载(chāozài)通知
恢复管理
媒体访问控制子层 数据封装/拆装
帧编码(填充/解除填充)
媒体访问管理 错误监测 出错标定 应答 串行化/解除串行化
物理层
位编码/解码;位定时;同步; 驱动器/接收器特性
节点同步,总线空闲才允许节点发送 – 中间有仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场
– 帧结束(7个隐位) – 数据场长度可为零
第十二页,共七十三页。
CAN数据(shùjù)帧的组成
第十三页,共七十三页。
仲裁 场 (zhòngcái)
• 标准帧的仲裁(zhòngcái)场由11位标识符和远程发送请
众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种
串行数据通信总线
• 现已被列入ISO国际标准ISO11898 • 最初为汽车测控数据通信而设计的CAN ,现已在
多领域被广泛采用
– 航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸、仓储等行业 – 火车、轮船、机器人、楼宇自控、医疗器械、数控机
床、智能传感器、过程自动化仪表等
-自身报文接收 - 工作温度-40℃到+125℃
第二十五页,共七十三页。
CAN通信(tōng xìn)控制器SJA1000
• SJA1000CAN通信(tōng xìn)控制器由以下几部分构成:
– 接口管理逻辑IML:它接收微处理器的命令,控制CAN
寄存器的地址,并为微处理器提供中断和状态信息。 – 发送缓冲器TXB: 它是CPU和位流处理器(BSP)
–扩展帧具有29位标识符
第十页,共七十三页。
CAN报文帧的类型(lèixíng)
• 4种不同类型的帧:
– 数据(shùjù)帧、远程帧、出错帧、超载帧
• 数据(shùjù)帧携带数据(shùjù),由发送器传送至接收器
• 远程帧用以请求总线上的相关节点发送具 有规定标识符的数据帧
• 出错帧由检测出总线错误的节点发送,向 总线通知出现了错误
远程 帧 (yuǎnchéng)
• 远程帧由6个场组成:帧起始、仲裁场、控制
场、CRC场、应答场和帧结束。远程帧不存在(cúnzài)
数据场。 • 远程(yuǎnchéng)帧的RTR位必须是隐位。
第十九页,共七十三页。
出错 帧 (chū cuò)
• 出错帧由两个(liǎnɡ ɡè)不同场组成,第一个场由来自各节点 的出错标志叠加得到(dé dào),第二个场是出错界定符
符
第十七页,共七十三页。
应答(yìngdá)场,帧结束
• 应答场2位:1位应答间隙(jiàn xì),1位应答界定符
– 发送器在应答(yìngdá)间隙发送1位隐位,接收器在正确 接收到报文后在应答间隙发送1位显位。
– 应答界定符为隐位
• 帧结束
– 每帧均以7个连续隐位作为结束标志
第十八页,共七十三页。
第七页,共七十三页。
CAN总线(zǒnɡ xiàn)信号的显位与隐位
• 显位(xiǎn wèi)(0)
– VCANH: 3.5v – VCANL 1 1.5v
• 隐位(1)
– VCANH 2.5v – VCANL 2.5v
• 显位(xiǎn wèi)可改
写隐位
第八页,共七十三页。
CAN节点(jié diǎn)的网络连接
之间的接口, 有13字节长。能存储一条将在CAN总
线上发送的完整报文。报文由CPU写入, 由位流处理
器BSP读出。
– 接收缓冲器(RXB,RXFIFO): 是CPU和接 收滤波器之间的接口, 用来存储从CAN总线收到并接
收的报文。接收缓冲器FIFO共64字节长。其中有13
字节的窗口可供CPU访问(fǎngwèn)。在CPU处理一个报文的 同时,由这个FIFO继续接收其它正在到来的报文
位保留位, • 在标准格式中控制场包括4位数据长度码DLC、1
位保留位、1位标识扩展位IDE
第十六页,共七十三页。
数据(shùjù)场,CRC场
• 数据场包含(bāohán)被传送的数据,可包括0-8个8位 的字节(zì jié),先发送最高有效位。
• CRC场:15位的CRC序列,1个隐位的CRC界定
• CAN为短帧结构,传输时间短,受干扰概率低
第四页,共七十三页。
• CAN节点具有(jùyǒu)良好的检错功能,出错率低 – 节点中均有错误检测、标定和自检能力。
• 具有发送自检、循环(xúnhuán)冗余校验、位填充、报文格式检查等。
• CAN节点在错误严重的情况下具有(jùyǒu)自动关闭输出功
• 超载帧由出现超载的节点发出,用于提供 当前的和后续的数据帧的附加延迟
第十一页,共七十三页。
CAN的帧结构( jiégòu)
• 数据(shùjù)帧由7个不同的位场(域)组成:
– 帧起始、仲裁(zhòngcái)场、控制场、数据场、CRC场、应答
场、帧结束 – 帧起始位(1个显位),表示标志帧的开始,用于
第九页,共七十三页。
CAN技术规范
• CAN2.0A与CAN2.0B是1991年颁布(bānbù)的CAN技术规 范的两个部分
– CAN2.0A只有标准帧一种(yī zhǒnɡ)帧格式 – CAN2.0B包括标准帧与扩展帧两种
• 标准帧与扩展帧的区别主要在仲裁(zhòngcái)场与控制
场 –标准帧具有11位标识符
• CAN通信控制器SJA1000:实现CAN2.0B的两种格式通信帧的通信
控制
• 带CAN通信控制器与8位微控制器的P8XC592 • 带CAN通信控制器与16位微控制器的87C196CA/CB • 带32位ARM7 处理器内核、可编程逻辑、存储子系统、CAN接口、
以太网接口、I/O接口等的片上系统TA7V • 带CAN通信控制器的CAN总线I/O器件82C150 • CAN总线收发接口器件82C250
求位RTR 组成 (Remote Transmission Request)
