摘 要：隨著智能網(wǎng)聯(lián)和智能駕駛的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)不足以支持車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)帶寬的需求，因此車載以太網(wǎng)被廣泛應(yīng)用到車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。車載以太網(wǎng)中的很多應(yīng)用實(shí)現(xiàn)需要基于高精度的時(shí)鐘同步。因此時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）協(xié)議族之一的IEEE 802.1AS協(xié)議被引入到車載以太網(wǎng)。IEEE 802.1AS協(xié)議通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步至主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，從而確保各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，同步精度控制在1us以內(nèi)。為有效驗(yàn)證車載以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步質(zhì)量，介紹基于IEEE 802.1AS協(xié)議的主從時(shí)鐘同步偏差系統(tǒng)測(cè)試方案。

關(guān)鍵詞：車載以太網(wǎng) TSN IEEE 802.1AS 時(shí)鐘同步

以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，傳統(tǒng)以太網(wǎng)無(wú)法解決兩個(gè)交互節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步的問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題，通信業(yè)界開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP（Network Time Protocol）。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)交互節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步偏差小于1ms，但仍然無(wú)法滿足工業(yè)控制以及車載網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步要求。為了提高以太網(wǎng)設(shè)備間的同步精度，2000年成立了網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘同步委員會(huì)，并于2001年起草了IEEE 1588[1]協(xié)議，IEEE 1588協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的時(shí)鐘同步。之后IEEE 802.1工作組在IEEE 1588協(xié)議基礎(chǔ)上，起草了時(shí)鐘同步協(xié)議IEEE 802.1AS[2]，同步誤差控制在1us以內(nèi)。考慮到時(shí)鐘同步冗余的特性，IEEE工作組又基于IEEE 802.1AS協(xié)議，起草了IEEE 802.1AS_Rev[3]協(xié)議。該協(xié)議在IEEE 802.1AS的基礎(chǔ)上增加了多域的概念，可以實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘的備份和冗余，進(jìn)一步提高時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)車和智能駕駛的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)不足以支持當(dāng)前車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)帶寬的需求，因此車載以太網(wǎng)被廣泛應(yīng)用到車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。車載以太網(wǎng)是一個(gè)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，為滿足高精度時(shí)鐘同步，基于IEEE 802.1AS的時(shí)鐘同步協(xié)議被廣泛應(yīng)用到車載以太網(wǎng)中。

在車載以太網(wǎng)中，不只車身，輔助駕駛和座艙等域控對(duì)時(shí)鐘同步精度也有很高的要求。一些傳感器，比如雷達(dá)，同樣需要。從系統(tǒng)層面對(duì)各個(gè)域控和傳感器之間的時(shí)鐘同步偏差進(jìn)行測(cè)試是比較困難的，比如在實(shí)車測(cè)試層面，時(shí)鐘同步測(cè)試將缺乏有效的測(cè)試手段。在實(shí)車測(cè)試階段，對(duì)各個(gè)域控的時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)抓取分析，查看串口日志信息，采樣秒脈沖信號(hào)都比較困難。在實(shí)車測(cè)試之前，對(duì)整個(gè)車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多域控多傳感器之間的時(shí)鐘同步系統(tǒng)集成測(cè)試，能夠盡早發(fā)現(xiàn)、分析、定位相關(guān)問(wèn)題，縮短質(zhì)量環(huán)路，減輕實(shí)車測(cè)試壓力。

行業(yè)中目前存在兩種比較常見(jiàn)的主從時(shí)鐘偏差測(cè)試方案，分別是基于Reverse Sync和1PPS（1 Pulse Per Second）的時(shí)鐘同步偏差測(cè)試方案。分析對(duì)比了這兩種測(cè)試方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇基于1PPS的時(shí)鐘同步偏差系統(tǒng)測(cè)試方案。

1 時(shí)鐘同步原理

IEEE 802.1AS用于保證整個(gè)車載以太網(wǎng)的高精度時(shí)鐘同步，是TSN協(xié)議簇中重要的一部分。IEEE 802.1AS，又稱 gPTP（Generalized Precision Time Protocol ）協(xié)議，通過(guò)主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)鐘同步報(bào)文，從節(jié)點(diǎn)基于同步報(bào)文中的時(shí)間信息來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整各自本地時(shí)鐘，從而達(dá)到與主時(shí)鐘時(shí)間同步的目的。

