在自動(dòng)駕駛快速從L2向L3、L4級(jí)別發(fā)展，微秒級(jí)甚至納秒級(jí)精度的時(shí)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(chǎng)景下，激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)等設(shè)備的時(shí)空對(duì)齊依賴統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)；而在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中，電磁干擾、時(shí)鐘源故障等風(fēng)險(xiǎn)對(duì)時(shí)間同步的可靠性提出了更高要求。

本文分享PSB（Platform Sync Board）與QX550組合方案，基于硬件級(jí)時(shí)間同步架構(gòu)與冗余設(shè)計(jì)，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(shí)例。

一、PSB+QX550方案架構(gòu)

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(gè) 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(shí)現(xiàn)硬件級(jí)時(shí)間戳同步與多源時(shí)間校準(zhǔn)。

兩者通過OCuLink線纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與時(shí)鐘信號(hào)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(cuò)” 的完整技術(shù)鏈路。

圖1：PSB+QX550

二、核心技術(shù)特性

1、多傳感器融合時(shí)間對(duì)齊：硬同步與全域協(xié)同

PSB+QX550 方案通過XTSS 服務(wù)實(shí)現(xiàn)跨設(shè)備的亞微秒級(jí)時(shí)間同步，其核心由CTSS（Cluster Time Synchronization Service）和PTSS（Platform Time Synchronization Service）組成：

（1）PTSS 平臺(tái)同步：利用硬件時(shí)間戳技術(shù)，同步同一設(shè)備內(nèi)的多個(gè)以太網(wǎng)接口（如 QX550 的 4 個(gè) 10G 接口），確保多傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)戳與系統(tǒng)時(shí)鐘的一致性。例如，在自動(dòng)駕駛測(cè)試中，可實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與攝像頭視頻流的時(shí)間對(duì)齊，消除傳感器間的時(shí)序偏差。

圖2：PTSS平臺(tái)同步

（2）CTSS 集群同步：通過 (g)PTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)跨設(shè)備集群同步，支持主從模式下的時(shí)間分發(fā)。QX550 Master 通過 PPS 同步線纜連接最多 3 個(gè) 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(shí)間統(tǒng)一需求。

圖3：CTSS集群同步

2、復(fù)雜環(huán)境下時(shí)間源可靠性：多源冗余抗干擾

PSB 模塊通過多元化時(shí)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(shí)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(hào)，提供 UTC 時(shí)間基準(zhǔn)；同時(shí)SER/PPS（端口2）支持外部 PPS 信號(hào)輸入（如慣導(dǎo)或其他 grandmaster 時(shí)鐘），通過隔離設(shè)計(jì)，抵抗工業(yè)環(huán)境中的電磁干擾。

圖4：PSB多源時(shí)間同步配置

（2）時(shí)鐘源無中斷切換機(jī)制：當(dāng) GPS 信號(hào)失效時(shí)，系統(tǒng)作為從時(shí)鐘仍同步至網(wǎng)絡(luò)主時(shí)鐘；若設(shè)備因此成為主時(shí)鐘，則自動(dòng)切換至內(nèi)部振蕩器（基于 QX550 硬件計(jì)數(shù)器），并通過‘Local Oscillator Hot Standby’維持最后已知的有效時(shí)間基準(zhǔn)，避免主從切換導(dǎo)致的同步中斷。

3、時(shí)間同步的失效容錯(cuò)：靜態(tài)配置與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

方案通過多重容錯(cuò)機(jī)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(qiáng)制指定主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，避免因 BMCA（最佳主時(shí)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(chǎng)景（如自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)采集）中，可鎖定某一 QX550 為永久 Master，防止因網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)導(dǎo)致的主從切換。

（2）時(shí)間偏差閾值監(jiān)測(cè)（偏差矯正）：XTSS 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘的偏差，當(dāng)超過預(yù)設(shè)閾值（如 1000ns）時(shí)，標(biāo)記狀態(tài)并自動(dòng)重新同步。結(jié)合 “Force AS capable” 功能，即使路徑延遲測(cè)量失效，仍強(qiáng)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(shí)間源下偏差矯正示意圖

（3）多域隔離機(jī)制：支持最多 10 個(gè) PTP 域并行運(yùn)行，不同域的時(shí)間同步相互獨(dú)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)。

三、應(yīng)用案例

在自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)采集過程中，常采用慣導(dǎo)（RTK）作為授時(shí)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(jī)、激光雷達(dá)等）數(shù)據(jù)時(shí)間戳對(duì)齊。這時(shí)就需要在數(shù)據(jù)采集平臺(tái)上有這么一個(gè)模塊，完成各個(gè)傳感器時(shí)域統(tǒng)一。

以華測(cè)慣導(dǎo)CGI430為例，它支持PPS+GPRMC方式完成授時(shí)，與PSB+QX550模塊鏈接，進(jìn)而完成整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。

圖6：慣導(dǎo)授時(shí)

四、總結(jié)

隨著大家普遍認(rèn)同硬件時(shí)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(dòng)駕駛時(shí)間同步技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)從“是否需要同步” 轉(zhuǎn)向 “如何在復(fù)雜場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定同步”，更聚焦于時(shí)間同步是否滿足“高精度、高可靠、易集成”。

對(duì)于工程師而言，方案的可實(shí)施性和故障容錯(cuò)能力是關(guān)鍵。比如PSB+QX550采用即插即用的設(shè)計(jì)，可以有效的應(yīng)用到不同測(cè)試方案中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間同步?；谄畛C正的能力，可以避免時(shí)鐘源偏差。

未來，隨著 5G-A 和車路協(xié)同的普及，時(shí)間同步將從 “車載剛需” 延伸至 “全域協(xié)同”，推動(dòng)行業(yè)向納秒級(jí)精度邁進(jìn)。