一、時(shí)間源

1、GNSS

在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)時(shí)間同步中，多數(shù)情況下會(huì)配備高精度GNSS車(chē)載接收機(jī)，如圖1所示。GNSS接收機(jī)會(huì)解算導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)定位和授時(shí)功能。具體來(lái)說(shuō)，解算獲得導(dǎo)航衛(wèi)星中高精度原子時(shí)鐘與本系統(tǒng)時(shí)間的鐘差，從而校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)間，完成GNSS的授時(shí)功能。

圖1：GNSS接收機(jī)

二、PPS＋GPRMC

隨后，GNSS接收機(jī)會(huì)發(fā)送PPS脈沖+GPRMC報(bào)文，信號(hào)如圖2所示。

圖2：PPS與GPRMC

1、PPS

PPS（Pulse Per Second，秒脈沖）：基于 UTC（協(xié)調(diào)世界時(shí)）產(chǎn)生時(shí)間周期為1s的同步脈沖信號(hào)，脈沖寬度通常在5ms-100ms之間。

2、GPRMC

GPRMC（Global Positioning System Recommended Minimum data，全球定位系統(tǒng)推薦最小數(shù)據(jù)集）：是NMEA 0183報(bào)文之一，包含經(jīng)緯度、日期（年、月、日）和UTC時(shí)間（精確到秒）等信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口進(jìn)行輸出。

3、時(shí)間同步管理

通過(guò)PPS+GPRMC進(jìn)行時(shí)間同步原理如下：

在智能駕駛的方案中，一般都采用多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。此時(shí)如果我們?cè)谟蚩刂破髋c各類(lèi)傳感器之前都采用"PPS+GPRMC"，用兩根線(xiàn)來(lái)連接這兩個(gè)物理接口，技術(shù)上是可行的，但是實(shí)際上十分難以操作。

三、高精度時(shí)間同步協(xié)議

1、PTP

• 普通時(shí)鐘（Ordinary Clock, OC）：基本的從時(shí)鐘，只有一個(gè)PTP通信端口，只同步時(shí)間。

• 邊界時(shí)鐘（Boundary Clock, BC）：有多個(gè)PTP通信端口的時(shí)鐘，可以接收一個(gè)時(shí)間信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)段，如交換機(jī)或路由器。

• 透明時(shí)鐘（Transparent Clock, TC）：通過(guò)它的報(bào)文不需要進(jìn)行任何處理，直接轉(zhuǎn)發(fā)。

2、時(shí)間同步過(guò)程

PTP通過(guò)在主從設(shè)備之間交互同步報(bào)文，并記錄下報(bào)文發(fā)送時(shí)間，從而計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲和主從設(shè)備間時(shí)鐘的偏差。同步報(bào)文包括：Sync、Follow_Up、Delay_Req和Delay_Resp，時(shí)間同步過(guò)程如下，如圖3所示：

圖3：PTP時(shí)間同步過(guò)程

• 主時(shí)鐘周期性的發(fā)送 Sync 報(bào)文 (預(yù)計(jì)時(shí)間) → 從時(shí)鐘接收 Sync 報(bào)文 (時(shí)間 t2)；

• 主時(shí)鐘發(fā)送 Follow_Up 報(bào)文 (實(shí)際發(fā)送時(shí)間 t1) → 從時(shí)鐘接收 Follow_Up 報(bào)文；

• 從時(shí)鐘發(fā)送 Delay_Req 報(bào)文 (發(fā)送時(shí)間 t3) → 主時(shí)鐘接收 Delay_Req 報(bào)文 (接收時(shí)間 t4)；

• 主時(shí)鐘發(fā)送 Delay_Resp 報(bào)文 (包含時(shí)間 t4) → 從時(shí)鐘接收 Delay_Resp 報(bào)文；

• 從時(shí)鐘根據(jù)網(wǎng)絡(luò)往返延時(shí)和時(shí)鐘偏差的測(cè)量結(jié)果，調(diào)整其本地時(shí)鐘。

值得注意的是，t1和t4時(shí)間由主時(shí)鐘記錄，t2和t3時(shí)間由從時(shí)鐘記錄。這樣我們就可以計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和時(shí)間偏差。其中，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是Sync報(bào)文和Delay_Resp報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中往返傳輸?shù)臅r(shí)間，D=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2。時(shí)間偏差是從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間差，Δ=(t2?t1)?D。

具體來(lái)說(shuō)，從設(shè)備會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)延遲調(diào)整其接收到的同步報(bào)文的時(shí)間戳，以消除網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來(lái)的延遲影響。同時(shí)，從設(shè)備還會(huì)根據(jù)時(shí)鐘偏差的測(cè)量結(jié)果，調(diào)整其本地時(shí)鐘的頻率或相位，使其與主設(shè)備的時(shí)鐘保持一致。

3、gPTP

此外，除了PTP時(shí)間同步協(xié)議，我們也會(huì)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域時(shí)常看見(jiàn)gPTP（Generalized Precision Time Protocol）協(xié)議。gPTP和PTP都是基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步協(xié)議，其中PTP遵循IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，而gPTP是IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)。

四、時(shí)間同步方案

1、康謀數(shù)據(jù)采集方案

針對(duì)智駕域控制器測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，我們康謀帶來(lái)了一整套的數(shù)據(jù)采集方案。基于BRICK/ATX4系列工控機(jī)和時(shí)間同步XTSS軟件，如圖4所示。

圖4：BRICK/AXT4工控機(jī)與XTSS軟件

在時(shí)間同步方面，GNSS作為上佳的時(shí)鐘源，又可與智駕域控制器直接連接（或內(nèi)置）。因此，可以采用智駕域控制器成為主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。方案架構(gòu)如圖5所示，配置BRICK/ATX4設(shè)備處于邊界時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，其他各類(lèi)傳感器通過(guò)車(chē)載以太網(wǎng)（PTP/gPTP）連接進(jìn)行時(shí)間同步，對(duì)于相機(jī)，我們可以采用外觸發(fā)方式在主控中記錄此時(shí)系統(tǒng)時(shí)間或者通過(guò)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行打時(shí)間戳進(jìn)行記錄。

圖5：數(shù)采方案時(shí)間同步架構(gòu)

總的來(lái)說(shuō)，在BRICK/ATX4系列工控機(jī)中，集成了GNSS接收機(jī)，可以簡(jiǎn)便快捷的采集GPS信號(hào)，進(jìn)行授時(shí)，獲取精確的時(shí)間信息。配備了多個(gè)以太網(wǎng)接口，支持時(shí)間同步（PTP/gPTP）配置，與各類(lèi)轉(zhuǎn)換器一起，采集各種傳感器的數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛各類(lèi)場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

五、應(yīng)用案例

1、數(shù)采系統(tǒng)

通過(guò)BRICK/ATX4系列工控機(jī)和XTSS軟件，我們可以方便快捷的搭載數(shù)采系統(tǒng)并配置時(shí)間同步服務(wù)。此次，我們聯(lián)合友思特，搭載了以Blickfeld LiDAR+BRICK plus+XTSS軟件的數(shù)采采集系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6：數(shù)采系統(tǒng)

在搭載好整個(gè)系統(tǒng)后，就可以對(duì)XTSS軟件配置PTP時(shí)間同步服務(wù)，以確保BRICKplus端口支持PTP同步，隨后在LiDAR的GUI界面中配置同樣的PTP，我們就可以完成激光雷達(dá)的時(shí)間同步配置。如圖7所示，我們可以看到激光雷達(dá)時(shí)間同步配置服務(wù)成功，與主時(shí)鐘的誤差在us級(jí)別。

圖7：時(shí)間同步配置