為更加精確地實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘的同步，需要考慮時(shí)鐘同步報(bào)文在車載以太網(wǎng)上傳輸?shù)穆窂綍r(shí)延、經(jīng)過(guò)交換機(jī)的駐留時(shí)間和主從時(shí)鐘的頻率誤差。IEEE 802.1AS協(xié)議定義了BMCA（Best Master Clock Algorithm）算法[2]，用于在時(shí)鐘同步域內(nèi)選舉主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。但對(duì)于車載以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)是固定的，同時(shí)為了在車載以太網(wǎng)喚醒后，主從節(jié)點(diǎn)有更快的同步性能，一般選擇禁用BCMA，配置固定的主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)和時(shí)鐘同步生成樹(shù)[2]，因此BMCA算法在文章中不予介紹。

2 時(shí)鐘同步報(bào)文

IEEE 802.1AS協(xié)議在車載以太網(wǎng)中主要使用5種報(bào)文類型，分別是：Sync、Follow_Up、Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up。其中Sync和Follow_Up用于傳遞主時(shí)鐘的時(shí)間，Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up用于計(jì)算路徑時(shí)延和頻率補(bǔ)償。

3 路徑時(shí)延計(jì)算

時(shí)鐘同步報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中存在路徑時(shí)延，圖1展示了路徑時(shí)延的計(jì)算過(guò)程：

IEEE 802.1AS域內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)在喚醒后要進(jìn)行時(shí)延測(cè)量，如圖1所示。

（1）請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)發(fā)送Pdelay_Req報(bào)文，記錄發(fā)送時(shí)間；

（2）響應(yīng)節(jié)點(diǎn)記錄收到Pdelay_Req的時(shí)間；

（3）響應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送Pdelay_Resp給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)，并在Pdelay_Resp報(bào)文中攜帶時(shí)間信息，同時(shí)記錄自己發(fā)送Pdelay_Resp的時(shí)間；

（4）請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)收到Pdelay_Resp報(bào)文后，記錄收到該報(bào)文的時(shí)間；

（5）響應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送Pdelay_Resp_Follwo_Up，并在Pdelay_Resp_Follwo_Up報(bào)文中攜帶時(shí)間信息；

（6）請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)通過(guò)公式計(jì)算路徑時(shí)延：

上式的前提是請(qǐng)求和響應(yīng)節(jié)點(diǎn)都有相同的本地時(shí)鐘速率，而實(shí)際上兩個(gè)不同的本地時(shí)鐘間客觀存在的頻率差，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。為降低此類影響，協(xié)議中引入Neighbor Rate Ratio變量。

（7）Neighbor Rate Ratio為相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率比：

式中：r 表示響應(yīng)節(jié)點(diǎn)對(duì)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的Neighbor Rate Ratio，和表示第n次測(cè)量時(shí)和的值，和表示作為基準(zhǔn)的第0次測(cè)量時(shí)和的值。

（8）修正后的路徑時(shí)延：

4 時(shí)鐘同步過(guò)程

如圖2所示， 收到傳輸?shù)臅r(shí)鐘同步報(bào)文Sync和Follwo_Up，再轉(zhuǎn)發(fā)給。通過(guò)研究整個(gè)傳遞過(guò)程，了解時(shí)鐘同步原理。

（1）發(fā)送Sync報(bào)文，并記錄發(fā)送的時(shí)間。

（2）發(fā)送Follow_Up報(bào)文，其攜帶以下關(guān)鍵信息。

1）：主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送Sync報(bào)文的時(shí)間點(diǎn)，在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中不會(huì)變更；

2）：發(fā)送Sync報(bào)文時(shí)的本地時(shí)間點(diǎn)與主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送Sync報(bào)文時(shí)間點(diǎn)的差值；

3）：主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率與節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率之比。

（3） 收到發(fā)送的Sync報(bào)文，記錄收到的時(shí)間，并完成與主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，同步時(shí)間。

式中：表示的是節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的同步時(shí)間，表示的是節(jié)點(diǎn)至的路徑時(shí)延。

（4）發(fā)送Sync報(bào)文給，并記錄發(fā)送Sync報(bào)文時(shí)間。

（5）發(fā)送Follow_Up報(bào)文給，發(fā)送前需要計(jì)算和：

1）

式中：為發(fā)送Follow_Up報(bào)文攜帶的參數(shù)， 是對(duì)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率比。

