Livox设备时间同步(livox device time synchronization manual)
1 时间同步说明
Livox设备支持3种时间同步方式：
PTP：IEEE 1588v2.0 PTP 网络协议同步；
GPS：秒脉冲+GPRMC时间数据，组成GPS时间同步方式；
PPS：秒脉冲同步，需要上层应用程序通过其他途径（如：uart）获取每个脉冲的时间信息，并修正点云时间。目前仅LiDAR支持这种同步方式，且由于用法较为复杂，不推荐用户使用这种方式进行LiDAR时间的同步。
不同设备支持的同步方式：
| 设备 | 支持的同步方式 |
|---|---|
| Livox LiDAR | 1. PTP v2 2. GPS 3. PPS（不推荐使用） |
| Livox Hub | 1. PTP v2 2. GPS |
1.1 同步原理
1.1.1 PTP时间同步原理
同步过程使用IEEE 1588v2.0 PTP的Delay request-response机制（two steps），Livox设备作为slave端，和master时钟设备进行ptp时间同步。
master和slave时钟通过Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp这几个数据包的交互，得到t1、t2、t3、t4时间，通过如下计算得到传输路径延迟和两时钟的偏移：
传输路径延时：Delay = [(t4 – t1) – (t3 – t2)]/2
时间偏移：Offset = (t2 - t1) - Delay = [(t2 – t1) + (t3 – t4)]/2
1.1.2 GPS时间同步原理
GPS时钟源的PPS端口每秒发送一次硬件脉冲（PPS信号），随后数据端口发送一次对应这个脉冲上升沿的时间信息（GPRMC格式）。
Livox设备接收到PPS信号上升沿，并由GPRMC数据解析出正确的时间信息后，会设置点云时间为GPS时间，并保持此时间基准持续累加，来实现和GPS设备的时间同步。
-
Livox Hub可以直接接收RS485电平的GPRMC信号；
-
Livox LiDAR无法直接接收GPRMC信号，需要将GPRMC数据端口接入PC，然后通过sdk协议发送给雷达；
PPS信号和GPRMC信号的时序要求：
| 时间 | 描述 | 有效范围 | 推荐值 |
|---|---|---|---|
| t0 | 相邻两次秒脉冲上升沿的间隔 | 900 ms ~ 1100 ms | 1000 ms |
| t1 | 秒脉冲的高电平时间 | 5 ms ~ 900 ms | 10 ms ~ 200 ms |
| t2 | GPRMC的传输时间（波特率：9600bps） | ≈ 70 ms | 70 ms |
| t3 | GPRMC数据开始发送相对于脉冲上升沿的延迟 | 0 ms ~ 900 ms | 0 ms ~ 430 ms |
1.2 应用场景
PTP:
在没有GPS和PPS硬件信号的情况下，PTP v2可用于Livox LiDAR/Hub和其他设备之间的时间同步。这种方法所需要的外部硬件支持最少，只需要在整个网络中有一个master时钟设备即可。
GPS:
Livox Hub接入多个LiDAR时可以使用这种同步方式，Livox Hub需要接入GPS接收器的PPS信号，以及GPRMC格式的时间信号，此时LiDAR点云时间会自动修正成GPS时间。
Livox LiDAR也可以使用GPS同步，但需要将GPRMC信号接入PC，然后通过SDK协议将时间数据发送给LiDAR。
2 使用方法
2.1 PTP
当Livox LiDAR或者Hub连接到有ptp master时钟的网络中时，设备会自动同步自己的时间到主时钟。
2.1.1 配置和使用
第一步：检查网络中的master时钟是否正常：
PC上配置主时钟的方法可参考附录 配置PTP主时钟；
如果网络中有Sync、Follow_Up这两个数据，则说明存在PTP master时钟源，且正常工作：
第二步：连接Livox LiDAR/Hub
通过网线正常连接Livox LiDAR/Hub即可，无需额外接线。
第三步：如何查看设备在使用PTP 1588同步
1、通过查看点云数据包头中的timestamp_type数据，点云数据协议：https://github.com/Livox-SDK/Livox-SDK/wiki/Livox-SDK-Communication-Protocol
如果timestamp_type为1，则说明设备正在进行PTP时间同步：
| timestamp_type | data_type | 时间类型 |
|---|---|---|
| 1 | uint64_t | 纳秒（ns） |
