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技術(shù)文章
在自動駕駛快速從L2向L3、L4級別發(fā)展，微秒級甚至納秒級精度的時間同步已成為系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)之一。多傳感器融合場景下，激光雷達、攝像頭、毫米波雷達等設(shè)備的時空對齊依賴統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)；而在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中，電磁干擾、時鐘源故障等風(fēng)險對時間同步的可靠性提出了更高要求。
康謀探索推出 PSB（Platform Sync Board）與 QX550 組合方案，基于硬件級時間同步架構(gòu)與冗余設(shè)計，為上述挑戰(zhàn)提供了系統(tǒng)性解決方案。本文將具體介紹方案架構(gòu)和應(yīng)用實例。
PSB+QX550 方案中，QX550 作為 PCIe 3.0 x8 網(wǎng)絡(luò)卡，搭載雙 Intel X550-AT2 控制器，提供 4 個 10Gbase-T 接口，支持 IEEE 1588v2（PTP）和 802.1AS-2020（gPTP）協(xié)議。配套的 PSB 模塊則通過 Intel i210IT 芯片、u-blox GPS 模塊及PPS（脈沖每秒）接口，實現(xiàn)硬件級時間戳同步與多源時間校準(zhǔn)。
兩者通過 OCuLink 線纜實現(xiàn)數(shù)據(jù)與時鐘信號的低延遲傳輸，結(jié)合 XTSS（eXtended Time Synchronization Service）軟件套件，構(gòu)建了 “高精度同步 + 多源冗余 + 失效容錯" 的完整技術(shù)鏈路。
圖1：PSB+QX550
PSB+QX550 方案通過XTSS 服務(wù)實現(xiàn)跨設(shè)備的亞微秒級時間同步，其核心由 CTSS（Cluster Time Synchronization Service）和 PTSS（Platform Time Synchronization Service）組成：
（1）PTSS 平臺同步：利用硬件時間戳技術(shù)，同步同一設(shè)備內(nèi)的多個以太網(wǎng)接口（如 QX550 的 4 個 10G 接口），確保多傳感器數(shù)據(jù)采集時戳與系統(tǒng)時鐘的一致性。例如，在自動駕駛測試中，可實現(xiàn)激光雷達點云數(shù)據(jù)與攝像頭視頻流的時間對齊，消除傳感器間的時序偏差。
圖2：PTSS平臺同步
（2）CTSS 集群同步：通過 (g)PTP 協(xié)議實現(xiàn)跨設(shè)備集群同步，支持主從模式下的時間分發(fā)。QX550 Master 通過 PPS 同步線纜連接最多 3 個 Slave 設(shè)備（如其他 QX550 或第三方 XTSS 兼容設(shè)備），形成星型同步網(wǎng)絡(luò)，滿足分布式傳感器陣列的全局時間統(tǒng)一需求。
圖3：CTSS集群同步
PSB 模塊通過多元化時間源配置，提升復(fù)雜環(huán)境下的同步可靠性：
（1）GPS 與外部時鐘冗余：內(nèi)置 u-blox GPS 模塊支持 NMEA 協(xié)議，通過 GPS antenna (端口4) 接口接收衛(wèi)星信號，提供 UTC 時間基準(zhǔn)；同時SER/PPS（端口2）支持外部 PPS 信號輸入（如慣導(dǎo)或其他 grandmaster 時鐘），通過隔離設(shè)計，抵抗工業(yè)環(huán)境中的電磁干擾。
圖4：PSB多源時間同步配置
（2）時鐘源無中斷切換機制：當(dāng) GPS 信號失效時，系統(tǒng)作為從時鐘仍同步至網(wǎng)絡(luò)主時鐘；若設(shè)備因此成為主時鐘，則自動切換至內(nèi)部振蕩器（基于 QX550 硬件計數(shù)器），并通過‘Local Oscillator Hot Standby’維持最后已知的有效時間基準(zhǔn)，避免主從切換導(dǎo)致的同步中斷。
方案通過多重容錯機制保障系統(tǒng)魯棒性：
（1）靜態(tài)端口狀態(tài)配置：通過 XTSS Configurator 設(shè)置接口的固定端口狀態(tài)（Master/Slave/Disabled），強制指定主時鐘節(jié)點，避免因 BMCA（最佳主時鐘算法）協(xié)商失敗導(dǎo)致的同步失效。例如，在關(guān)鍵工業(yè)場景（如自動駕駛數(shù)據(jù)采集）中，可鎖定某一 QX550 始終為Master，防止因網(wǎng)絡(luò)波動導(dǎo)致的主從切換。
（2）時間偏差閾值監(jiān)測（偏差矯正）：XTSS 實時監(jiān)測本地時鐘與主時鐘的偏差，當(dāng)超過預(yù)設(shè)閾值（如 1000ns）時，標(biāo)記狀態(tài)并自動重新同步。結(jié)合 “Force AS capable" 功能，即使路徑延遲測量失效，仍強制發(fā)送同步消息，確保緊急情況下的最小同步精度。
圖5：GPS時間源下偏差矯正示意圖
（3）多域隔離機制：支持最多 10 個 PTP 域并行運行，不同域的時間同步相互獨立。例如，可將安全關(guān)鍵型傳感器與非關(guān)鍵設(shè)備劃分至不同域，避免單一域的故障影響全局系統(tǒng)。
在自動駕駛數(shù)據(jù)采集過程中，常采用慣導(dǎo)（RTK）作為授時源并輸出自車姿態(tài)數(shù)據(jù)。此外，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)應(yīng)與各傳感器（相機、激光雷達等）數(shù)據(jù)時間戳對齊。這時就需要在數(shù)據(jù)采集平臺上有這么一個模塊，完成各個傳感器時域統(tǒng)一。
以華測慣導(dǎo)CGI430為例，它支持PPS+GPRMC方式完成授時，與PSB+QX550模塊鏈接，進而完成整個系統(tǒng)的時間同步。
圖6：慣導(dǎo)授時
隨著大家普遍認(rèn)同硬件時間戳的不可替代性以及多源冗余架構(gòu)的必要性，目前自動駕駛時間同步技術(shù)發(fā)展趨勢已經(jīng)從“是否需要同步" 轉(zhuǎn)向 “如何在復(fù)雜場景下實現(xiàn)穩(wěn)定同步"，更聚焦于時間同步是否滿足“高精度、高可靠、易集成"。
對于工程師而言，方案的可實施性和故障容錯能力是關(guān)鍵。比如康謀PSB+QX550采用即插即用的設(shè)計，可以有效的應(yīng)用到不同測試方案中實現(xiàn)系統(tǒng)時間同步。基于偏差矯正的能力，可以避免時鐘源偏差。
未來，隨著 5G-A 和車路協(xié)同的普及，時間同步將從 “車載剛需" 延伸至 “全域協(xié)同"，推動行業(yè)向納秒級精度邁進。
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