摘要

目前整車 E/E 架構(gòu)由于面臨來自不同控制器和傳感器的數(shù)據(jù)交互需求而變得愈加復雜，所需要解決的問題包括：功能復雜性，通信帶寬，計算能力，靈活性，可拓展性等。其中域控制器上層應(yīng)用算法對獲取數(shù)據(jù)的同步尤其敏感，數(shù)據(jù)融合需要針對同一時間點獲取到的數(shù)據(jù)做融合處理。因此，對域控制器內(nèi)部的異構(gòu)多核、外部控制器數(shù)據(jù)以及傳感器數(shù)據(jù)時間同步的研究尤其重要?；诖?，文章詳細介紹了域控制器片內(nèi)及片外時間同步的方法，解決了域控制器內(nèi)外部數(shù)據(jù)時間不同步的技術(shù)缺陷。

1 時間同步概念的介紹

時間同步是指一個系統(tǒng)的各個模塊都要同步到系統(tǒng)的主時鐘源，整個系統(tǒng)的運行基于同一個時間基點。以高級輔助駕駛、自動駕駛系統(tǒng)為例，系統(tǒng)包含環(huán)境感知、數(shù)據(jù)融合、路徑規(guī)劃和應(yīng)用執(zhí)行，其中系統(tǒng)正確運行的一個重要問題就是要保證獲取的數(shù)據(jù)精確時間同步，算法的基準是所有的數(shù)據(jù)都是在同一時間點獲取的，否則應(yīng)用功能無法保證做出正確的預判，可能造成自動駕駛的嚴重事故。

隨著 L2 和 L3 級別自動駕駛需求的設(shè)計，域控制器的架構(gòu)越來越復雜，一個典型的域控制器可能包含多個 SoC 和 MCU 來處理大量的數(shù)據(jù)。本文研究的時間同步系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示，域控制器內(nèi)包含一個 MCU 和兩個 SoC，其中 MCU 和 SoC 1 通過以太網(wǎng)交換機和外部的以太網(wǎng)關(guān)相連，域控制器內(nèi)部 MCU 和 SoC 2 通過 GPIO 和 SPI/UART 接口交換數(shù)據(jù)，外部傳感器節(jié)點和 MCU 通過私有 CAN 相連。整個系統(tǒng)時間同步包含域控制器和外部主時鐘源控制器的時間同步（MCU/ SoC 1 和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的同步），域控制器片內(nèi)異構(gòu)多核的時間同步（MCU  和 SoC  2 之間的時間同步），域控制器和外部傳感器控制器的時間同步（MCU 和外部傳感器節(jié)點之間的時間同步）。

圖 1 時間同步系統(tǒng)架構(gòu)

2 域控制器和外部主時鐘源

控制器的時間同步

域控制器和外部主時鐘源控制器的時間同步如圖 2 所示，包含域控制器內(nèi)的 MCU，SoC 1 和外部網(wǎng)關(guān)之間的同步，其中 MCU 和 SoC 1 通過以太網(wǎng)switch 和外部的以太網(wǎng)關(guān)相連，該同步以外部網(wǎng)關(guān)作為主時鐘源提供基準時間，MCU 和 SoC 1 根據(jù)提供的基準時間校準各自的時鐘時間，實現(xiàn)和主時鐘源的時間同步。其中 MCU 和 SoC 分別運行 gPTP 協(xié)議， 該協(xié)議是基于數(shù)據(jù)包的時間同步協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸和時間同步使用同一網(wǎng)絡(luò)，它描述了如何在基于數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)（比如以太網(wǎng)）上分配同步時間（相位、頻率和絕對時間）的機制，時鐘精度達到亞微秒級。如圖 2 所示，其中 MCU 端基于 Autosar 軟件架構(gòu)開發(fā)，涉及的模塊包括以太網(wǎng)驅(qū)動（EthernetDrv）、時間同步處理模塊（EthTSyn）、時間同步基準控制模塊（StbM）和上層時間觸發(fā)任務(wù)調(diào)度模塊（SWC）； SoC 1 端基于 Linux 平臺開發(fā)，涉及的模塊包括以太網(wǎng)驅(qū)動，協(xié)議棧的開發(fā)（TCP/IP, gPTP）和上層時間觸發(fā)任務(wù)調(diào)度模塊（SWC）。

圖 2  域控制器和主時鐘源同步

主要模塊的具體功能描述見表 1：

如表 1 所示，域控制器內(nèi)部的 MCU 和 SoC 1 根據(jù)時間戳可以計算出與主時鐘源的時間偏差，通過時間補償可以保證 MCU，SoC 1 和主時鐘源處于相同時間環(huán)境。

MCU 和 SoC 1 的時鐘延遲計算機制如下：

（1） 主時鐘源以太網(wǎng)關(guān)主節(jié)點向從節(jié)點 MCU和 SoC 1 發(fā)送 Sync 消息，并記錄發(fā)送時間 T1；

