摘要

目前整車 E/E 架構(gòu)由于面臨來(lái)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(fù)雜，所需要解決的問(wèn)題包括：功能復(fù)雜性，通信帶寬，計(jì)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(duì)獲取數(shù)據(jù)的同步尤其敏感，數(shù)據(jù)融合需要針對(duì)同一時(shí)間點(diǎn)獲取到的數(shù)據(jù)做融合處理。因此，對(duì)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(shí)間同步的研究尤其重要?；诖耍恼略敿?xì)介紹了域控制器片內(nèi)及片外時(shí)間同步的方法，解決了域控制器內(nèi)外部數(shù)據(jù)時(shí)間不同步的技術(shù)缺陷。

1 時(shí)間同步概念的介紹

時(shí)間同步是指一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊都要同步到系統(tǒng)的主時(shí)鐘源，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行基于同一個(gè)時(shí)間基點(diǎn)。以高級(jí)輔助駕駛、自動(dòng)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(yùn)行的一個(gè)重要問(wèn)題就是要保證獲取的數(shù)據(jù)精確時(shí)間同步，算法的基準(zhǔn)是所有的數(shù)據(jù)都是在同一時(shí)間點(diǎn)獲取的，否則應(yīng)用功能無(wú)法保證做出正確的預(yù)判，可能造成自動(dòng)駕駛的嚴(yán)重事故。

隨著 L2 和 L3 級(jí)別自動(dòng)駕駛需求的設(shè)計(jì)，域控制器的架構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，一個(gè)典型的域控制器可能包含多個(gè) SoC 和 MCU 來(lái)處理大量的數(shù)據(jù)。本文研究的時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示，域控制器內(nèi)包含一個(gè) MCU 和兩個(gè) SoC，其中 MCU 和 SoC 1 通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)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(guò) GPIO 和 SPI/UART 接口交換數(shù)據(jù)，外部傳感器節(jié)點(diǎn)和 MCU 通過(guò)私有 CAN 相連。整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間同步包含域控制器和外部主時(shí)鐘源控制器的時(shí)間同步（MCU/ SoC 1 和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的同步），域控制器片內(nèi)異構(gòu)多核的時(shí)間同步（MCU  和 SoC  2 之間的時(shí)間同步），域控制器和外部傳感器控制器的時(shí)間同步（MCU 和外部傳感器節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步）。

圖 1 時(shí)間同步系統(tǒng)架構(gòu)

2 域控制器和外部主時(shí)鐘源

控制器的時(shí)間同步

域控制器和外部主時(shí)鐘源控制器的時(shí)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(guò)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(shí)鐘源提供基準(zhǔn)時(shí)間，MCU 和 SoC 1 根據(jù)提供的基準(zhǔn)時(shí)間校準(zhǔn)各自的時(shí)鐘時(shí)間，實(shí)現(xiàn)和主時(shí)鐘源的時(shí)間同步。其中 MCU 和 SoC 分別運(yùn)行 gPTP 協(xié)議， 該協(xié)議是基于數(shù)據(jù)包的時(shí)間同步協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)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(shí)間（相位、頻率和絕對(duì)時(shí)間）的機(jī)制，時(shí)鐘精度達(dá)到亞微秒級(jí)。如圖 2 所示，其中 MCU 端基于 Autosar 軟件架構(gòu)開(kāi)發(fā)，涉及的模塊包括以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)（EthernetDrv）、時(shí)間同步處理模塊（EthTSyn）、時(shí)間同步基準(zhǔn)控制模塊（StbM）和上層時(shí)間觸發(fā)任務(wù)調(diào)度模塊（SWC）； SoC 1 端基于 Linux 平臺(tái)開(kāi)發(fā)，涉及的模塊包括以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)（TCP/IP, gPTP）和上層時(shí)間觸發(fā)任務(wù)調(diào)度模塊（SWC）。

圖 2  域控制器和主時(shí)鐘源同步

主要模塊的具體功能描述見(jiàn)表 1：

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

MCU 和 SoC 1 的時(shí)鐘延遲計(jì)算機(jī)制如下：

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

（2） 從節(jié)點(diǎn)收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間 T2；

（3） 主節(jié)點(diǎn)通過(guò)將時(shí)間戳 T1 嵌入到 Follow_Up 報(bào)文中傳遞給從節(jié)點(diǎn)；

（4） 從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送 Delay_Req 報(bào)文，用于發(fā)起反向傳輸延時(shí)的計(jì)算，并記錄發(fā)送時(shí)間 T3；

