多传感器的时间同步

摘要：本文利用GPS的GPRMC消息及PPS信号，对多种传感器进行时间同步，涉及了不同的方法，总有一个适合你传感器的方法。

时间同步基础

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gprmc是gps所返回的一种国际标准信息，里面不仅带有经纬度欧拉角等信息，还带有当前的utc时间。但是数据的传输需要时间，往往所接收到的gprmc信息中的utc时间相比实际时间相差几百毫秒。而pps脉冲（每秒一个脉冲）精度非常高，可以达到几百毫秒，利用pps脉冲和gprmc中的utc时间，就可以精度校准系统的时间。

gps信息回顾

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本文方法理论上使用绝大多少GPS。这里所使用的星网宇达xw-gi5610，其带有3路com，com0 rs232接电脑，输出gpfpd；com1固定422；com2接rtk，使gps接受rtk信号。另外有5V的pps脉冲，但是这个脉冲一般情况为高电平，触发时低电平，故使用的时候需要反相。

GPRMC+PPS同步

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一些传感器原生支持GPRMC+PPS同步，比如rs-lidar-16雷达等。但是需要注意PPS的电平，以及串口的协议。比如这里GPS为5V的PPS，RS422的串口，雷达端支持3.3V TTL的串口，3.3V的PPS因此需要自行设计转换电路，如下图（仅举例，不详细介绍）。

基于网络时间的同步

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一些使用网络的传感器，如Livox Horizon雷达，不支持GPRMC+PPS同步，取而代之的是PTP网络同步协议(或NTP)。但是一般的GPS只有GPRMC+PPS的输出，为了实现PTP同步，这里使用一块OrangePi Zero读取TTL电平的GPRMC和PPS脉冲。

orangepi

尽管orangepi zero（以下简称zero）所使用的全志H2芯片内置了rtc，但是zero没有引出rtc的供电引脚，因此在掉电之后，系统时间会停滞不前，这在我们的车辆环境上不可容忍。因此加装了一块i2c接口的ds1307模块，接线如下。

外设	zero引脚	zero引脚序号
TXD	UART1_RX/PG06	PIN10
RXD	UART1_TX/PG07	PIN8
PPS	SIM_CLK/PA07	PIN12
SCK	TWI1-SCK/PA18	PIN11
SDA	TWI1-SDA/PA18	PIN13
VCC	3.3V	PIN1
GND	GND

NTP同步

随后使用gpsd读取gps数据，传入chrony，使orangepi zero成为一个ntp时间服务器。

PTP同步

另外由于orangepi zero的网卡支持软件ptp时间戳，所以使用ptp4l建立一个ptp主时钟。至此orangepi时间服务器建立完成。
除了传感器，工控机也可以使用NTP或PTP同步时间。比如Livox的雷达就支持PTP时间同步。

参考配置

注意本文所用的为orangepi zero，系统为 armbian。

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rtc配置

sudo armbian-config

1. Select System and click on OK
2. Click on hardware and click OK
3. turn on i2c-0

/etc/default/hwclock
加上两句，配置rtc1为默认rtc

HWCLOCKACCESS=yes
HCTOSYS_DEVICE=rtc1

新建/etc/systemd/system/ds1307.service文件，内容如下

[Unit]
Description=ds1307 service
Before=hwclock.service chronyd.service

[Service]
Type=oneshot
ExecStart=/etc/ds1307.sh
PrivateTmp=true

[Install]
WantedBy=multi-user.target

新建/etc/ds1307.sh文件，内容如下

#!/bin/sh
echo "ds1307 0x68" > /sys/class/i2c-adapter/i2c-0/new_device
sleep 1
hwclock -s -f /dev/rtc1
hwclock --systohc -f /dev/rtc1
sleep 1

赋予权限sudo chmod +x /etc/ds1307.sh

重新加载服务sudo systemctl daemon-reload

开机启动sudo systemctl enable ds1307.service

gps配置

sudo armbian-config

1. Select System and click on OK
2. Click on hardware and click OK
3. turn on pps-gpio and uart1
4. Click on Edit Boot Environment (you can also edit this file directly /boot/armbianEnv.txt)
5. Add two lines to tell the Orange Pi Zero to use PA7 for PPS and uart1 for GPS NMEA messages

overlays=uart1 pps-gpio
param_pps_pin=PA7

安装相关软件

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo apt-get remove ntp
sudo apt-get install chrony ptpd
sudo apt-get install pps-tools gpsd-clients

之后插入pps和gprmc，重启

检查GPS信号

sudo ppstest /dev/pps0
gpsmon /dev/ttyS1

In order for NTPsec to recognise the GPS PPS combo we need to create some symlinks in /dev

sudo ln -sF /dev/ttyS1 /dev/gps1
sudo ln -sF /dev/pps0 /dev/gpspps1

Create a new file in /etc/udev/rules.d called 99-gps.rules with the following:

