CN113422665B - 一种基于ipc机制实现车载系统时间同步的方法及系统 - Google Patents

一种基于ipc机制实现车载系统时间同步的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法及系统，车载中央处理单元运行以太时间同步协议gPTP，充当主时钟，实现对边缘网关的高精度时间同步；边缘网关接收以太时间同步消息，在MPU单元上运行以太时间同步协议gPTP，充当从时钟，完成与中央处理单元时间同步；MPU单元通过IPC机制，把本地已完成同步的时钟发送给MCU单元，通过MCU单元的时钟同步管理模块，生成边缘网关全局时间基准，并通过CAN总线，与车载网络中的其他ECU或者传感器节点进行时间同步，进而实现车载系统的全局时间同步。本发明实现了弹性灵活的车载系统时间同步。

Description

一种基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法及系统
技术领域
本发明属于自动驾驶技术领域，尤其涉及一种基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法及系统。
背景技术
以太网时间同步协议（Generalized Precision Time Protocol，gPTP）遵循IEEE802.1AS标准定义，可以实现时间敏感应用的高精度时间同步。
当前，自动驾驶车载网络快速发展，大多采用以太网作为骨干网络，CAN/LIN等其他总线作为边缘网络。所以，通过以太网TSN gPTP协议进行高精度的时间同步，已经成为主流选择；但是，对于边缘侧的设备，存在多种非以太类型的总线，短时间内无法全部替换成以太网，也就无法实现以太网的高精度时间同步。
随着车载领域单芯片多核架构的快速发展，核间通信机制（Inter-ProcessorCommunication，IPC）越来越多的被使用起来；IPC充分利用硬件提供的机制，实现高效的核间通信。
因此，本发明设计了一种基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法及系统。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法及系统，在中央处理单元上运行gPTP协议栈作为主时钟，边缘网关MPU单元运行gPTP协议栈作为从时钟，同时MPU单元和MCU单元之间通过IPC通道实现时间同步，再通过MCU单元时间同步管理，实现边缘侧ECU或者传感器的时间同步。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法，所述方法包括步骤：
（1）中央处理单元运行以太时间同步协议gPTP，充当主时钟，通过以太网向边缘网关发送时间同步消息；
（2）边缘网关，接收以太网传输的主时钟时间同步消息；同时边缘网关MPU单元运行以太时间同步协议gPTP，充当从时钟，完成与中央处理单元的时间同步；
（3）边缘网关MPU单元，通过IPC机制，把本地已完成同步的时钟发送给边缘网关MCU单元，通过边缘网关MCU单元的时钟同步管理模块，生成边缘网关全局时间基准；
（4）边缘网关MCU单元，通过CAN总线，发送全局时间基准给其他ECU或者传感器，进行本地时间同步。
进一步地，所述步骤（3）中，
（3.1）边缘网关MPU单元，开启初始化流程，包括MPU自身，gPTP标准协议以及IPC通道；完成与中央处理单元的gPTP主时钟同步，然后通过运行IPC机制发送本地时钟信息给边缘网关MCU单元；
（3.2）边缘网关MCU单元，开启初始化流程，包括MCU自身以及IPC通道；通过运行IPC机制接收MPU单元的时间同步消息，完成多次时间同步消息处理，生成本地同步时间戳。
进一步地，所述多次时间同步消息处理，具体为，
首次携带本地时钟时间基准信息，并根据MCU单元应答消息计算出MPU和MCU时钟偏差，并从第二次时间同步消息开始，增加偏差矫正值，逐步消除MCU侧和MPU侧的时间误差，进而完成时间同步。
进一步地，计算MPU和MCU时钟偏差使用算法为，往返时间乘以MPU和MCU的频率比，即核间频率比。