2、或者在Livox Viewer上位机中，查看Settings选项，下图的Sync State表明Hub在使用ptp 1588同步。
2.1.2 注意事项
- PTP同步优先级最高，当PTP、PPS或GPS同时可用时，会优先使用PTP网络同步；
- 不支持具有多个主时钟的网络环境；
- 百纳秒精度；
2.2 GPS
为了兼容其他厂商的LiDAR硬件，Livox设备也支持GPS时间同步。
由于Livox有不同种类的硬件（LiDAR/Hub），在使用GPS同步时，可以将硬件接口分为3类：
- 使用Livox Hub；
- 使用Livox Converter 1.0连接的LiDAR（如：Mid-40、Mid-100）；
- 使用Livox Converter 2.0连接的LiDAR（如：Tele-15、Horizon）；
下面将分别介绍如何使用这3种接口进行GPS时间同步。
2.2.1 配置和使用
2.2.1.1 Livox Hub
硬件连接
如果GPS模块的时间信号和PPS信号是RS485电平，直接将线接入Hub的GPS时间同步口（GPS sync port）即可。
如果GPS模块的时间信号和PPS信号是TTL电平，则需要进行如下的电平转换后，才能将信号接入Hub的GPS时间同步口（GPS sync port）。
备注：
Hub使用GPS同步时，不需要进行SDK软件的配置。
2.2.1.2 Livox Converter 1.0
目前默认使用Livox Converter 1.0的设备有：
- Mid-40
- Mid-100
硬件连接
将GPS模块的时间信号（GPRMC）通过TTL转usb模块接入PC，PPS信号接入LiDAR转接盒同步口（Sync Port）。
如果GPS模块输出的PPS为RS485电平的信号，则上图可以省略TTL转485模块。
软件配置
由于需要PC接收GPRMC数据，然后通过SDK协议发送给LiDAR，对产品的固件版本有如下要求：
- Mid firmware version: >= v03.07.0000
- SDK version >= v2.1.0
使用ROS driver的情况
1、按照上面的介绍正确连接硬件；
2、查看接入PC的usb模块的端口名称，例如 /dev/ttyUSB0，添加到 livox_lidar_config.json 文件中"timesync_config"的"device_name"，然后将"enable_timesync"配置为 true，波特率"baudrate_index"可以参考 https://github.com/Livox-SDK/livox_ros_driver 来配置具体数值；
"timesync_config": {
"enable_timesync": true,
"device_name": "/dev/ttyUSB0",
"comm_device_type": 0,
"baudrate_index": 2,
"parity_index": 0
3、运行launch file；
**只使用SDK的情况 **
下面的链接是实现GPRMC数据接收和解析，并通过SDK协议发送给LiDAR的程序：
https://github.com/Livox-SDK/Livox-SDK/tree/master/sample_cc/lidar_utc_sync
2.2.1.3 Livox Converter 2.0
目前包装盒中标配使用Livox Converter 2.0的设备有：
- Horizon
- Tele-15
硬件连接
将GPS模块的时间信号（GPRMC）通过TTL转usb模块接入PC，PPS信号接入LiDAR转接盒同步口（Sync Port）。
软件配置
由于需要PC接收GPRMC数据，然后通过SDK协议发送给LiDAR，对产品的固件版本有如下要求：
- Horizon firmware version: >= v06.06.0000
- Tele-15 firmware version: >= v07.09.0000
- SDK version >= v2.1.0
使用ROS driver的情况
1、按照上面的介绍正确连接硬件；
2、查看接入PC的usb模块的端口名称，例如 /dev/ttyUSB0，添加到 livox_lidar_config.json 文件中"timesync_config"的"device_name"，然后将"enable_timesync"配置为 true，波特率"baudrate_index"可以参考 https://github.com/Livox-SDK/livox_ros_driver 来配置具体数值；
"timesync_config": {
"enable_timesync": true,
