技术丨 802.1AS时钟同步精度测试

01.引言

802.1AS，即gPTP协议，是车内网络节点实现时间同步的主要技术手段。gPTP协议目标是实现7跳之内的节点时钟同步精度在±500ns以内。由于硬件或软件问题，导致gPTP从节点时钟不可能完全与主时钟保持一致，如何准确评估车内网络节点的时钟同步性能，是时钟同步测试必须解决的问题。

从节点的同步精度测量，需要通过特殊测试方法，在一定的观测时间窗口内，监测从节点同步误差，其最大值不应超过同步精度限值。Avnu联盟推荐了三种测试方法：1PPS方法、Reverse Sync方法、Ingress Reporting方法。

02.同步精度测试方法介绍

1PPS方法

1PPS（1 Pulse Per Second）方法，即参与时钟同步的ECU控制硬件专用管脚在整数秒输出PPS脉冲信号，通过示波器比较从节点与主节点PPS信号上升沿的时间差值，即可得到各从节点的同步精度。

Ingress Reporting方法

Ingress Reporting方法需要DUT在接收到Sync报文时，记录当前的同步时间T2，并从随后的Follow-Up报文中获得Sync报文发出时刻的同步时间T1；然后DUT根据T1/T2及已知的路径延迟pathDelay，可以自己计算并上报同步误差offsetFromMaster，也还可以只上报T1/T2，由测试设备计算DUT的同步误差offsetFromMaster。

此方法要求从节点利用IEEE1588-2019中的slave event monitoring功能，通过Signaling报文携带特定TLV上报时间参数T1/T2/offsetFromMaster，而不再需要额外的软件适配。

Reverse Sync方法

Reverse Sync方法要求从节点在第二时钟域发送反向Sync/Follow-up报文，测试设备首先计算链路延迟，并根据反向报文中携带的从节点同步时间，最终实现从节点同步精度的评估。

Reverse Sync方法要求从节点支持多域行为，其实现类似802.1AS-2020标准中定义的冗余时钟。

总结

三种测试方法各有优劣，总结如下：

03.时钟同步精度测试实践

Avnu联盟建议节点同时支持两种时钟同步精度测试方法，用于交叉验证：

► 1PPS方法仅需要硬件配置，实施简单，在正式量产前建议支持；

► Reverse Sync/Ingress Reporting方法都需要做软件改造，建议二选一。

不管采用何种方法，被测节点的软件或硬件需要做一定适应性修改，因此工程人员应当提前规划，在产品开发早期提出测试需求，保证产品的可测性，确保测试能够顺利实施。

建议主机厂实施时钟同步精度测试时，按照以下要点进行梳理：

► gPTP需求规范中应提出同步精度可测性需求，针对不同测试方法做出通用约束：

 - PPS：激活方式、脉冲高电平时间、上升沿或下降沿、硬件PPS管脚引出方式、PPS信号驱动电路要求

 - Ingress Reporting：激活方式、上报内容和上报方式

 - Reverse Sync：激活方式、反向Sync报文发送周期要求、时钟域要求

 - 主机厂自定义的其他方法

► 架构设计时，根据具体车型的功能需求，提出网络同步精度需求，设计测试方法实施参数

► ECU开发过程中，依据需求规范和架构设计内容，进行硬件和软件开发

► 测试规范依据gPTP需求规范和架构设计内容，对测试设备、测试步骤和预期结果提出要求，应涵盖零部件、系统和整车同步精度测试

04.1PPS测试专用设备

为了解决使用示波器执行1PPS测试方法存在的缺陷，怿星科技开发了一款基于1PPS测试方法的专用测试设备，即PPS Tester，它由硬件模块ETS2110、上位机软件以及相关附件组成：

► 硬件模块ETS2110基于高性能全可编程SoC芯片，同时支持24路PPS信号采集，设备测试精度高达±8ns

► ETS2110通过以太网将PPS脉冲采集数据上传至ePPSTester进行处理，实现同步精度实时计算和显示，并完成数据统计和记录

对比使用示波器实施1PPS测试，PPS Tester具备以下优势：

► 车载网络时间同步系统被测节点数量可达20+，示波器物理通道一般为4路，少数昂贵示波器能够达到8通道，无法满足车载网络系统级测试需求；PPS tester提供24路PPS信号采集通道

► 为了实现高精度测试，示波器时间标尺一般为微秒级甚至是纳秒级，而由于示波器存储深度的限制，示波器很难实现长时间高频率信号采集和数据存储，无法实现同步精度的稳定性测试；PPS tester支持24h连续采样，并且实时记录原始采集数据

► 从节点与主节点的上升沿相位差，需要测试人员通过手动移动光标，读取各通道光标之间时间差计算得出，人工读取难免有读数误差，需要测试人员进行重复测量和统计，以得到更准确的结果；人工参与度高，无法做到自动化测试；少数高级示波器具备信号自动触发和测量功能，但是价格昂贵；PPS tester能够实时计算和统计同步精度，设备测试精度高达±8ns；同时能够处理信号异常，如信号错误、信号丢失

总结

时钟同步技术已经在车载领域大规模应用，如何准确评估网络时钟同步精度是时钟同步测试的核心问题，工程实现时应系统考虑，结合自身需求，提出完善的测试方案。