进一步地，所述生成本地同步时间戳，具体为，
边缘网关MCU单元，解析MPU同步时间信息，基于本地时钟频率，进行本地时间戳生成和校准，每个周期取多次平均值作为MCU本地同步时间戳。
进一步地，边缘网关MPU单元，运行时间同步协议gPTP，作为以太网的从时钟；同时，通过IPC机制与MCU单元进行时间同步，又充当MCU单元的主时钟。
一种基于IPC机制实现车载系统时间同步的系统，所述系统包括中央处理单元和边缘网关，边缘网关集成MPU单元和MCU单元，并支持IPC机制；
中央处理单元运行gPTP以太时间同步协议，充当主时钟；边缘网关的MPU单元运行gPTP以太时间同步协议，充当从时钟；边缘网关的MCU单元包含时间同步管理模块；
中央处理单元的主时钟通过以太网给边缘网关的MPU单元提供同步时间戳；边缘网关的MPU单元通过IPC机制给提MCU单元提供同步时间戳；边缘网关的MCU单元运行时间同步管理模块，生成本地全局时间戳，并通过CAN总线给其他ECU和传感器提供同步时间戳。
进一步地，中央处理单元运行gPTP协议，通过以太网发送时间同步消息到车载边缘网关；边缘网关MPU单元通过以太网接收时间同步消息，完成本地时钟同步。
进一步地，边缘网关MPU单元通过IPC机制发送时间同步消息给边缘网关MCU单元；边缘网关的MCU单元，通过IPC通道读取时间同步消息，运行时间同步管理进行校准，生成本地全局时间戳。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
本发明通过车载边缘网关的IPC机制，非常巧妙地实现把以太网时钟域的高精度时间基准，引入到边缘侧其他ECU或者传感器设备上。既可以保证车载系统的高精度时间同步，又很好地兼容了车载系统CAN/LIN等其他总线设备的时间同步。
本发明通过在车载网络中的中央处理单元部署gPTP主时钟域，实现对边缘网关的时间同步，有效缩短了时间同步消息的传输距离，快速实现整个车载边缘网络的时间同步。
本发明通过在边缘网关上部署MPU单元，MCU单元以及IPC机制，既可以保证边缘网关本身的正常时间同步，又非常巧妙地解决了边缘侧其他ECU或者传感器的时间同步问题。在充分利用以太网时间同步的同时，也很好地兼容了其他车载网络，如CAN总线设备的时间同步。
本发明适用于在边缘网关MPU单元和MCU单元之间部署IPC机制的车载网络系统，在TSN 802.1AS时间同步标准协议的基础上，实现兼容以太网以及CAN总线网络的高精度时间同步，有效保障了自动驾驶车载网络系统的全局时间一致性。
附图说明
图1是本发明所述的基于IPC机制实现车载系统时间同步的系统示意图；
图2是IPC机制时间同步的时序图；
图3是IPC消息格式；
图4是IPC机制时间同步的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明所述的基于IPC机制实现车载系统时间同步的系统，包括中央处理单元和边缘网关，边缘网关集成MPU单元和MCU单元，并支持IPC机制。
中央处理单元运行gPTP以太时间同步协议，充当主时钟；边缘网关的MPU单元运行gPTP以太时间同步协议，充当从时钟；边缘网关的MCU单元包含时间同步管理模块。
中央处理单元的主时钟通过以太网给边缘网关的MPU单元提供高精度时间戳；边缘网关的MPU单元通过IPC机制给提MCU单元提供高精度时间戳；边缘网关的MCU单元通过CAN总线给其他ECU和传感器提供高精度时间戳。即，边缘网关的MCU单元又作为CAN总线的主时钟，为其他ECU和传感器同步时间基准。
中央处理单元运行gPTP协议，把主时钟时间基准，通过以太网，发送高精度时间同步消息到车载边缘网关。
边缘网关MPU单元通过以太网接收时间同步报文，首先完成本地时钟同步；然后通过IPC机制，发送时间同步消息给边缘网关MCU单元。
边缘网关的MCU单元，运行时间同步管理，通过IPC通道，读取时间同步消息，进行校准，生成本地全局时间戳。
边缘网关的MCU单元，通过CAN总线，同步本地时间戳给其他ECU或者传感器。
