一文看懂CAN总线

设计idea 2018-06-13 11:16 次阅读

前言

CAN总线的应用在现在看来越来越广泛,我厂设备从最初的ARM9与ARM7平台、期间升级过度到CortexA8与Cortex M3平台,再到现在的Cortex M4平台,围绕CAN进行了一系列产品的开发,CAN总线的稳定性是毋庸置疑的。

CAN总线物理结构与特性

CAN总线网络

CAN总线网络主要挂在CAN_H和CAN_L,各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输,为了避免信号的反射和干扰,还需要在CAN_H和CAN_L之间接上120欧姆的终端电阻,但是为什么是120欧姆呢?那是因为电缆的特性阻抗为120欧

CAN收发器

CAN收发器的作用是负责逻辑电平和信号电平之间的转换。

即从CAN控制芯片输出逻辑电平到CAN收发器,然后经过CAN收发器内部转换将逻辑电平转换为差分信号输出到CAN总线上,CAN总线上的节点都可以决定自己是否需要总线上的数据。具体的管教定义如下:

信号表示

CAN总线采用不归零码位填充技术,也就是说CAN总线上的信号有两种不同的信号状态,分别是显性的(Dominant)逻辑0和隐形的(recessive)逻辑1,信号每一次传输完后不需要返回到逻辑0(显性)的电平。

位填充规则发送器只要检测到位流里有5个连续相同值的位,便自动在位流里插入补充位。

观察下图:

可以看到上图中的当第一段为隐性(recessive),CAN_H和CAN_L电平几乎一样,也就是说CAN_H和CAN_L电平很接近甚至相等的时候,总线表现隐性的,而两线点位差较大时表现为显性的,按照定义的:

  • CAN_H-CAN_L < 0.5V 时候为隐性的,逻辑信号表现为"逻辑1"- 高电平。

  • CAN_H-CAN_L > 0.9V 时候为显性的,逻辑信号表现为"逻辑0"- 低电平。

下面将差分信号和显隐性之间对应关系总结为下表:

状态

逻辑信号

电压范围

显性Dominant

0

CAN_H-CAN_L > 0.9

隐性recessive

1

CAN_H-CAN_L < 0.5

由上面的分析我们可以知道:

CAN总线采用的"线与"的规则进行总线冲裁。即1&0=0;所以0为显性。

这句话隐含的意思是,如果总线上只要有一个节点将总线拉到低电平(逻辑0)即显性状态,总线就为低电平(逻辑0)即显性状态而不管总线上有多少节点处于传输隐性状态(高电平或是逻辑1),只有所有节点都为高(隐性),总线才为高,即隐性。

通讯速率与通讯距离

下面的SAE J2411为美国汽车标准。

类型

标准

最高速率

描述

高速CAN

CAN/ISO 11839-2

1Mbit/秒

最通用的CAN总线类型

低速CAN

ISO/ISO 11839-3

125Kbit/秒

容错,在一条总线短路的时候仍然能工作

单线CAN

SAE J2411

50Kbit/秒

高速模式可达到100Kbit/s主要用在汽车上,例如通用公司

CAN总线上任意两个节点的最大传输距离与其位速率有关,如下表:

位速率/kbps

1000

500

250

125

100

50

20

10

5

最大距离/m

40

130

270

530

620

1300

3300

6700

10000

这里的最大通信距离指的是同一条总线上两个节点之间的距离。可以看到速率越低通讯距离就越远,也就是说CAN总线的通讯距离和波特率成反比。在位速率为5千比特位每秒的时候达到最大的传输距离10公里。其中一般的工程中比较常用的为500K每秒的通讯速率。这个速率在实际测试的时候也是非常可靠的。

如果想要更远的传输(大于10公里);可以考虑用多个CAN控制器连接或是加其他通讯协议(如485或是TCP/IP)的接口芯片组成的一个设备,这样就可实现长距离的通讯需求。

CAN总线关键概念

仲裁

只要总线空闲,总线上任何节点都可以发送报文,如果有两个或两个以上的节点开始传送报文,那么就会存在总线访问冲突的可能。但是CAN使用了标识符的逐位仲裁方法可以解决这个问题。

