多传感器的时间同步 | Sorair 的博客

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

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

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

基于网络时间的同步

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。

rtc 配置

sudo armbian-config

Select System and click on OK
Click on hardware and click OK
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

Select System and click on OK
Click on hardware and click OK
turn on pps-gpio and uart1
Click on Edit Boot Environment( you can also edit this file directly /boot/armbianEnv.txt )
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