本发明还提供一种基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法，包括步骤：
（1）车载中央处理单元，运行以太时间同步协议gPTP，充当主时钟，实现对边缘网关的高精度时间同步；
（2）车载边缘网关，接收主时钟通过以太网传输的时间同步消息；同时在边缘网关MPU单元上运行以太时间同步协议gPTP，充当从时钟，完成与中央处理单元的时间同步；
（3）边缘网关MPU单元，通过IPC机制，把本地已完成同步的时钟发送给边缘网关MCU单元，通过边缘网关MCU单元的时钟同步管理模块，生成边缘网关全局时间基准；
（4）边缘网关MCU单元，通过CAN总线，发送时间同步消息给其他ECU或者传感器；
（5）与边缘网关相连的车载网络中的其他ECU或者传感器，收到CAN时间同步消息，进行本地时间同步。
具体地，
中央处理单元，运行gPTP时间同步协议，并通过以太网发送主时钟基准，实现对边缘网关的以太时间同步。
边缘网关MPU单元，运行gPTP时间同步协议，并通过以太网接收主时钟基准，完成与主时钟的高精度时间同步；在完成时钟同步进入稳态后，再通过IPC机制发送本地时钟基准给MCU单元。
边缘网关MCU单元，运行时间同步管理，通过IPC机制，接收MPU单元同步的时间基准信息；在完成校准后，生成MCU单元的全局时间戳，并通过CAN总线发送全局时间基准消息，实现网关连接的ECU或者传感器设备的时间同步。
中央处理单元，运行gPTP时间同步协议，充当车载系统的主时钟。
边缘网关MPU单元，运行gPTP时间同步协议，作为以太网的从时钟；同时，通过IPC机制与MCU单元的时间同步，又充当MCU单元的主时钟。
边缘网关MCU单元，部署时间同步管理模块，通过IPC机制接收MPU单元的时间同步，完成校准，生成MCU单元的全局时间基准。
如图2所示，IPC机制时间同步的时序图，包括边缘网关MPU单元IPC时间同步和MCU单元时间同步管理。如图3所示，IPC消息格式，包括IPC头、序列号、PTP同步时间戳、时间矫正域、CRC。
边缘网关MPU单元，接收中央处理单元的gPTP时间同步消息，首先完成本地的时钟同步；然后通过IPC通道，向边缘网关MCU单元发送时间同步消息，每个周期发送多次时间同步消息。
例如，每个周期发送三次时间同步消息，其中首次携带本地时钟时间基准信息，并根据MCU应答消息计算出MPU和MCU时钟偏差，使用算法为，往返时间乘以MPU和MCU的频率比，即核间频率比；第二次和第三次时间同步消息，增加偏差矫正值，逐步消除MCU侧和MPU侧的时间误差，进而完成时间同步。
边缘网关MCU单元，接收MPU单元通过IPC通道发送的时间同步报文，解析出MPU同步时间信息，再基于本地时钟频率，进行本地时间戳生成和校准，每个周期取三次平均值作为MCU本地全局时间戳。
如图4所示，IPC机制时间同步的流程图，包括步骤：
（1）中央处理单元运行以太时间同步协议gPTP，充当主时钟，通过以太网向边缘网关发送时间同步消息；
（2）边缘网关，接收以太网传输的主时钟时间同步消息；同时边缘网关MPU单元运行以太时间同步协议gPTP，充当从时钟，完成与中央处理单元的时间同步；
（3）边缘网关MPU单元，通过IPC机制，把本地已完成同步的时钟发送给边缘网关MCU单元，通过边缘网关MCU单元的时钟同步管理模块，生成边缘网关全局时间基准；
（4）边缘网关MCU单元，通过CAN总线，发送全局时间基准给其他ECU或者传感器，进行本地时间同步。
在MPU域，开启初始化流程，包括MPU自身，gPTP标准协议以及IPC通道，进而完成与中央处理单元的gPTP主时钟同步；然后，通过运行IPC机制发送本地时钟信息给MCU域；在MCU域，开启初始化流程，包括MCU自身以及IPC通道，通过运行IPC机制接收MPU的时间同步消息，完成多次时间同步消息处理，生成本地同步时间戳；然后再通过CAN总线发送时间同步消息，完成与其他ECU或者传感器的时间同步。本发明通过IPC机制实现车载系统的时间同步技术，既保障了车载以太网络的高精度时间同步，又兼容了车载网络中CAN总线设备的时间同步。
