时间同步 - PPS+GPRMC

wynn1123

已于 2025-02-05 15:21:54 修改

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分类专栏：时间同步文章标签：自动驾驶

于 2025-01-23 16:58:21 首次发布

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一、原理

GNSS输出两条信息，一条是时间周期为1s的同步脉冲信号PPS，脉冲宽度5ms~100ms；一条是通过标准串口输出GPRMC标准的时间同步报文。GPRMC报文中的时间是通过NTP获得的。

同步脉冲前沿时刻与GPRMC报文的发送在同一时刻，误差为ns级别，误差可以忽略。GPRMC是一条包含UTC时间（精确到秒），经纬度定位数据的标准格式报文。

PPS秒脉冲为物理电平输出，接收及处理PPS信号的时间在ns级别，依旧可以忽略。但GPRMC数据一般通过波特率9600的串口发送，发送、接收、处理时间tx在ms级别，是时间同步的关键。

1）设备收到PPS秒脉冲信号后，将内部以晶振为时钟源的系统时间里的毫秒及以下时间清零，并由此开始计算毫秒时间。

（2）当收到GPRMC数据后，提取报文里的时、分、秒、年、月、日UTC时间。

（3）将收到秒脉冲到解析出GPRMC中UTC时间所用的时间tx，与UTC整秒时间相加，同步给系统时间，至此已完成一次时间同步。下一秒再进行相同的过程，每秒准确校准一次。

但是PPS+GPRMC存在如下问题。

（1）PPS是一个低功率的脉冲电平信号，驱动电流少的只有0.5mA，多的也就20mA，带几个同步节点（激光雷达和其他需要时间同步的节点），十几个就很困难了。

（2）PPS是无屏蔽的单线脉冲信号，十几根PPS线穿梭在车内，极易受到车内恶劣电磁环境的干扰，届时根本无法区分出是干扰脉冲还是同步脉冲。

（3）GPRMC通过RS232串口发送同步报文，RS232是一种1对1的全双工通信形式，也可以通过主从形式实现1对几数据传输。但对十几，实属罕见，只能通过试验验证到底可不可行。但至少线束工程师是打死不愿答应的。

（4）当时钟源丢失的时候，所有需要时间同步的设备都一下子没有了主心骨，每个小弟都可以自立门户，没有二当家的及时站出来，主持大局。这对功能安全要求极高的自动驾驶系统来说，根本无法接受。

二、PPS+GPRMC接入工控机

需满足条件：

1.工控机支持；（不支持的设备可以考虑GPIO）

2.GNSS给出PPS和GPRMC，接入到设备；

我们的工控机往往采用的都是linux内核的ubuntu系统，例如目前主流使用的Ubuntu18.04以及20.04。

工控机支持，首先工控机要能够接收到PPS信号以及GPRMC串口信息等，有内部晶振控制授时（这个一般目前的工控机都具备）

打开你的设备手册

找COM口的说明（一般通过9针COM接入）

查阅发现4个COM口都是支持RS232 mode的也就是GNSS接入的Mode，这里需要指明的是这四个COM口对应设备的（ttyS0~ttyS3）。可以发现Pin1是可以接收DCD的，也就是这个pin接入PPS，RX为接收口、TX为发出口、5Pin为GND。

接下来查阅GNSS手册，根据要求接线：

参考接线方式（需要根据pin定制），将最右边的看作GNSS

确认GPRMC是否正常接入：

下载诸如cutecom等串口管理工具来查看

sudo apt install cutecom

如果你插入到COM1口：

点击open device能看到GPRMC的滚动输出说明GPRMC正常接入了

确认PPS是否正常接入：

PPS如何传到系统层呢？查询ubuntu的系统kernel版本后，在linux doc中：

PPS - Pulse Per Second — The Linux Kernel documentation

可以找到关于PPS的内容，发现LinuxPPS目前已经是内置了。

检查pps状态：

grep '^CONFIG_PPS' /boot/config-$(uname -r)

输出应为：

CONFIG_PPS=m  （为y也没问题）
CONFIG_PPS_CLIENT_LDISC=m

配置PPS_ldisc.service

将下述etc/systemd/system/pps_ldisc.service 放到/etc/systemd/system下

[Unit]
Description=Modprobe pps_ldisc
After=setserial.service
 
[Service]
Type=oneshot
ExecStart=/sbin/modprobe pps_core
ExecStart=/sbin/modprobe pps_ldisc
 
[Install]
WantedBy=gpsd.service

执行：

systemctl enable pps_ldisc.service  
systemctl start pps_ldisc.service
 
#第一行使得开机能自启，第二行启动这个service

（非必要）安装Setserial ，此举是为了低延迟和提升准确率

sudo apt-get install setserial

安装后，在var/lib/setserial/autoserial.conf 中修改：

#
###AUTOSAVE-ONCE###
###AUTOSAVE-ONCE###
###AUTOSAVE###
#
# If you want to configure this file by hand, use 
# dpkg-reconfigure setserial
# and change the configuration mode of the file to MANUAL. If you do not do this, this file may be overwritten automatically the next time you upgrade the
# package.
#
 
# dpkg-reconfigure setserial   ...  set configuration mode to MANUAL
# Added next line for ttyS1 for Garmin 18 LVC GPS
# From: http://www.rjsystems.nl/en/2100-ntpd-garmin-gps-18-lvc-gpsd.php
# Only needed to add 'low_latency' to default port configuration
# Print out current port configuration:
#   setserial -G /dev/ttyS1
/dev/ttyS1 uart 16550A port 0x02f8 irq 3 baud_base 115200 spd_normal skip_test low_latency
 
#该文件仅需修改上面的端口映射ttyS1代表COM2口，此地需要根据你真实接入的串口修改， 
#UART越大，内部buffer就越大（16550A有16位的buffer），但是对于本任务来说，不用UART更好，
#因为缓冲区会增加延迟从而降低精度；为了最大限度地降低 CPU 利用率，默认情况下，
串口流量通常会延迟 5 到 10 毫秒。但是，在这种情况下，使用了 low_latency 设置，
#设置高一点的CPU负载是值得的。
#115200是波特率，可以尝试改为9600，如果改动后找不到数据了，就改回来

然后运行：

dpkg-reconfigure setserial

点击OK，选择为MANUAL；（可能会有错误提示）

重启该service：

for op in stop start; do systemctl $op setserial.service; done

pps测试：

sudo ppswatch /dev/pps1
#pps1后面的数字根据实际情况来 可使用ppsfind --help

说明PPS正常