在仲裁期间,每一个发送器都对发送的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同,则这个单元可以继续发送。如果发送的是一"隐性"电平而监视到的是一"显性"电平,那么这个节点失去了仲裁,必须退出发送状态。如果出现不匹配的位不是在仲裁期间则产生错误事件。

帧ID越小,优先级越高。由于数据帧的RTR位为显性电平,远程帧为隐性电平,所以帧格式和帧ID相同的情况下,数据帧优先于远程帧;由于标准帧的IDE位为显性电平,扩展帧的IDE位为隐形电平,对于前11位ID相同的标准帧和扩展帧,标准帧优先级比扩展帧高

CAN总线协议

CAN 总线是一个广播类型的总线,所以任何在总线上的节点都可以监听总线上传输的数据。也就是说总线上的传输不是点到点的,而是一点对多点的传输,这里多点的意思是总线上所有的节点。但是总线上的节点如何知道那些数据是传送给自己的呢?CAN总线的硬件芯片提供了一种叫做本地过滤的功能,通过这种本地过滤的功能可以过滤掉一些和自己无关的数据,而保留一些和自己有关的信息

CAN消息机制

CAN标准定义了四种消息类型,每条消息用一种叫做比特位仲裁(Arbitration)机制来控制进入CAN总线,并且每条消息都标记了优先权。另外CAN标准还定义了一系列的错误处理机制。

CAN报文的四种消息类型:

  • 数据帧:数据帧将数据从发送器传输到接收器。

  • 远程帧:总线单元发出远程帧,请求发送具有同一标识符的数据帧。

  • 错误帧:任何单元检测到总线错误就发出错误帧。

  • 过载帧:过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间的提供附加的延时。

数据帧

下图为基本的格式:

CAN总线中有标准帧和扩展帧两种格式,两种格式不同的地方在于仲裁域格式的不同,看下面两个表格可以很清楚的看出两者的不同,下面第一个表是标准帧(CAN2.0 A),第二个为扩展帧(CAN2.0 B):

下面为扩展帧格式(CAN2.0B):

其中

  • SOF为帧开始

  • SRR为"替代远程请求位

  • IDE为扩展标识符位

  • RTR为远程传输请求位

  • CRC delimiter 为CRC定界符。

  • ACK delimiter 为应答定界符.

我们看到上图中的基本帧格式可以总结为以下几个域:

描述

仲裁域

仲裁域决定了当总线上两个或是多个节点争夺总线时的优先权。

数据域

包含了0到8字节的数据。

CRC域

包含了15位的校验和,校验和用来做错误检测。

应答槽

任何一个已经正确接收到消息的控制器在每一条消息的末端发送一个应答位,发送器检查消息是否存在应答位,如果没有就重发消息。

远程帧

作为数据接收器的站,通过发送远程帧,可以启动其资源节点传送它们各自的数据。远程帧和数据帧非常类似,只是远程帧没有数据域。

上图就是远程帧的帧格式,它相对与数据帧没有远程帧,但是要注意发送远程帧的时候RTR位要置1,表示发送的是远程帧。下图更加清晰了呈现了这种结构。

错误帧

错误帧是当总线的某一个节点检测到错误后发送出来的,它会引起所有节点检测到一个错误,所以当有任何一个节点检测到错误,总线上的其他节点也会发出错误帧。CAN总线设计了一套详尽的错误计数机制来确保不会由于任何一个节点反复的发送错误帧而导致CAN总线的崩溃。

如上图所示错误标志和错误定界符组成,高低代表分别代表隐性和显性,其中错误标志为所有节点发过来的错误标志的叠加(Superposition)。下图更为清楚的看出各个数据位的分布:

下面通过以下数据结构框图概括各个部分的定义:

错误标志有两种形式:

  • 主动错误标志,它由6个连续的显性位0组成,它是节点主动发送的错误标志。

  • 被动错误标志,它由6个连续的隐性位1组成,除非被其他节点的显性位覆盖。

    刚才说到一个节点上检测到错误会导致总线上所有的节点都会检测到错误并发送错误标志,这是为什么呢?