本发明适用于在边缘网关MPU单元和MCU单元之间部署IPC机制的车载网络系统，在TSN 802.1AS时间同步标准协议的基础上，实现兼容以太网以及CAN总线网络的高精度时间同步，有效保障了自动驾驶车载网络系统的全局时间一致性。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
（1）中央处理单元运行以太时间同步协议gPTP，充当主时钟，通过以太网向边缘网关发送时间同步消息；
（2）边缘网关，接收以太网传输的主时钟时间同步消息；同时边缘网关MPU单元运行以太时间同步协议gPTP，充当从时钟，完成与中央处理单元的时间同步；
（3）边缘网关MPU单元，通过核间通信机制IPC，把本地已完成同步的时钟发送给边缘网关MCU单元，通过边缘网关MCU单元的时钟同步管理模块，生成边缘网关全局时间基准；
（4）边缘网关MCU单元，通过CAN总线，发送全局时间基准给其他ECU或者传感器，进行本地时间同步。
2.根据权利要求1所述的基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，
（3.1）边缘网关MPU单元，开启初始化流程，包括MPU自身，gPTP标准协议以及IPC通道；完成与中央处理单元的gPTP主时钟同步，然后通过运行IPC机制发送本地时钟信息给边缘网关MCU单元；
（3.2）边缘网关MCU单元，开启初始化流程，包括MCU自身以及IPC通道；通过运行IPC机制接收MPU单元的时间同步消息，在完成多次时间同步消息处理及时间校准后，生成本地同步时间戳。
3.根据权利要求2所述的基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法，其特征在于，所述多次时间同步消息处理，具体为，
首次携带本地时钟时间基准信息，并根据MCU单元应答消息计算出MPU和MCU时钟偏差，并从第二次时间同步消息开始，增加偏差矫正值，逐步消除MCU侧和MPU侧的时间误差，进而完成时间同步。
4.根据权利要求3所述的基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法，其特征在于，
计算MPU和MCU时钟偏差使用算法为，往返时间乘以MPU和MCU的频率比，即核间频率比。
5.根据权利要求3所述的基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法，其特征在于，所述生成本地同步时间戳，具体为，
边缘网关MCU单元，解析MPU同步时间信息，基于本地时钟频率，进行本地时间戳生成和校准，每个周期取多次平均值作为MCU本地同步时间戳。
6.根据权利要求1所述的基于IPC机制实现车载系统时间同步的方法，其特征在于，
边缘网关MPU单元，运行时间同步协议gPTP，作为以太网的从时钟；同时，通过IPC机制与MCU单元进行时间同步，又充当MCU单元的主时钟。
7.一种基于IPC机制实现车载系统时间同步的系统，其特征在于，所述系统包括中央处理单元和边缘网关，边缘网关集成MPU单元和MCU单元，并支持核间通信机制IPC；
中央处理单元运行gPTP以太时间同步协议，充当主时钟；边缘网关的MPU单元运行gPTP以太时间同步协议，充当从时钟；边缘网关的MCU单元包含时间同步管理模块；
中央处理单元的主时钟通过以太网给边缘网关的MPU单元提供同步时间戳；边缘网关的MPU单元通过IPC机制给提MCU单元提供同步时间戳；边缘网关的MCU单元运行时间同步管理模块，生成本地全局时间戳，并通过CAN总线给其他ECU和传感器提供同步时间戳。
8.根据权利要求7所述的基于IPC机制实现车载系统时间同步的系统，其特征在于，
中央处理单元运行gPTP协议，通过以太网发送时间同步消息到车载边缘网关；边缘网关MPU单元通过以太网接收时间同步消息，完成本地时钟同步。
9.根据权利要求7所述的基于IPC机制实现车载系统时间同步的系统，其特征在于，
边缘网关MPU单元通过IPC机制发送时间同步消息给边缘网关MCU单元；边缘网关的MCU单元，通过IPC通道读取时间同步消息，运行时间同步管理进行校准，生成本地全局时间戳。
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