– 仲裁场的11位标识符从高位到低位顺序发送,最
低位为ID.0,最高位为ID.10,其中的高7位
(ID.10-ID.3)不能全为隐位。
– 远程发送请求位(RTR)用于区分数据(shùjù)帧与远程帧
• 在数据帧中RTR位必须是显位 • 在远程帧中RTR位必须为隐位。
工业数据通信与控制(kòngzhì)网络
第4讲
CAN通信(tōng 技术 xìn)
阳宪惠
清华大学自动化系
第一页,共七十三页。
CAN简介(jiǎn jiè)
• CAN[Controller Area Network]是控制器局域网
的简称( jiǎnchēng) • 它是德国Bosch公司(ɡōnɡ sī)在1986年为解决现代汽车中
第十四页,共七十三页。
仲裁场
• 扩展(kuòzhǎn)帧仲裁场的组成
– 29位标识符位:ID.28至ID.0
远程 请求替代位SRR : –
(yuǎnchéng)
(SubRsetimtutoete Request)
• 设置SRR为保持扩展帧与标准(biāozhǔn)帧的格式兼容 • 扩展帧中的SRR为隐位
– 标识扩展位IDE (Identifier Extension):
• 标识扩展位IDE在标准帧中为显位,在扩展帧中为隐位
– 远程发送请求位RTR组成
第十五页,共七十三页。
控制 场 (kòngzhì)
• 控制(kòngzhì)场由6位组成
• 在扩展格式中控制(kòngzhì)场包括4位数据长度码DLC和2
• 错误标志具有两种形式:
– 活动出错标志(Active error flag),由6个连续的显位组
成
– 认可出错标志(Passive error flag),由6个连续的隐位 组成
• 出错界定符包括8个隐位
第二十页,共七十三页。
超载 帧 (chāozài)
• 超载帧包括两个位场:超载标志和超载界定(jiè 符 dìnɡ)
会主动地退出发送,而最高优先级的节点可不受影响地继续
传输数据,从而节省了总线冲突的仲裁时间。
CAN网络上的节具有不同的优先级
– 可满足对实时性的不同要求
– 高优先级的数据可在134微秒内得到传输
第三页,共七十三页。
• 通过报文滤波(lǜbō)可实现点对点、一点对多点及全局 广播等几种方式收发数据,无需专门的“调度”
第二十六页,共七十三页。
CAN通信(tōng xìn)控制器SJA1000(续)
• 接收(jiēshōu)滤波器ACF: 接收滤波器把收到的报文标识符和接收滤 波寄存器中的内容进行比较,以判断该报文是否被接收。如
果判断结果(jiē guǒ)是肯定的, 则报文被存入RXFIFO。
• 位流处理器BSP: 位流处理器控制发送缓冲器FIFO和C
• CAN的直接通信(tōng xìn)距离
– 最远可达10km(速率(sùlǜ)5kbps以下);
– 通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。
• CAN总线上的节点数决定于总线驱动电路,一般为
– 可达110个;
• 报文标识符:
– CAN2.0A为2032种 – CAN2.0B扩展帧的报文标识符几乎不受限制
第二页,共七十三页。
CAN的主要技术( 特点 jìshù)
• CAN网络(wǎngluò)上的节点不分主从
– 任一节点均可在任意时刻(shíkè)主动地向网络上其他节点发送 信息,通信方式灵活
• CAN采用非破坏性的总线仲裁技术
- 载波监听多路访问、逐位仲裁
- 先听再讲
- 当多个节点同时向总线发送信息时,优先级较低的节点
• 超载标志由6个显位组成 • 超载界定符由8个隐位组成 • 发送超载帧的超载条件:
– 接收器要求延迟下一个数据帧或远程帧 – 在间歇场检测到显位
第二十一页,共七十三页。
实现CAN通信控制(kòngzhì)的几种ASIC芯片
• CAN通信控制器82C200:实现(shíxiàn)CAN2.0A的标准格式通信帧的通信 控制(kòngzhì)
AN总线之间数据序列,同时它也执行错误检测、仲裁、位
填充和CAN总线错误处理功能。 • 位定时逻辑BTL: BTL监视总线上的串行序列,处理与CAN总
线相关的位时间,按收到的报文头与CAN总线上的位流同 步。BTL还为补偿传输迟延时间和相位跳变提供可编程的时
间段。
• 错误管理逻辑EML:它按照CAN协议完成错误界定。它接受
来自BSP的出错通知,并向BSP和IML提供出错统计
第二十七页,共七十三页。
SJA1000功能(gōngnéng)框图
CAN通信(tōng xìn)控制器SJA1000
• SJA1000 实现(shíxiàn)CAN2.0B协议
• 特点 : (tèdiǎn)
- 引脚、电气特性、软件与PCA 82C200兼容
- 64字节FIFO扩展接收缓冲器
- 通信速率1Mb/s - 24MHz时钟 - 多种微处理器接口
- 具有只听模式 - 支持热插拔
第二十二页,共七十三页。
CAN通信(tōng xìn)控制器
• CAN通信(tōng xìn)控制器要实现CAN总线协议并具备与微控制 器的接口
– 不同型号的CAN总线通信(tōng xìn)控制器,其结构和功能大体相
同; – 与微控制器接口部分的结构及方式存在一些差异
• 由CAN通信控制器芯片完成CAN总线协议中物理层和
能,以使总线上其他节点的操作不受影响。 • CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择
灵活。
• CAN器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式
– 相当于未连接到总线驱动器 – 可降低系统功耗 – 其睡眠状态可借助总线激活或者系统的内部条件被唤醒。
第五页,共七十三页。
CAN通信(tōng 技术 xìn)