    因为单一节点上的错误标志格式违背了从帧起始到CRC界定符的位填充规则,也破坏了ACK域或帧结尾的固定格式。下面简要说下位填充规则。

    位填充规则:发送器只要检测到位流里有5个连续相同值的位,便自动在位流里插入补充位。

    注意:位填充规则只是针对数据帧和远程帧,错误帧和过载帧格式固定。

        所以所有其他的节点会检测到错误条件并且开始发送错误标志,因此错误帧就是各个站的不同错误标志叠加在一起的结果。

当某个节点发送错误帧(带有错误标志),其他节点收到了错误帧,检测到错误条件,就通过发送"被动错误标志"的错误帧来提示错误。

错误定界符:

传送了错误标志以后,每一个站就发送一个隐性位,并一直监视总线直到检测出一个隐性位为止,然后就开始发送其余7个隐性位。

过载帧

过载帧是接收节点用来向发送节点告知自身接收能力的帧。

过载帧,意思就是某个接收节点来不及处理数据了,希望其他节点慢点发送数据帧或者远程帧,所以告诉发送节点,我已经没有能力处理你发送过来的数据了。

过载帧跟错误帧结构类似包括过载标志和过载定界符,有3中情况会引起过载:

  • 接收器内部的原因,它需要延迟下一个数据帧或是远程帧。

  • 在间歇字段(看下面的帧间空间)的第一位和第二位检测到一个显性位(间歇字段都是隐性位的)

  • 如果CAN节点在错误界定符或是过载界定符的第八位(最后一位)采样到一个显性位逻辑0,节点会发送一个过载帧,错误计数器不会增加。

上图中很清晰的表示了过载标志有6个显性位组成,而叠加部分和"主动错误"标志一样,过载的标志破坏的是间歇域的固定格式。所以导致其他的节点都检测到过载条件,并一同发出过载标志。

过载定界符:

也就是上图的过载结束符,过载标志被传送以后,节点就一直监听着总线,直到检测到有一个从显性位到隐性位的跳变为止。当从总线上检测到这样的跳变,则就标志着每一个节点都完成了各自过载标志的发送,并开始同时发送其余7个隐性位。

帧间空间(Interframe Space)

帧间空间说白了就是帧与帧之间的间隔,但是这种间隔在CAN的帧中只存在于数据帧和远程帧,其他的帧就不一定是帧间空间隔开的,而是其他形式,或是直接是没有间隔,例如过载帧和错误帧之间就没帧间空间。过个过载帧之间有间隔但是不是有帧间空间隔开的。

这里所说的针间空间包括"间歇"、"总线空闲"的位域。如果是发送前一报文的"被动错误"的站,则还包括叫做"挂起传输"的位域。

若不是"被动错误"的站,或作为前一报文的接收器的站,帧间空间格式为下图:

若是"被动错误"的站,如果想要发送8个隐性电平,在发送其他帧,帧间空间格式为下图,即包括了挂起传输,

可以看到

间歇字段有3个隐性位。

特别的在间歇期间,所有的节点都不允许传送数据帧和远程帧,唯一看做的是标示一个过载条件。

总线空闲

只要总线空闲,任何节点就可以往总线发送数据,并且是开始于间歇之后的第一个位。一旦总线上检测到显性位即逻辑"0",可以认为是帧的开始。

  1. 挂起传输

"被动错误"的节点发送报文之后,在下一个报文开始传送之前或是确认总线空闲之前发出8个隐性位跟随在间歇的后面。如果这个时候有一个报文从其他的节点发过来,则这个节点就成为了接收器。

错误处理机制

错误侦测

下标是几个错误类型:

错误类型

出错条件

出错域

帧测单元

比特错误

bit error

发送的位值与所监控的位值不相符合(填充比特和ACK比特除外)

数据帧(SOF~EOF)

远程帧(SOF~EOF)

错误帧

过载帧

发送单元

接收单元

填充错误stuff error

侦测到6个连续相同的电平

数据帧(SOF~CRC)

远程帧(SOF~CRC)

发送单元

接收单元

CRC 错误

计算结果和接收到的CRC不同

数据帧(CRC)

远程帧(CRC)

接收单元

格式错误

Form Error

某个固定的格式位置出现无效的比特

数据帧:

(CRC Delimiter, ACK Delimiter EOF)

远程帧:

(CRC Delimiter,ACK Delimiter)

错误帧:

(Error Frame Delimiter)

过载帧:

(Overload Delimiter)