（2） 從節(jié)點收到該報文后，記錄接收時間 T2；

（3） 主節(jié)點通過將時間戳 T1 嵌入到 Follow_Up 報文中傳遞給從節(jié)點；

（4） 從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送 Delay_Req 報文，用于發(fā)起反向傳輸延時的計算，并記錄發(fā)送時間 T3；

（5） 主節(jié)點收到 Delay_Req 報文之后，記錄接收時間 T4；

（6） 主節(jié)點將 T4 嵌入到 Delay_Resp 消息中，從而傳遞給從節(jié)點；

（7） 此時，從節(jié)點便擁有了 T1—T4 這四個時間戳，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)對稱，由此可計算出從節(jié)點相對于主節(jié)點的時鐘延遲：Delay=（T4?T3+T2?T1）/2。

圖 3 gPTP 同步機制計算圖

3 域控制器片內(nèi)異構(gòu)的時間同步

當域控制器片內(nèi) SoC 2 不帶以太網(wǎng)接口或不支持 gPTP 協(xié)議時，MCU 和 SoC 2 的時間同步方案需要 GPIO 接口和能攜帶 MCU 時間戳信息的通信接口（SPI 通信等），以 MCU 為主時鐘 Master，同步 SoC 2 時鐘。如圖 4 所示，MCU 和 SoC 2 的時間同步機制如下：

（1） MCU 記錄當前的時間 Tx，并通過 GPIO 通知 SoC（MCU 和 SoC 2 之間的時間同步通過使用GPIO 進行中斷通知，以保證 MCU 和 SoC 2 的時間基準點盡可能相近）。

（2） SoC 2 響應(yīng) GPIO 的請求，并記錄 SoC 2當前的時間 T1。

（3） MCU 通過 SPI 將記錄的當前時間 T1 發(fā)送給 SoC 2（GPIO 中斷請求和 SPI 傳送時間戳信息盡可能短，以保證同步的精度）。

（4） SoC 2 接收到 Tx 時刻的 SoC 2 系統(tǒng)時間為T2，立即更新 SoC 2 的系統(tǒng)時間（T2－T1+Tx）。

圖 4 域控制器片內(nèi)異構(gòu)同步機制計算圖

4 域控制器和外部傳感器

控制器的時間同步

在自動駕駛系統(tǒng)中，獲取的傳感器數(shù)據(jù)之間時間同步至關(guān)重要。上層應(yīng)用算法會根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)做最終的決策判斷，獲取的傳感器數(shù)據(jù)時間不同步會造成最終決策的誤判或漏判的發(fā)生。本文研究的系統(tǒng)中外部傳感器（Camera/Radar）通過私有 CAN 連接到域控制器的 MCU 端，在 MCU 的內(nèi)部完成數(shù)據(jù)融合的處理后將數(shù)據(jù)傳給決策模塊。MCU 和外部傳感器的時間同步方案需要 MCU 節(jié)點通過私有CAN 發(fā)送同步幀到外部傳感器節(jié)點，以 MCU 為主時鐘 Master，同步外部傳感器節(jié)點。如圖 5 所示， MCU 和外部傳感器的時間同步機制如下：

（1） MCU 發(fā)送全局時間 CAN 同步報文。

（2） 外部傳感器接收節(jié)點采用最高優(yōu)先級處理全局時間 CAN 同步報文，并記錄外部節(jié)點當前的時間 T1。

（3） MCU 在發(fā)送全局時間同步報文時填寫計時器，以一定的周期發(fā)送同步報文，時間同步報文中攜帶時間戳信息。

（4） 接收節(jié)點根據(jù)全局時間戳并加載計算本地時間戳，更新接收節(jié)點的系統(tǒng)時間（CAN:Tx-CAN:T1+MCU:Tx）。  

圖 5 CAN 同步機制計算圖

5 結(jié)論

本文在分析域控制器復雜架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用算法對獲取數(shù)據(jù)時間同步的要求，詳細介紹了一種域控制器片內(nèi)及片外時間同步的方法，以外部以太網(wǎng)關(guān)作為整個域控制器的時鐘源主節(jié)點，通過運行 gPTP 協(xié)議，使域控制器內(nèi)部具有以太網(wǎng)接口的MCU 和 SoC 1 同步了外部主時鐘源控制器的基準時間，以 MCU 為時間同步的主節(jié)點，通過在 SPI 協(xié)議中增加時間戳等信息，完成 MCU 和 SoC 2 的時間同步，同樣以 MCU 為時間同步的主節(jié)點，通過在私有CAN 協(xié)議中增加時間戳、同步報文等信息，完成和外部傳感器節(jié)點的時間同步，基于以上步驟，為復雜的域控系統(tǒng)時間同步提供了很好的解決方案，這樣可以保證整個域控系統(tǒng)的運行基于同一個時間基點。