自动驾驶中的时间同步方案

本文重点讨论自动驾驶中使用比较多的gps+pps+gpsd+chrony+ptpd+gptpd的时间同步方案，本文仅为自己在调试过程中的记录，如有不对地方欢迎讨论：[email protected]

详细方案如下：Tbox端(IMX8系列)的ubxclient接收来自gps(如ublox系列)的GPS时间和PPS信号，Tbox端将接收到gps的NEMA/UBX消息通过udp转发给gpsd,然后chrony在结合gpsd的时间信息还有linux下的pps信息做时间同步和修正，后续Tbox作为server端通过ptpd给自动驾驶算力芯片(如nvida orin/xavier)做时间同步，然后自动驾驶算力芯片在通过gptpd给mcu/lidar等做时间同步，详细的框图如下：

 1.PPS信号处理

配置ublox芯片PPS信号输出频率1HZ,实测tbox端pps_in输入信号：

 从测试结果来看17次的脉冲信号周期为7.441s+9.564=17.005s,周期精度小于0.001s,精度比较高

linux 打开pps配置：

CONFIG_PPS=y
CONFIG_PPS_DEBUG=n
CONFIG_PPS_CLIENT_KTIMER=n     
CONFIG_PPS_CLIENT_LDISC=n
CONFIG_PPS_CLIENT_GPIO=y

note:如果ktimer/ldisc打开注意设备节点可能不一样，kernel log中可以看到具体对应的设备节点，我们这边ktimer/ldisc都没打开，pps_gpio节点是/dev/pps2,后续消除误差需要配置这个节点

dts配置：

pps_ubx{
        compatible = "pps-gpio";
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&pinctrl_pps>;
        gpios = <&gpio4 2 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        status = "okay";
    };

kernel中pps处理相关代码：drivers/pps/clients/pps-gpio.c

linux默认已经在kernel代码中加入了pps的相关处理，重点为触发PPS的中断，本人的项目采用的是上升沿触发中断(因为ublox默认上升沿跟整秒对齐)

中断处理函数：

static irqreturn_t pps_gpio_irq_handler(int irq, void *data)
{
    const struct pps_gpio_device_data *info;
    struct pps_event_time ts;
    int rising_edge;

    /* Get the time stamp first */
    pps_get_ts(&ts);                                          ----获取中断触发的时间信息，后续传给应用层

    info = data;

    rising_edge = gpio_get_value(info->gpio_pin);
    if ((rising_edge && !info->assert_falling_edge) ||
        (!rising_edge && info->assert_falling_edge))
        pps_event(info->pps, &ts, PPS_CAPTUREASSERT, NULL);
    else if (info->capture_clear &&
             ((rising_edge && info->assert_falling_edge) ||
              (!rising_edge && !info->assert_falling_edge)))
        pps_event(info->pps, &ts, PPS_CAPTURECLEAR, NULL);

    return IRQ_HANDLED;
}

pps_event:register a PPS event into the system,后续应用层可以获取pps触发的时间和序号等信息

详细pps相关请参考：PPS - Pulse Per Second — The Linux Kernel documentation

pps-tools:http://linuxpps.org , GitHub - redlab-i/pps-tools: User-space tools for LinuxPPS

ppstest/ppswatch使用（同步后的结果）：

 2.GPSD部分

GPSD的启动配置：

/usr/sbin/gpsd -n -P /run/gpsd.pid -F /var/run/gpsd.sock udp://127.0.0.1:50000

-n                        don't wait for client connects to poll GPS  与chrony配合时候必选

-F sockfile               specify control socket location

udp://127.0.0.1:50000      接收ubxclientsocket发送的nema、ubx数据，也直接直接通过配置ublox的uart设备节点

相关工具使用：

cgps:

 note:通过图中的time/latitude/longitude等信息可以判定是否已经搜到星、获取到时间和定位信息，gpsd只有在获取到时间和定位信息后才能跟chrony配合同步时间消除pps误差