接收单元

应答错误

Acknowledgment

发送端在应答间隙所监视的位不为显性,即逻辑0,发送器就检测到一个应答错误。

数据帧(ACK slot)

远程帧(ACK slot)

发送单元

错误计数

下面是错误计数表:


错误条件

Transmit Error Counter

Receive Error Counter

1

RECEIVER端侦测到一个位Error错误,除了发送ACTIVE ERROR FLAG 和OVERLOAD FLAG

-

+1

2

TRANSMITIER 发送ERROR FLAG

+8


3

TRANSMITTER发送ACTIVE ERROR FLAG OVERFLAG时侦测到BIT ERROR

+8


4

当RECEIVER发送ACTIVE ERROR FLAG或OVERFLAG时侦测到BIT ERROR

+8


5

一个帧被成功发送之后(取得ACK并且知道END OF FRAME完成都没有错误)

-1 IF TEC=0,TEC will not be changed

-

6

一个帧被成功接收(知道ACK域都没有检测到错误,并成功发送ACK比特)

-

1. if 1 <= REC <= 127 -> REC-1

2. if REC = 0 -> REC = 0

3. if REC > 127 -> REC = a value

Between 119 to 127

7

在总线上检测到128此连续的11个1,"bus off"的节点允许变成不再是"bus off"

Cleared to TEC = 0

Cleared to REC = 0

错误抑制

为防止某些节点自身出错而一直发送错误帧,干扰其他节点通信,CAN协议规定了节点的3种状态及行为,如下图:

一个节点挂到CAN总线上之后,处于ACTIVE状态;TEC>127或者REC>127导致节点进入passive状态;TEC>255之后节点处于bus off状态,就是不允许再往bus上发送东西了;处于bus off状态的节点,在检测到128个连续的11个1之后将回到active状态。 

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如何实现单片机UART串行数据与CAN数据之间相互转换

CAN总线分析仪CANScope的产品操作手册详细资料免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是CAN总线分析仪CANScope的产品操作手册详细资料免费下载。

发表于 10-31 08:00 63次 阅读
CAN总线分析仪CANScope的产品操作手册详细资料免费下载

如何使用LABVIEW开发一个汽车CAN总线数据采集系统的资料概述

为了对汽车内部的总线数据传输进行有效的测试和监控,设计采用内置的 CAN控制器 PIC18F6585....

发表于 10-31 08:00 113次 阅读
如何使用LABVIEW开发一个汽车CAN总线数据采集系统的资料概述

如何实现将Modbus主站与CAN总线连接

广成科技GCAN-204型号Modbus RTU转CAN模块可以实现将Modbus主站与CAN总线连....

的头像 广成CAN总线 发表于 10-25 11:29 703次 阅读
如何实现将Modbus主站与CAN总线连接

CAN总线、T-BOX、OTA车联网的安全三系列

如果把汽车比作人,CAN总线就相当于汽车的神经网络,负责连接车内各控制系统。

的头像 智车科技 发表于 10-21 09:17 1312次 阅读
CAN总线、T-BOX、OTA车联网的安全三系列

如何进行USBCAN自检详细流程概述

双通道USBCAN设备是CAN总线开发工程师必备的工具之一,当怀疑手中的双通道USBCAN分析仪是否....

的头像 广成CAN总线 发表于 10-20 10:46 638次 阅读
如何进行USBCAN自检详细流程概述

MRT1040DLT和MRT485DLT及MRT232DLT收发器的数据文档和封装文件

压缩包里面有MRT1040DLT、MRT485DLT、MRT232DLT的数据文档和封装文件,兼容周....

发表于 10-18 08:00 58次 阅读
MRT1040DLT和MRT485DLT及MRT232DLT收发器的数据文档和封装文件

STM32F103 can的两个接收fifo如何使用?详细使用方法资料概述

stm32的文档上说can有两个接收fifo,但是对具体怎么使用并没有特别提到,在网上也没有找到靠谱....

发表于 10-18 08:00 65次 阅读
STM32F103 can的两个接收fifo如何使用?详细使用方法资料概述

MRT1040DL通用CAN通信收发器芯片的中文数据手册免费下载

MRT1040DL是一款带隔离的通用CAN收发器芯片, 该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN....