（5） 主節(jié)點(diǎn)收到 Delay_Req 報(bào)文之后，記錄接收時(shí)間 T4；

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

（7） 此時(shí)，從節(jié)點(diǎn)便擁有了 T1—T4 這四個(gè)時(shí)間戳，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱，由此可計(jì)算出從節(jié)點(diǎn)相對(duì)于主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘延遲：Delay=（T4?T3+T2?T1）/2。

圖 3 gPTP 同步機(jī)制計(jì)算圖

3 域控制器片內(nèi)異構(gòu)的時(shí)間同步

當(dāng)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(shí)，MCU 和 SoC 2 的時(shí)間同步方案需要 GPIO 接口和能攜帶 MCU 時(shí)間戳信息的通信接口（SPI 通信等），以 MCU 為主時(shí)鐘 Master，同步 SoC 2 時(shí)鐘。如圖 4 所示，MCU 和 SoC 2 的時(shí)間同步機(jī)制如下：

（1） MCU 記錄當(dāng)前的時(shí)間 Tx，并通過(guò) GPIO 通知 SoC（MCU 和 SoC 2 之間的時(shí)間同步通過(guò)使用GPIO 進(jìn)行中斷通知，以保證 MCU 和 SoC 2 的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)盡可能相近）。

（2） SoC 2 響應(yīng) GPIO 的請(qǐng)求，并記錄 SoC 2當(dāng)前的時(shí)間 T1。

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

（4） SoC 2 接收到 Tx 時(shí)刻的 SoC 2 系統(tǒng)時(shí)間為T(mén)2，立即更新 SoC 2 的系統(tǒng)時(shí)間（T2－T1+Tx）。

圖 4 域控制器片內(nèi)異構(gòu)同步機(jī)制計(jì)算圖

4 域控制器和外部傳感器

控制器的時(shí)間同步

在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，獲取的傳感器數(shù)據(jù)之間時(shí)間同步至關(guān)重要。上層應(yīng)用算法會(huì)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(shí)間不同步會(huì)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(guò)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(shí)間同步方案需要 MCU 節(jié)點(diǎn)通過(guò)私有CAN 發(fā)送同步幀到外部傳感器節(jié)點(diǎn)，以 MCU 為主時(shí)鐘 Master，同步外部傳感器節(jié)點(diǎn)。如圖 5 所示， MCU 和外部傳感器的時(shí)間同步機(jī)制如下：

（1） MCU 發(fā)送全局時(shí)間 CAN 同步報(bào)文。

（2） 外部傳感器接收節(jié)點(diǎn)采用最高優(yōu)先級(jí)處理全局時(shí)間 CAN 同步報(bào)文，并記錄外部節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的時(shí)間 T1。

（3） MCU 在發(fā)送全局時(shí)間同步報(bào)文時(shí)填寫(xiě)計(jì)時(shí)器，以一定的周期發(fā)送同步報(bào)文，時(shí)間同步報(bào)文中攜帶時(shí)間戳信息。

（4） 接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)全局時(shí)間戳并加載計(jì)算本地時(shí)間戳，更新接收節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)間（CAN:Tx-CAN:T1+MCU:Tx）。  

圖 5 CAN 同步機(jī)制計(jì)算圖

5 結(jié)論

本文在分析域控制器復(fù)雜架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用算法對(duì)獲取數(shù)據(jù)時(shí)間同步的要求，詳細(xì)介紹了一種域控制器片內(nèi)及片外時(shí)間同步的方法，以外部以太網(wǎng)關(guān)作為整個(gè)域控制器的時(shí)鐘源主節(jié)點(diǎn)，通過(guò)運(yùn)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(shí)鐘源控制器的基準(zhǔn)時(shí)間，以 MCU 為時(shí)間同步的主節(jié)點(diǎn)，通過(guò)在 SPI 協(xié)議中增加時(shí)間戳等信息，完成 MCU 和 SoC 2 的時(shí)間同步，同樣以 MCU 為時(shí)間同步的主節(jié)點(diǎn)，通過(guò)在私有CAN 協(xié)議中增加時(shí)間戳、同步報(bào)文等信息，完成和外部傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，基于以上步驟，為復(fù)雜的域控系統(tǒng)時(shí)間同步提供了很好的解決方案，這樣可以保證整個(gè)域控系統(tǒng)的運(yùn)行基于同一個(gè)時(shí)間基點(diǎn)。