方案分享 | 高精度时间同步技术的实现与应用-电子发烧友网

在自动驾驶快速从L2向L3、L4级别发展，微秒级甚至纳秒级精度的时间同步已成为系统性能的核心指标之一。多传感器融合场景下，激光雷达、摄像头、毫米波雷达等设备的时空对齐依赖统一的时间基准；而在复杂工业环境中，电磁干扰、时钟源故障等风险对时间同步的可靠性提出了更高要求。

本文分享PSB（Platform Sync Board）与QX550组合方案，基于硬件级时间同步架构与冗余设计，为上述挑战提供了系统性解决方案。本文将具体介绍方案架构和应用实例。

一、PSB+QX550方案架构

PSB+QX550 方案中，QX550作为 PCIe 3.0 x8 网络卡，搭载双 Intel X550-AT2 控制器，提供 4 个 10Gbase-T接口，支持IEEE 1588v2（PTP）和802.1AS-2020（gPTP）协议。配套的PSB 模块则通过 Intel i210IT 芯片、u-blox GPS 模块及PPS（脉冲每秒）接口，实现硬件级时间戳同步与多源时间校准。

两者通过OCuLink线缆实现数据与时钟信号的低延迟传输，结合XTSS（eXtended Time Synchronization Service）软件套件，构建了 “高精度同步 + 多源冗余 + 失效容错” 的完整技术链路。

图1：PSB+QX550

二、核心技术特性

1、多传感器融合时间对齐：硬同步与全域协同

PSB+QX550 方案通过XTSS 服务实现跨设备的亚微秒级时间同步，其核心由CTSS（Cluster Time Synchronization Service）和PTSS（Platform Time Synchronization Service）组成：

（1）PTSS 平台同步：利用硬件时间戳技术，同步同一设备内的多个以太网接口（如 QX550 的 4 个 10G 接口），确保多传感器数据采集时戳与系统时钟的一致性。例如，在自动驾驶测试中，可实现激光雷达点云数据与摄像头视频流的时间对齐，消除传感器间的时序偏差。

图2：PTSS平台同步

（2）CTSS 集群同步：通过 (g)PTP 协议实现跨设备集群同步，支持主从模式下的时间分发。QX550 Master 通过 PPS 同步线缆连接最多 3 个 Slave 设备（如其他 QX550 或第三方 XTSS 兼容设备），形成星型同步网络，满足分布式传感器阵列的全局时间统一需求。

图3：CTSS集群同步

2、复杂环境下时间源可靠性：多源冗余抗干扰

PSB 模块通过多元化时间源配置，提升复杂环境下的同步可靠性：

（1）GPS 与外部时钟冗余：内置 u-blox GPS 模块支持NMEA协议，通过 GPS antenna (端口4) 接口接收卫星信号，提供 UTC 时间基准；同时SER/PPS（端口2）支持外部 PPS 信号输入（如惯导或其他 grandmaster 时钟），通过隔离设计，抵抗工业环境中的电磁干扰。

图4：PSB多源时间同步配置

（2）时钟源无中断切换机制：当 GPS 信号失效时，系统作为从时钟仍同步至网络主时钟；若设备因此成为主时钟，则自动切换至内部振荡器（基于 QX550 硬件计数器），并通过‘Local Oscillator Hot Standby’维持最后已知的有效时间基准，避免主从切换导致的同步中断。

3、时间同步的失效容错：静态配置与动态监测

方案通过多重容错机制保障系统鲁棒性：

（1）静态端口状态配置：通过 XTSS Configurator 设置接口的固定端口状态（Master/Slave/Disabled），强制指定主时钟节点，避免因 BMCA（最佳主时钟算法）协商失败导致的同步失效。例如，在关键工业场景（如自动驾驶数据采集）中，可锁定某一 QX550 为永久 Master，防止因网络波动导致的主从切换。

（2）时间偏差阈值监测（偏差矫正）：XTSS 实时监测本地时钟与主时钟的偏差，当超过预设阈值（如 1000ns）时，标记状态并自动重新同步。结合 “Force AS capable” 功能，即使路径延迟测量失效，仍强制发送同步消息，确保紧急情况下的最小同步精度。