发表于 10-18 08:00 70次 阅读
MRT1040DL通用CAN通信收发器芯片的中文数据手册免费下载

CAN转光纤设备长距离稳定传输数据

使用光纤传输数据的方式大家应该都不陌生,光纤可以有效的消除长距离通信干扰。

的头像 广成CAN总线 发表于 10-17 15:38 466次 阅读
CAN转光纤设备长距离稳定传输数据

SN65LBC031 高速控制器局域网 (CAN) 收发器

SN75LBC031是一个CAN收发器,用作CAN控制器和物理总线之间的接口,用于高达500 kBaud的高速应用。该器件为差分总线提供传输能力,并为控制器提供差分接收功能。发送器输出(CANH和CANL)具有内部转换调节功能,可提供受控对称性,从而实现低EMI辐射。两个变送器输出都可以完全防止电池短路和总线上可能发生的瞬态电压。在器件功耗过大的情况下,热关断电路会在大约160°C的结温下禁用输出驱动器。在发送器输入端包含内部上拉电阻可确保在上电和协议控制器复位期间定义输出。对于500 kBaud的正常操作,ASC端子打开或连接到GND。对于125 kBaud的低速运行,可以通过将ASC端子连接到V CC 来增加总线输出转换时间以降低EMI。接收器包括一个集成滤波器,可将信号抑制成小于30 ns的脉冲。 SN75LBC031的工作温度范围为-40°C至85°C。 SN65LBC031的工作温度范围为-40°C至125°C。 SN65LBC031Q的特点是可在-40°C至125°C的汽车温度范围内工作。 特性 SN75LBC031符合标准ISO /DIS 11898(最高500 k波特) 50 mA时的驱动器输出能力 宽输入/输出总输入/输出总线电压范围 总线输出短路保...

发表于 10-16 10:08 30次 阅读
SN65LBC031 高速控制器局域网 (CAN) 收发器

SN65HVD233 具有待机模式和环回功能的 3.3V CAN 收发器

SN65HVD233,SN65HVD234和SN65HVD235用于采用符合ISO 11898标准的控制器局域网(CAN)串行通信物理层的应用中。作为CAN收发器,每个都在差分CAN总线和CAN控制器之间提供发送和接收功能,信号速率高达1 Mbps。 设计用于特别恶劣的环境,设备具有交叉线保护,高达±36 V的过压保护,接地保护丢失,过热(热关断)保护以及±100 V的共模瞬变保护。这些器件可在7 V至12 V的宽共模范围内工作。这些收发器是微处理器上的主机CAN控制器与工业,楼宇自动化,运输和汽车应用中使用的差分CAN总线之间的接口。 模式: R < SN65HVD233,SN65HVD234和SN65HVD235的sub> S 引脚(引脚8)提供三种工作模式:高速,斜率控制和低功耗待机模式。通过将引脚8直接连接到地来选择高速工作模式,允许驱动器输出晶体管尽可能快地接通和断开,而不限制上升和下降斜率。可以通过在R S 引脚和地之间连接一个电阻来调整上升和下降斜率。斜率将与引脚的输出电流成比例。电阻值为10kΩ时,器件驱动器的压摆率约为15 V /μs,值为100kΩ时,器件的压摆率约为2.0 V /μs。有关斜率控制的更多信息,请参阅功能描述。 SN65HVD23...

发表于 10-16 10:08 32次 阅读
SN65HVD233 具有待机模式和环回功能的 3.3V CAN 收发器

TLIN2024-Q1 四路 LIN 收发器

TLIN2024-Q1器件是一款四路局域互连网络(LIN)物理层收发器,集成了唤醒和保护特性,符合LIN 2.0 ,LIN 2.1,LIN 2.2,LIN 2.2A和ISO /DIS 17987-4.2标准.LIN是一根单线制双向总线,通常用于低速车载网络,数据传输速率高达20kbps.LIN接收器支持数据传输速率高达100kbps的内联编程应用.TLIN2024-Q1具有两个独立的双路LIN收发器模块.V SUP1 /2 可控制独立的双路收发器模块.TLIN2024-Q1使用一个可降低电磁辐射(EME)的限流波形整形驱动器将TXD输入上的LIN协议数据流转化为LIN总线信号。接收器将数据流转化为逻辑电平信号,此信号通过开漏RXD引脚发送到微处理器。休眠模式可实现超低电流消耗,该模式允许通过LIN总线或EN引脚实现唤醒。集成电阻器,静电放电(ESD)保护和故障保护功能有助于设计人员节约应用的布板空间 特性 符合汽车类标准 具有符合AEC Q100标准的下列结果: 器件环境温度:-40°C至125°C 器件HBM ESD分类等级:±6kV 器件CDM ESD分类等级:±1.5kV 符合LIN 2.0,LIN 2.1,LIN 2.2,LIN 2.2A和ISO /DIS 17987-4.2标...