2）

式中：為發(fā)送Follow_Up報(bào)文攜帶的參數(shù)，是節(jié)點(diǎn)至的路徑時(shí)延，和分別是收到Sync報(bào)文的時(shí)間點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)Sync報(bào)文的時(shí)間點(diǎn)，它們的差值代表Sync報(bào)文在節(jié)點(diǎn)內(nèi)所消耗的駐留時(shí)間，為主時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率與的時(shí)鐘頻率之比。

5 主從時(shí)鐘同步偏差系統(tǒng)測(cè)試

主時(shí)鐘和從時(shí)鐘時(shí)間偏差測(cè)試是針對(duì)整個(gè)時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，通過(guò)設(shè)備同時(shí)監(jiān)控時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的同步狀態(tài)和時(shí)間偏差。

針對(duì)時(shí)鐘同步偏差測(cè)試，主流有2種方案，基于Reverse Sync的測(cè)試方案和1PPS秒脈沖測(cè)試方案。

5.1 基于Reverse Sync的測(cè)試方案

5.1.1 測(cè)試原理

Reverse Sync是配置在從節(jié)點(diǎn)上的一種特殊的時(shí)鐘同步報(bào)文，它攜帶從節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，測(cè)試設(shè)備捕捉到這個(gè)報(bào)文后，與主時(shí)鐘的Sync報(bào)文進(jìn)行對(duì)比，就可以計(jì)算出主從時(shí)鐘的時(shí)間偏差。

5.1.2 測(cè)試環(huán)境搭建與配置

（1）采用這種方案測(cè)試，被測(cè)件需支持IEEE 802.1AS_Rev。在一個(gè)時(shí)鐘同步域里，只能有一個(gè)主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文，如果多個(gè)從節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)時(shí)鐘同步域內(nèi)發(fā)送Reverse Sync，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)時(shí)鐘同步域癱瘓。因此，從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的Reverse Sync需要配置到另一個(gè)時(shí)鐘同步域中；

（2）該測(cè)試方案需要使用TSN-BOX，系統(tǒng)連接如下圖3所示。TSN-BOX與主時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘同步，同時(shí)收取從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的Reverse Sync報(bào)文，得到每個(gè)從節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，從而計(jì)算出主從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏差。

5.1.3 局限性

（1）每個(gè)從節(jié)點(diǎn)均需配置Reverse Sync，增加了從節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)和配置復(fù)雜度；

（2）該方案需要給每一個(gè)從節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)時(shí)鐘同步域，而主流的車載交換機(jī)芯片一般只支持最多4個(gè)時(shí)鐘同步域，所以當(dāng)從節(jié)點(diǎn)比較多時(shí)，無(wú)法支持同時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘同步系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。

基于上述限制，在實(shí)際項(xiàng)目中，采用下述基于1PPS的測(cè)試方案。

5.2 基于1PPS的測(cè)試方案

5.2.1 測(cè)試原理

采集所有從節(jié)點(diǎn)的秒脈沖，對(duì)比主時(shí)鐘的秒脈沖，從而計(jì)算出主從時(shí)鐘同步偏差。

5.2.2 測(cè)試環(huán)境搭建與配置

在實(shí)際項(xiàng)目中，采用一款基于1PPS測(cè)試時(shí)鐘同步偏差的測(cè)試設(shè)備PPS Tester，可以支持對(duì)24路1PPS通道同時(shí)進(jìn)行采集，24小時(shí)連續(xù)采樣，系統(tǒng)連接如圖4所示：

（1）把從時(shí)鐘和主時(shí)鐘的1PPS信號(hào)接入到PPS Tester；

（2）配置采樣通道的參數(shù)，包括采樣脈沖輸入阻抗、電壓值、脈沖寬帶和是否為主節(jié)點(diǎn)等，如圖5所示；

（3）點(diǎn)擊開(kāi)始按鍵，開(kāi)始采樣測(cè)試。

1）測(cè)試結(jié)果分析

①1PPS脈沖

各域控秒脈沖采樣如圖6所示。

②同步精度

各從節(jié)點(diǎn)相對(duì)于主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏差如圖7所示。

③數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

各從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏差當(dāng)前值、最大，最小和平均值統(tǒng)計(jì)如圖8所示。