"device_name": "/dev/ttyUSB0",
"comm_device_type": 0,
"baudrate_index": 2,
"parity_index": 0
3、运行launch file；
**只使用SDK的情况 **
下面的链接是实现GPRMC数据接收和解析，并通过SDK协议发送给LiDAR的程序：
https://github.com/Livox-SDK/Livox-SDK/tree/master/sample_cc/lidar_utc_sync
2.2.3 状态检查
1、通过查看点云数据包头中的timestamp_type数据，点云数据协议：https://github.com/Livox-SDK/Livox-SDK/wiki/Livox-SDK-Communication-Protocol
如果timestamp_type为3，则说明设备正在进行GPS时间同步：
| timestamp_type | data_type | 时间类型 |
|---|---|---|
| 3 | UTC（8 Bytes） | UTC时间格式 |
UTC时间格式：
2、或者在Livox Viewer上位机中，查看Settings选项，下图的Sync State表明Hub在使用GPS同步。
2.2.3 注意事项
- 通常情况下，GPS模块接收到GPS信号，才能正常输出PPS信号和时间信号。在使用时，需要确保GPS信号是稳定的；
- 目前时间信号只支持GPRMC/GNRMC这两种格式；
- 1 us级别精度
2.3 PPS
由于这个用法较为复杂，不建议用户使用这种同步方式
Livox LiDAR每次接收到PPS信号的上升沿后，会将当前时刻的点云时间置为0，然后重新开始计时直到下一个PPS脉冲到来。我们可以利用这个特性，来实现PPS脉冲对LiDAR时间的同步。
下面是实现这个流程的伪代码：
// PPS Time Synchronization
static uint64_t lidar_time_last;
static uint64_t lidar_time_real;
// 1. Read the PPS rising edge time, Unit is nanosecond.
uint64_t pps_time_ns = get_pps_rising_nsecond();
// 2. Read LiDAR point time, Unit is nanosecond.
uint64_t lidar_time = get_lidar_pack_time();
// 3. Update real time.
if (lidar_time < lidar_time_last)
{
//LiDAR time jump indicates the generation of PPS rising edge.
lidar_time_real = pps_time_ns + lidar_time%(1000000000);
}
else
{
lidar_time_real += lidar_time - lidar_time_last;
}
//Update history
lidar_time_last = lidar_time;
备注：
用戶需要通过其他方式获得PPS上升沿的时间信息，对应上述代码中的get_pps_rising_nsecond()接口。
附录
配置PTP主时钟
地址：http://linuxptp.sourceforge.net
下载，编译和安装：
git clone http://git.code.sf.net/p/linuxptp/code linuxptp
cd linuxptp
make
sudo make install
如果要让ptp4l正常工作，需要系统的Linux kernel version 3.0或者更新版本。通过下面的指令来检查网卡是否支持软件/硬件时间戳功能（如：查询网卡 'eth0' 的状态）。
ethtool -T eth0
下图的例子中，表明eth0网卡支持硬件时间戳。
下图的例子中wlan0网卡不支持硬件和软件时间戳，linuxptp/ptp4l不能正常工作。
运行如下指令，开启ptp4l的master时钟功能：
sudo ptp4l -i eth0 -l 6 -m
如果网络中出现 Sync Message 数据，说明ptp4l程序的master时钟功能正常运行：
可以使用如下命令让系统时间和PTP硬件时钟同步:
如果需要更多相关的信息, 请参考 phc2sys 链接
sudo phc2sys -c eth0 -s CLOCK_REALTIME -O 0
完成以上步骤，即可通过ptp4l实现雷达时间和PC本地系统时间的同步。