 3.Chrony部分

Chrony是NTP（Network Time Protocol，网络时间协议，服务器时间同步的一种协议）的另一种实现，与ntpd不同，它可以更快且更准确地同步系统时钟，最大程度的减少时间和频率误差,chrony是两个用来维持计算机系统时钟准确性的程序，这两个程序命名为chronyd和chronyc

chronyd为后台运行守护进程，用于同步系统时间

chronyc提供了一个用户界面，用于监测性能和配置

chrony+gpsd校准的原理：

gpsd从串口或者网络读取gnss数据并进行解析，将解析结果以UNIX socket或者共享内存等方式输出，chrony从UNIX socket或者共享内存取得解析后的gnss，和pps信息结合，校正系统时间

note:chrony校正的原则是通过控制时间的增减率来达到校正时间，较少采用跳变的方式，跳变的方式可能对其他应用有影响，这样可能会导致校正的比较慢点，但是如果偏差过大或者第一次校正也可以配置成有条件的跳变方式

note:chrony和ntp是冲突的不能同时存在，systemd启动配置的时候需要注意

chronyd配置文件/etc/chrony.conf

driftfile  　　      chronyd程序的主要行为之一，就是根据实际时间计算出计算机增减时间的比率，将它记录到一个文件中是最合理的，它会在重启后为系统时钟作出补偿，甚至可能的话，会从时钟服务器获得较好的估值

allow/deny  　　这里你可以指定一台主机、子网，或者网络以允许或拒绝NTP连接到扮演时钟服务器的机器

makestep  　      通常，chronyd将根据需求通过减慢或加速时钟，使得系统逐步纠正所有时间偏差。在某些特定情况下，系统时钟可能会漂移过快，导致该调整过程消耗很长的时间来纠正系统时钟。该指令强制chronyd在调整期大于某个阀值时步进调整系统时钟，但只有在因为chronyd启动时间超过指定限制（可使用负值来禁用限制），没有更多时钟更新时才生效

rtcsync  　　启用内核模式，系统时间每11分钟会拷贝到实时时钟（RTC）

refclock        设置时钟源

note:详细完整的说明请查看chrony官方文档：chrony – chrony.conf(5)

chronyc sources -v 命令查看同步结果：

可以看到偏差大概在 125ns左右

相关说明：

M: 这表示信号源的模式。^表示服务器，=表示对等方，＃表示本地连接的参考时钟

S:此列指示源的状态

* 表示chronyd当前同步到的源

- 表示被合并算法排除的可接受源

+ 表示可接受的信号源，与选定的信号源组合在一起

？ 指示已失去连接性或其数据包未通过所有测试的源。它也显示在启动时，直到从中至少收集了3个样本为止

x 表示chronyd认为是虚假行情的时钟（即，其时间与大多数其他来源不一致）

〜 表示时间似乎具有太多可变性的来源

Name/IP address:这显示了源的名称或IP地址，或参考时钟的参考ID

Stratum:这显示了来源的层，如其最近收到的样本中所报告的那样。层1表示一台具有本地连接的参考时钟的计算机。与第1层计算机同步的计算机位于第2层。与第2层计算机同步的计算机位于第3层，依此类推

Poll:这显示轮询源的速率，以秒为单位的时间间隔的以2为底的对数。因此，值为6表示每64秒进行一次测量。chronyd会根据当前情况自动更改轮询速率

Reach:这显示了源的可达性寄存器以八进制数字打印。寄存器有8位，并在每个从源接收或丢失的数据包上更新。值377表示从最后八次传输中收到了对所有用户的有效答复

LastRx:此列显示多长时间前从来源接收到了最后一个好的样本（在下一列中显示）。未通过某些测试的测量将被忽略。通常以秒为单位。字母m，h，d或y表示分钟，小时，天或年

Last sample:此列显示上次测量时本地时钟与源之间的偏移。方括号中的数字表示实际测得的偏移量。可以用ns（表示纳秒），us （表示微秒），ms（表示毫秒）或s（表示秒）作为后缀。方括号左侧的数字表示原始测量值，已调整为允许此后施加于本地时钟的任何摆度。+/-指示器后面的数字表示测量中的误差范围。正偏移表示本地时钟位于源时钟之前

参考文档：

GPSD Time Service HOWTO

chrony – chrony.conf(5)