④測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告分為測(cè)試信息、通道配置信息、測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果和錯(cuò)誤日志等統(tǒng)計(jì)信息，如圖9所示。

（a）測(cè)試信息統(tǒng)計(jì)測(cè)試開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和測(cè)試時(shí)長(zhǎng)；

（b）通道配置信息包括采樣通道分配信息、主從節(jié)點(diǎn)信息、1PPS脈沖采樣設(shè)置信息和同步精度限值信息；

（c）測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果包括各通路的平均同步精度、同步精度最大和最小值、缺失信號(hào)計(jì)數(shù)、無(wú)效信號(hào)計(jì)數(shù)等；

（d）錯(cuò)誤日志會(huì)記錄異常事件發(fā)生的時(shí)間和當(dāng)時(shí)的時(shí)間同步精度，比如某路同步精度超過(guò)限值。

2）測(cè)試方案總結(jié)

該測(cè)試方案支持對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)中的24路通道連續(xù)24小時(shí)采樣1PPS，統(tǒng)計(jì)各路時(shí)間偏差信息，時(shí)間偏差精度最高可達(dá)4ns，滿足基于IEEE 802.1AS協(xié)議的時(shí)鐘同步偏差系統(tǒng)測(cè)試需求。該測(cè)試方案存在的缺點(diǎn)是1PPS很難檢測(cè)出主從節(jié)點(diǎn)超過(guò)整秒倍數(shù)的時(shí)間偏差，比如從時(shí)鐘和主時(shí)鐘的時(shí)間偏差為2.333s，1PPS測(cè)試結(jié)果為偏差333ms。因此除了查看1PPS測(cè)試結(jié)果，還需要在時(shí)鐘同步后對(duì)比主從節(jié)點(diǎn)的秒級(jí)時(shí)間來(lái)完善該測(cè)試方案。

6 結(jié)論

對(duì)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步協(xié)議IEEE 802.1AS進(jìn)行了詳細(xì)的研究，介紹了時(shí)鐘同步偏差系統(tǒng)測(cè)試方案，有效保障車載以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步質(zhì)量?？偨Y(jié)如下。

（1）介紹時(shí)鐘同步技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，并給出在車載網(wǎng)絡(luò)中，基于IEEE 802.1AS協(xié)議的時(shí)鐘同步偏差系統(tǒng)測(cè)試的必要性；

（2）研究時(shí)鐘同步協(xié)議IEEE 802.1AS協(xié)議，具體包括時(shí)鐘同步原理、時(shí)鐘同步報(bào)文、路徑時(shí)延計(jì)算和時(shí)鐘同步過(guò)程；

（3）實(shí)踐主從時(shí)鐘同步偏差系統(tǒng)測(cè)試方案。對(duì)比2種常用時(shí)鐘同步偏差測(cè)試方案，選擇并使用符合項(xiàng)目要求的最優(yōu)方案。經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析驗(yàn)證，該測(cè)試方案滿足項(xiàng)目需求，有效完成了項(xiàng)目中車載以太網(wǎng)時(shí)鐘同步的測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

[1]IEEE 1588 standard for a precision clock synchronization protocol for networked" measurement and control systems[C]// IEEE Std 1588-2002. IEEE，2002.

[2]IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks[C]// IEEE Std 802.1AS2011. IEEE，2011.

[3]IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications[C]// IEEE Std 802.1AS-2020. IEEE，2020.

[4]Lim H T， Herrscher D， L V?lker， et al. IEEE 802.1AS time synchronization in a switched" Ethernet based in-car network[C]// Vehicular Networking Conference. IEEE，2011.

[5]Yong J K， Jin H K， Bo M C， et al. Performance of IEEE 802.1AS for automotive system using hardware timestamp[C]// IEEE International Symposium on Consumer Electronics." IEEE，2014.

[6]Kero N， Puhm A， Kernen T， et al. Performance and Reliability Aspects of Clock" Synchronization Techniques for Industrial Automation[J]. Proceedings of the IEEE，2019，PP（99）：1-16.

[7]Garner G M， Ryu H . Synchronization of audio/video bridging networks using IEEE" 802.1AS[J]. IEEE Communications Magazine，2011，49（2）：140-147.

[8]Yang K， Jie W， Xie M P， et al. A new design for precision clock synchronization based on FPGA[C]// 2009 16th IEEE-NPSS Real Time Conference. IEEE，2009.