KERNEL=="pps0",SYMLINK+="gpspps1",GROUP="dialout", MODE="0660"
KERNEL=="ttyS1", SYMLINK+="gps1",GROUP="dialout", MODE="0660"

配置chrony

/etc/chrony/chrony.conf

# This directive specify the location of the file containing ID/key pairs for
# NTP authentication.
keyfile /etc/chrony/chrony.keys

# This directive specify the file into which chronyd will store the rate
# information.
driftfile /var/lib/chrony/chrony.drift

# Uncomment the following line to turn logging on.
#log tracking measurements statistics

# Log files location.
logdir /var/log/chrony

# Stop bad estimates upsetting machine clock.
maxupdateskew 100.0

leapsectz right/UTC
makestep 1.0 -1
# GPS配置
refclock PPS /dev/gpspps1 lock GPSD prefer refid PPS
refclock SHM 0 offset 0.0 delay 0.2 refid GPSD

# 允许其他客户端连接
allow

#server 192.168.1.194 minpoll 2 maxpoll 4 polltarget 30 maxdelaydevratio 2 iburst
#leapsectz right/UTC
#makestep 1.0 -1
#rtconutc
#rtcfile /var/lib/chrony/rtc
#rtcdevice /dev/rtc0
rtcdevice /dev/rtc1
hwclockfile /etc/adjtime
rtcautotrim 30
rtcsync

修改/etc/systemd/system/chronyd.service文件，内容如下(即设置让它在ds1302之后启动)

[Unit]
Description=chrony, an NTP client/server
Documentation=man:chronyd(8) man:chronyc(1) man:chrony.conf(5)
Conflicts=systemd-timesyncd.service openntpd.service ntp.service ntpsec.service
After=network.target ds1307.service
ConditionCapability=CAP_SYS_TIME

[Service]
Type=forking
PIDFile=/run/chronyd.pid
EnvironmentFile=-/etc/default/chrony
ExecStart=/usr/sbin/chronyd $DAEMON_OPTS
ExecStartPost=-/usr/lib/chrony/chrony-helper update-daemon
PrivateTmp=yes
ProtectHome=yes
ProtectSystem=full

[Install]
Alias=chronyd.service
WantedBy=multi-user.target

重新加载服务sudo systemctl daemon-reload

开机启动sudo systemctl enable chronyd.service

配置ptp

sudo apt install ptpd
# 删除默认的ptpd.service（如果有）
sudo rm /etc/systemd/system/ptpd.service

新建/etc/init.d/ptpd
以下为文件内容

#!/bin/sh
#
# /etc/init.d script for ptpd

### BEGIN INIT INFO
# Provides:          ptpd
# Required-Start:    $network $remote_fs
# Required-Stop:     $network $remote_fs
# Default-Start:     2 3 4 5
# Default-Stop:      0 1 6
# Short-Description: start and stop ptpd
# Description:       ptpd is the Precision Time Protocol daemon (IEEE1588-2008)
### END INIT INFO

PATH=/sbin:/usr/sbin:/bin:/usr/bin
DESC="Precision Time Protocol daemon"
NAME=ptpd
DAEMON=/usr/sbin/$NAME
PIDFILE=/var/run/ptpd2.lock
SCRIPTNAME=/etc/init.d/$NAME
# Exit if the package is not installed
[ -x "$DAEMON" ] || exit 0

case $1 in
  start)
    a=$( ip addr show to 192.168.1.194/16 | wc -l )
    until [ "$a" -gt 0 ]
    do
      a=$( ip addr show to 192.168.1.194/16 | wc -l )
      echo Sleeping
      sleep 1
    done
    #What it does:
    #print all address of ipv4 interfaces | filter out the link-local address(es) | substitute all the remaining information except for the ': if-name ' part. | strip the leading ': ' and trailing ' '.
    #Lastly, the $(...) is called 'command substution' which in this case dumps the output into the variable IF_NAME.
    IF_NAME=$(ip -o -4 addr | grep -e 192.\168 | sed -n 's/.*\(: [a-zA-Z0-9]* \).*/\1/ p' | sed -n 's/: \([a-zA-Z0-9]*\) /\1/ p')
    start-stop-daemon --start --quiet --pidfile $PIDFILE --exec $DAEMON -v -- -i $IF_NAME -M \
                || return 0
    ;;
  stop)
    start-stop-daemon --stop --quiet --retry=TERM/30/KILL/5 --pidfile $PIDFILE --name $NAME
    ;;
  *)
   echo "Usage: {start|stop}"
    ;;
esac

随后更新

sudo update-rc.d ptpd start 98 2 3 4 5 . stop 2 0 1 6 
sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl enable ptpd
sudo systemctl restart ptpd

参考资料

Livox雷达时间同步文档