发表于 10-16 10:08 25次 阅读
TLIN2024-Q1 四路 LIN 收发器

SN75LBC031 收发器

SN75LBC031是一个CAN收发器,用作CAN控制器和物理总线之间的接口,用于高达500 kBaud的高速应用。该器件为差分总线提供传输能力,并为控制器提供差分接收功能。发送器输出(CANH和CANL)具有内部转换调节功能,可提供受控对称性,从而实现低EMI辐射。两个变送器输出都可以完全防止电池短路和总线上可能发生的瞬态电压。在器件功耗过大的情况下,热关断电路会在大约160°C的结温下禁用输出驱动器。在发送器输入端包含内部上拉电阻可确保在上电和协议控制器复位期间定义输出。对于500 kBaud的正常操作,ASC端子打开或连接到GND。对于125 kBaud的低速运行,可以通过将ASC端子连接到V CC 来增加总线输出转换时间以降低EMI。接收器包括一个集成滤波器,可将信号抑制成小于30 ns的脉冲。 SN75LBC031的工作温度范围为-40°C至85°C。 SN65LBC031的工作温度范围为-40°C至125°C。 SN65LBC031Q的特点是可在-40°C至125°C的汽车温度范围内工作。 特性 SN75LBC031符合标准ISO /DIS 11898(最高500 k波特) 50 mA时的驱动器输出能力 宽输入/输出总输入/输出总线电压范围 总线输出短路保...

发表于 10-16 10:08 17次 阅读
SN75LBC031 收发器

SN65LBC031Q 高速控制器局域网 (CAN) 收发器

SN75LBC031是一个CAN收发器,用作CAN控制器和物理总线之间的接口,用于高达500 kBaud的高速应用。该器件为差分总线提供传输能力,并为控制器提供差分接收功能。发送器输出(CANH和CANL)具有内部转换调节功能,可提供受控对称性,从而实现低EMI辐射。两个变送器输出都可以完全防止电池短路和总线上可能发生的瞬态电压。在器件功耗过大的情况下,热关断电路会在大约160°C的结温下禁用输出驱动器。在发送器输入端包含内部上拉电阻可确保在上电和协议控制器复位期间定义输出。对于500 kBaud的正常操作,ASC端子打开或连接到GND。对于125 kBaud的低速运行,可以通过将ASC端子连接到V CC 来增加总线输出转换时间以降低EMI。接收器包括一个集成滤波器,可将信号抑制成小于30 ns的脉冲。 SN75LBC031的工作温度范围为-40°C至85°C。 SN65LBC031的工作温度范围为-40°C至125°C。 SN65LBC031Q的特点是可在-40°C至125°C的汽车温度范围内工作。 特性 SN75LBC031符合标准ISO /DIS 11898(最高500 k波特) 50 mA时的驱动器输出能力 宽输入/输出总输入/输出总线电压范围 总线输出短路保...

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SN65LBC031Q 高速控制器局域网 (CAN) 收发器

什么是CAN总线协议?CAN总线协议具体分析!

很难找到一篇能够适合初学者CAN总线原理的文章,因此小编本着通俗易懂的原则编写此文!

的头像 嵌入式ARM 发表于 10-16 08:48 1093次 阅读
什么是CAN总线协议?CAN总线协议具体分析!

简单介绍CAN一致性测试中的负载率测试

一直以来,汽车的测试都离不开CAN,而CAN的应用也离不开汽车行业。因此,在新能源汽车越发成熟的今天....

的头像 ZLG致远电子 发表于 10-15 16:58 776次 阅读
简单介绍CAN一致性测试中的负载率测试